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发信人: dxmxqe (婴儿), 信区: Aero
标  题: 日本可重复使用运载器验证计划的最新进展
发信站: 哈工大紫丁香 (2004年05月01日13:08:26 星期六), 站内信件

□ 曹志杰


　　日本为了成为世界航天大国，投入了大量资金来开展可重复使用运载器（RLV
）的研究和验证，规模仅次于美国。

　　1994年，日本航天活动委员会（SAC）制定了长期航天政策，要求开展可重复
使用运载器的研究工作，近期目标是在2010年左右研制出以火箭发动机为动力的可
重复使用运载器，远期目标是在2020年左右研制出以吸气式/火箭组合发动机为动
力的空天飞机。为此，日本把重点放在“H－2轨道飞机试验机”（HOPE－X，简称
“希望”X）飞行验证机的研制上，进行关键技术研究和概念性系统研究，为未来
的可重复使用运输系统验证关键技术并积累经验。

　　目前“高速飞行验证”（HSFD）计划作为日本唯一正在进行的可重复使用运载
技术方面的飞行验证计划备受关注。HSFD第一阶段的3次飞行试验已经圆满完成，
第二阶段的飞行试验正在进行中。

　　一、HOPE－X计划回顾

　　1992年，日本航天活动委员会启动了“H－2轨道飞机”（HOPE，简称“希望号
”）计划，以掌握不载人带翼飞行器的再入技术。HOPE－X是由H－2火箭发射的返
回式试验飞行器。该计划的主要目的有两个：一是验证可复用运载器所需的再入飞
行器系统技术，二是研制出一个具有潜在实际用途的飞行器，用于轨道试验、对地
观测和往返于低地轨道的后勤补给与回收等。在开展HOPE－X计划的过程中，日本
一直采取循序渐进的步骤，从1994年到1996年先后成功地进行了自动着陆飞行试验
（ALFLEX）、高超音速飞行试验（HYFLEX）、轨道再入飞行试验（OREX）等，对自
动着陆和低空飞行技术、高超音速飞行器的设计和制造技术和大气层再入技术等进
行了演示验证。飞行验证试验数据见表1。

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　　1998年，航天活动委员会重新调整了HOPE－X的研制进度和飞行器方案，并决
定启动新的高速飞行验证计划，亦即HSFD计划，进一步降低HOPE－X的首飞风险。
HOPE－X飞行试验原计划在2005年进行。由于H－2火箭的发射接连失败，日本宇宙
科学研究所（ISAS）、航空宇宙技术研究所（NAL）和日本宇宙开发事业团（
NASDA）对未来航天运输系统展开了新的讨论，结论是：在对关键技术进行必要的
试验、验证和确认前还不能确定日本第一代实用型可复用运载器的方案。因此，
2000年8月，航天活动委员会再次修改HOPE－X计划，决定冻结制造HOPE－X模型，
但继续进行HSFD计划，并继续从事与可复用运载器的基础技术相关的研究和开发工
作。图1示出了日本可复用运输系统的路线图。

　　二、HSFD计划

　　HSFD计划是1999年1月启动的。它是一项使用缩尺试验飞行器模型进行的飞行
试验计划，是HOPE－X不载人再入飞行器计划的一部分。HSFD计划主要用于验证飞
行器亚音速和跨音速的飞行特性。这两个速度范围以前没有验证过，还存在某些不
确定因素。该计划也因此分为两个阶段：第一阶段进行亚音速飞行验证，第二阶段
进行跨音速所增加，这样不仅可以降低起飞或着陆的速度，还可以放宽对起落架轮
胎的设计要求。除了混合制导系统使用了差分GPS/惯性制导系统和高度表来改善制
导精度外，整个系统使用的都是现有部件。试验飞行器的主要性能和设计要求见表
2。

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　　试验飞行器的起落架是可伸缩的。飞行器采用自动飞行控制系统进行自主控制
，地面遥控指令仅用于紧急情况。因为是试验，除了使用应急系统以防飞行器损坏
地面设施外，飞行器上没有设置冗余，所有箭载系统都很简单。图2示出了安装在
飞行器内部的主要设备。

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　　2.1.2飞行试验

　　HSFD计划第一阶段的飞行试验在亚音速范围内进行。试验中，飞行器用喷气发
动机加速至亚音速，进行水平起飞和着陆试验。试验的主要目的是为HOPE－X的研
制提供必要的技术数据，以降低研制风险，增加成功概率。该阶段试验目标为：（
1）验证未来空间运输系统的着陆系统，包括验证在接近和着陆阶段的制导控制规
律和气动特性以及验证机载和地面设施中的指挥/遥测系统。(2)积累自主飞行技术
经验，建立完全自主飞行（包括自动着陆）的设计技术。

　　HSFD第一阶段的3次飞行试验在2002年10月至11月间进行。2002年10月18日，
宇宙开发事业团和航空宇宙技术研究所成功完成了HSFD第一阶段试验飞行器的首次
飞行试验。该试验飞行器从基里巴斯共和国圣诞岛上的一条跑道上水平起飞，飞至
大约5km的高空，最大飞行马赫数达0.6，最后在1.8km长的跑道上着陆，飞行时间
共计9分30秒。这次试验的主要任务是验证试验飞行器的自主飞行性能以及在飞行
控制计算机控制下全自动着陆的过程。此外，导航系统的性能等也在验证范围之内
。

　　2002年11月5日，宇宙开发事业团和航空宇宙技术研究所又进行了第二次飞行
试验，所用试验飞行器与第一次相同。试验飞行器升至2.5km高空，然后以13°的
攻角迅速下降。此次试验持续了18分30秒。

　　2002年11月16日，第三次飞行试验获得成功。在18分钟的试验过程中，试验飞
行器飞至5km的高空后又成功降落。

　　这样，HSFD第一阶段的3次飞行试验已经全部完成。在第一次飞行试验中，飞
行器在下降过程中发生过弹跳现象，通过改变控制系统中飞行器姿态控制参数避免
了这种情况的再次发生。在随后的飞行试验中，试验飞行器均平稳着陆。

　　2.2 HSFD第二阶段

　　2.2.1试验系统

　　第二阶段的试验系统由飞行器、气球系统、地面设施和地面设备组成。其中大
部分地面设施和设备与第一阶段相同，而气球系统是第二阶段所特有的。

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　　第二阶段的试验飞行器也是由HOPE－X方案衍生出来的1/4缩尺模型（参见图3
）。由于其目标是要获得HOPE－X跨音速飞行的气动特性参考数据，所以试验飞行
器的外形尽可能地接近HOPE－X。试验飞行器由7个分系统组成，即结构分系统，作
动分系统，导航、制导与控制分系统，通信与测量分系统，电力/信号供给分系统
，回收分系统和应急分系统。为了降低开发成本，第二阶段试验飞行器的导航系统
、飞行控制计算机、控制面作动系统和遥测/指挥系统与第一阶段试验飞行器相同
。

　　不同之处是，第二阶段试验飞行器的机翼和机载装置有了一定的改动。例如大
气数据系统的五端口机头探测杆是专门为该试验飞行器设计的，机身襟翼和减速板
位置是固定的，用升降副翼和方向舵作为控制面。此外用收藏在机身尾部的回收降
落伞和应急阻力降落伞以及安装在起落架舱内的气囊取代了第一阶段试验飞行器的
起落架。试验飞行器总质量为500kg。

　　2.2.2飞行试验

　　HSFD第二阶段的试验在瑞典基律纳欧洲航天试验场（Esrange）进行，目的是
弄清HOPE－X的跨音速气动特性，并依据风洞试验和计算流体力学（CFD）数据对其
进行评估。HSFD试验飞行器的试验结果还可以应用到未来空天飞机计划中。与第一
阶段一样，第二阶段的试验飞行器也将自主飞行。

　　试验飞行器由平流层气球携带至20～30km的高空释放，之后自由下落并加速至
跨音速范围。在数据采集阶段，飞行器的飞行马赫数将维持在0.8、1.05或1.2的水
平上不变。数据采集完毕后，开始启动回收控制。飞行器将使用降落伞回收，并利
用安装在下表面处的气囊缓冲着陆。回收后的飞行器经整修后用于下次飞行。总共
计划进行6次这样的飞行。

　　HSFD第二阶段的首次飞行试验原计划在2003年7月1日上午6点开始。由于天气
原因，飞行试验推迟了7个小时，当日13点3分正式开始。试验中，试验飞行器由平
流层气球携带，在13km的高度与气球分离，自由下落后加速到马赫数0.8。下落过
程大约持续了5分钟。但是在着陆时，飞行器携带的3个降落伞中有2个没有打开，
试验飞行器坠毁在地面，造成左机翼和头锥（即飞机头部）毁坏。

　　宇宙开发事业团称，数据采集工作顺利，除回收的试验飞行器有部分破损外，
首次飞行试验基本完成。降落伞未打开的原因正在调查中。

　　HSFD第二阶段的试验是与法国国家空间研究中心（CNES）合作进行的。合作将
使双方受益，并使第二阶段试验的成功机会大大增加。

　　三、结束语

　　日本制定了远近结合的发展规划，以指导可复用运载器的研制，并采用了审慎
、稳妥、步步为营的方法进行开发。日本非常重视飞行演示验证和技术预研，在全
面研制前开展了多层次的技术验证，力求将研制风险降到最低，并尽可能设计通用
的试验飞行器以降低成本。这些都对我国开展相关技术的研究有借鉴作用。□


中国航天2004年第1期 
http://www.space.cetin.net.cn/docs/ht97-b.htm

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