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美国对可重复使用助推器项目的综合评估

时间:2016年07月06日 信息来源:《中国航天》 点击: 【字体:



引言


 重复使用运载器具有快速、廉价的特性和潜在的军事应用价值,是自由进出空间的重要技术途径之一。尽管航天飞机已经退役,但是美国对重复使用运载器的研制从未停止。美国正在不遗余力地构建低成本、高可靠的重复使用运载器系统。201 1年6月15日美国空军空天司令部(AFSPC)发布了新的战略规划、研究任务与目标,以确保美国在太空及网络电磁空间(Cyberspace Space)的持续主导地位。随后,空军研究实验室(AFRL)、太空及导弹系统中心(SMC)、空军第12和14中队、AFSPC共同确定了实现这一目标所面临的四个长期的关键性科学和技术挑战,其中一个挑战是提供全型谱的、成本显著降低的运载能力。
  目前空军的中型和重型运载任务由一次性运载器来承担,如联合发射联盟为美国空军提供的宇宙神5和德尔它4火箭。由于航天机计划的终止,后续相关子合同需要完全由一次性运载器发射计划来履行,导致完成上述发射任务的工程实现成本有所增加。美国空军希望通过找到一种有效的航天运输模式来控制发射成本的增加,同时保持目前一次性运载器所能达到的高可靠性。AFRL提出的“可重复使用助推器” (RBS)项目被认为是能够满足这一低成本需求的有效方案。
  AFSPC要求美国国家研究委员会(NRC)的宇航与空间工程部对RBS相关技术和方案进行独立审查和评估,以确定是否要在AFRL支持下继续开展RBS相关研究工作,并评估是否需要启动针对RBS项目的更大规模研发工作。


一、RBS项目概况


  AFRL提出的RBS是一个带有自动制导控制系统的无人运载器,由重复使用第一级(采用碳氢燃料、分级点火的富氧发动机)和一次性使用第二级(液氧液氢发动机)构成。可重复使用的第一级采用返回原场(RTLS)的工作模式,在发射场进行回收、维护和下次发射。美国空军曾经研究过多种RTLS方案,最终推荐采用“二级分离之后进行火箭动力返场机动”的飞行模式。在约30km的高空进行火箭动力返场机动,采用一级配备的两台发动机中的一台点火工作,确保助推器能够获得足够的速度来安全返回到发射场
并进行无动力着陆。
  RBS项目研制计划中包含的基本飞行器构型共有三类:可重复使用助推器验证机(RBD)、由一个可重复使用助推器和一个大型一次上面级(LES)构成的中等推力运载器、由两个可重复使用助推器和一个一次性上面级构成的重型推力运载器。



 AFRL一直致力于RBS相关的关键技术研究,包括碳氢燃料助推器和飞行控制技术。目前正在开展的探路者(Pathfinder)项目就是为了验证火箭动力RTLS的主要关键技术,包括采用缩比飞行样机验证推进剂管理、飞行器控制等技术。

 美国空军的太空和导弹系统中心已经确定了一种RBS方案和相关的发展计划,包括一个中等规模的重复使用助推器验证机、两个全尺寸样机(称为RBS—Y飞行器)、8个工程应用的RBS,将分别在范登堡空军基地和卡纳维拉尔角空军站运营。航空宇航公司联合美国空军的太空和导弹系统中心对RBS基本概念方案的工程运营成本进行了系统分析,结果表明在执行同样运载能力的情况下,与一次性运载系统相比RBSBg够大幅降低全寿命周期的成本。成本估计中采用工业标准模型估计RBS各运载级的成本,所需推进系统和地面设施的成本是独立评估的,并基于模型估计了操纵运营的成本。


二、NRC的独立评估


  基于AFSPC提出的独立审查和评估要求,NRC成立了RBS项目审查与评估委员会。评估委员会是由与当前RBS研究活动无关的专家组成,这些成员均是在航天运载器研究、设计、运营、技术发展及应用、航天系统操作、成本分析等方面的知名专家。
  评估委员会要求AFRL向委员会提交美国空军航天发射需求、NBS项目的技术基线、成本模型与评估、技术成熟度等材料用于开展评估审查。同时,评估委员会还从与RBS}N关的工业部门、RBS的行业独立性、推进系统供应商等渠道获得了一系列评估的输入信息。评估委员会分别在2012年2月、3月、5月召开了评估会议,美国空军在AFSPC、SMC和AFRL等部门提交的研究报告中阐述了其针对RBS项目的主要观点,支撑RBS概念的成本分析工作由航空宇航公司完成。评估委员会征求了NASA关于航天运输系统的观点和意见,听取了马歇尔航天飞行中心、肯尼迪航天中心提供的报告和汇报,也征询了工业部门的意见,听取了包括一个运载系统公司、两个动力系统供应商、一个小型航天公司在内的4个商业宇航公司的意见。
  根据提供的材料以及其他可用的公开信息,评估委员会进行了深入的审查,对RBS项目发展规划中的相关标准和假设条件、RBS商业运营成本分析模型、技术成熟度、RBS应用相关的核心部分的发展规划等方面进行了系统的评估。结合专家的个人经验和技术专长,评估委员会给出了本文描述的评估发现、结论以及推荐建议。这些审查发现、评估结论和推荐的研究建议代表了整个评估委员会针对RBS项目系统方案的一致性意见。




  基于得到的评估输入条件,经过独立的评估分析、委员会专家的判断评估,评审委员会得到了6条主要发现:


  (1)成本估计的不确定性可能会严重影响RBS项目全寿命周期的成本估计。

 有几种重要因素导致了目前AFRL采用的R B S成本估计具有明显的不确定性。首先,飞行器研发成本估计采用了一个工业界
的标准模型——N ASA/美国空军成本模型(NAFCOM)。虽然配置了合理的模型输入,但是该模型中没有考虑可操作性对飞行器设计的影响。由于NAFCOM很大程度上基于历史数据,目前缺少重复使用系统相关的经验数据,当考虑与确保可操作性所必须的飞行器相关特性时,该模型存在很大程度的不确定性。其次,成本预测中假设美国版的俄制碳氢燃料发动机技术已经比较成熟,基于目前美国工业界在研发富氧/分级燃烧(ORSC)碳氢发动机方面的有限经验,与发动机研发相关的成本不确定性非常严重,研发一个工程可操作的重复使用发动机的成本风险很难计算。第三,基础设施需求方面的底层细节还不明确,因此与基础设施相关的成本估计也存在一定的不确定性。最后,目前是在认为飞行后仅需适度的检查这一条件下进行的操作成本估计,这一假设的前提是已经研发了一套有效的飞行器综合健康管理系统并且因飞行任务担保引起的附加成本非常低。


  (2)RBS项目的商业运营方案是不完整的。
  因为没有对新型的商业发射提供商和单独采用一种运载器进行发射任务的影响及技术风险进行充分考虑,美国空军需要独立的发射能力以满足其非常有把握地进入太空的需求,上述因素导致的成本不确定性使得RBS进行商业运营的方案目前难以闭环。
  除了与RBS相关的基本成本不确定性外,有三大因素使得RBS项目的商业运营方案不完整并且目前还不能闭环。
  首先,RBS的商业运营方案没有考虑新加入航天发射领域的具有竞争性的商业发射提供商可能带来的影响,导致目前的运营方案成本估计结果是基于RBS概念与最新的EELV成本外推结果的对比得到的。考虑到大量追求新型进入太空发射运输方式的商业实体不断出现,未来航天运输可能与现在采用的方式有很大不同,随着全球范围内围绕降低发射成本所展开的竞争日益激烈,可以预见RBS方案成本估计中采用的EELV成本很有可能不是成本比较的合理基线。
  其次,RBS运营方案没有充分考虑单独采用单一的发射任务供应商的影响及技术风险。目前的运营方案假设RBS获得了承担美国空军全部发射任务的资格,并单独由一家供应商来研制RBS,并没有充分考虑这种采用单一运载能力提供方的成本风险。另外,目前的运营方案中没有考虑在飞行器研发阶段保留竞争关系可带来的成本收益。商业发射市场目前正在快速变化,未来将主要受成本因素的驱动发展,不考虑竞争关系在其中的角色和影响是当前RBS运营方案的一项弱点。
  第三,RBS运营方案中假设RBS已经获得了美国空军全部发射任务的资质,但是美国空军目前保留了自身具有一定的独立发射能力,以确保其非常有把握地进入太空的需求。在这种需求下,需要研发并保持第二种航天发射系统的能力,RBS运营方案在其获得美国空军全部发射任务订单方面的估计过于乐观。

 这些因素的最终结果就是与RBS商业运营方案相关的不确定性非常高,导致目前这一商业运营模式的方案不可能闭环。


  (3)可重复使用依然是以较低成本实现全新的全型谱运载能力及更大运载能力适应性的重要途径。

  为了在显著降低发射成本的基础上形成全型谱的运载能力,美国空军空天司令部已经确定了一个长期的科技发展目标,可重复使用性仍然是实现这一目标的可行途径之一。除了降低成本外,具有较强鲁棒性(任务适应性)的重复使用系统可能还会有附加的效益,包括按需补充卫星、布置分布式星座、快速部署、可以在多用途防御发射基地发射的强适应操作响应、空军人员操作运营的可操作性等等。


  (4)RBS对美国空军产生的最大影响是对发射任务的操作响应比目前一次性运载系统更为快速及时,但是目前还没有发现能够驱动该技术发展的明显需求。
  目前的RBS运营方案是基于RBS可满足当前EELV运载发射资质并开展按需发射的假设前提下展开的。在这一假设下,由于缺乏对RBS的操作应用需求,那些满足提高可操作性、降低操作成本所必须的技术所处的优先级将会有所降低。重复使用系统的真正价值在于设计特性、技术的发展,以及由此引起的美国空军操作模式的改变。

  (5)明确了在开展大规模研发之前需进行持续应用研究和先进技术研发的技术领域。
  这些技术和领域主要包括重复使用富氧/分级燃烧碳氢燃料发动机技术、火箭动力RTLS操作、飞行器健康管理系统、自适应制导控制能力等等。


  (6)通过评估明确了进行RBS商业运营的不确定性和需要进一步降低的技术风险,但是美国空军空天司令部在RBS研制与能力验证方面进行大规模投资还为时尚早。
  NRC给出的RBS研发建议虽然NRC的独立评估委员会认为目前AFRL提出的RBS商业运营的方案尚不闭环、进行RBS项目大规模研发的条件还不成熟,但是,委员会充分认可并积极主张对未来运载系统所需技术开展持续研究和先进技术开发。委员会结合美国目前航天运输技术基础和未来的任务需求,针对RBS项目的发展提出了如下6项建议:


  (1)发射的快速响应能力将是任何一种重复使用运载系统的一个重要特征。
  为了应对这种目前已经意识到的技术断层,空军应该在目前一次性运载器“遂行发射”需求之外建立特殊的快速响应应用目标,以推动技术发展。评估委员会认为,快速响应特性应该是研发重复使用运载系统及其配套支持技术时加以考虑的主要因素。目前,除了“按需发射”的任务模式需求外并没有其他工程型的快速响应需求。由于这些需求会牵引飞行器和技术发展的新需求,空军非常有必要定义标准的快速响应的任务目标,以便为技术研发活动提供聚焦的攻关目标。


  (2)与RBS研发进程上的任何官方决定无关,空军需要在4个主要领域开展技术研发工作。
  这4个技术区域包括重复使用富氧/分级燃烧碳氢燃料发动机技术、火箭动力RTLS操作、飞行器健康管理系统和自适应制导控制能力。这些技术必须足够成熟才能够支撑未来在RBS发展方面做出合理的决定,而且其中大部分技术也可以用于相关的运输系统概念论证和方案设计。美国空军需要在这4个技术区域开展持续的研发,从而在RBS项目的大量投资通过审查并开始执行时,项目在这4方面所需要的技术可以达到一定的技术成熟度。针对这4个领域的技术研究投入应当持续并且与RBS项目研究计划的决策相独立。因为除了火箭动力RTLS的技术之外,其他技术的应用范围远超出了RBS项目本身,这些技术的成熟对美国空军除RBS计划外的先进火箭推进系统、系统可靠性、飞行器自主化等方面都可以提供很有益的支撑。


  (3)小规模的关键技术飞行试验应当采用新的模式。
  美国空军研究实验室目前开展的Pathfinder项目正在用一个小规模的缩比飞行器验证RTLS机动飞行过程的主要技术方面。为了增大Pathfinder的成功机率,AFRL应该研发和飞行多个Pathfinder试验飞行器。另外,在确定出下一代航天发射的最优系统之前,RBS多种概念间的竞争和对比将会持续。RBS进行RTLS任务时的火箭动力返回机动还没有验证过,因此通过这一方式实现可重复使用很明显会带来风险。基于这一风险以及由此带来的新任务模式的参数分布空间,Pathfinder计划应该采用一种新的发展模式,在该模式下陆续设计并飞行验证多个飞行器。尽管这种方法在近期会增加成本,将来某一天真正达到了高性能的解决方案能够实现重复使用时,其带来的长期收益将会远远超出初期的投入成本。


  (4)缩比飞行试验取得成功、4项关键技术领域风险充分可控后才能考虑决策RBS下一步的发展方向。
  在Pathfinder试验飞行活动成功完成,并且与重复使用富氧/分级燃烧碳氢燃料发动机技术、火箭动力RTLS操作、飞行器健康管理系统、自适应制导控制系统相关的关键技术风险得到充分降低之后,才能对RBS的下一步发展方向做出决策。由于目前对主要技术的研究线条较粗并不够成熟,RTLS模式下火箭动力机动中也存在一定的风险,是否下决定继续推进RBS计划的发展取决于Pathfinder项目的成功完成和主要技术风险的适度降低程度。评估委员会认为这种模式将会推迟RBS性能的实现。但是,推迟做出继续推进RBS计划的决定将会带来附带的好处:为新加入的商业发射服务供应商提供更清晰、明确的商业运营环境。


  (5)在Pathf i nder试验飞行活动成功完成后,AFRL应当重新评估RBS商业运营的可能性。

 同时应考虑以下因素:新的具有竞争实力的商业发射提供商、采用单一运载器来源的潜在影响,空军需要独立掌控可靠的运载能力确保能满足其十分有把握地进入空间的任务需求。


  (6)在开展RBS项目工程研制时,从技术研发到验证、样机、飞行产品各个阶段,只有上一阶段工作成功完成并进行充分评估之后才能做出是否开展下一阶段工作的决定。
  是否开展下一步工作的决策节点将是后续阶段是否可以正常开展的分支点,这些节点上应该对能够支撑下一阶段工作的相关技术有足够充分的理解和认知。是否推动从Pathfinder幂H碳氢燃料发动机技术风险降低到中等规模验证机、从验证机到RBS—Y样机的决策节点应该被视为是研制流程决策路线图的第一步。由于研发新的空间运输能力需要相关的成本,而且其运营方式也存在一定的技术不确定性,构建任何未来可用的RBS计划都是很谨慎的选择,因此是否决定推进开展下一阶段的研究,很大程度上依赖于前一阶段相关研究工作的成功完成。
  评估委员会认为,目前美国正处在一个十分重要的空间运输模式转型过程当中,从一直由政府研发和控制运载器的模式转换到基于服务的新航天发射模式。在这种新模式下,工业部门将在研发运载器之后向政府组织和商业市场出售发射服务。除了这种转换,评估委员会也注意到大量组织正在采用新的设计、发展模式和操作方法来研发新的航天运输能力。在这一转型过程中对RBS概念进行全面分析和评估本身就是非常困难的任务。但是评估委员会坚信,如果RBS项目推荐研究的技术、新的设计及运行方式结合起来能实现足够高的效费比和具有强适应性的发射系统,将使得美国的空间运输能力变得非常强大。
  美国空军研究实验室前任指挥官在美国航空航天学会(AIAA)2013年航天大会上表示:由于技术难度远高于预期,美国空军无法继续为RBS项目投资。这一公开表态正是基于NRC的独立评估结论给出的。尽管RBS的技术难度依然巨大,美国在经济环境不佳的情况下,仍然没有放弃继续推动火箭动力重复使用运载器的发展。
按照招标书的计划,RBS项目的先期验证方案XS-I将在2017年完成首次飞行试验。



四、结语


  结合我国可重复使用技术的现状,有以下启示:


  (1)RBS对于实现低成本、高可靠、自由进出空间具有不可替代的作用,是未来新型可重复使用航天运载器的重要挖潜方向,虽然目前其工程应用的技术成熟度尚不够高,但是关键技术攻关必须持续推进。


  (2)美国航天运输技术和模式均处在关键的转型过程中,改进型一次性运载火箭、各种可重复运载器及多种航天发射供应商的激烈竞争给RBS的发展带来机遇和挑战。
  

  (3)按照NASA的计划,2031年前一次性
运载火箭全部退役,可重复使用运载器将成为航天运输的主力,在新旧运载器交替的历史阶段,RBS$目关技术的发展应当参照NRC的建议稳步推进,首先突破关键技术、逐级逐层开展系统级验证。


  (4)在已经具有了较好预先研究技术积累的基础上,应进一步加大RBS关键技术攻关和验证力度,尽早开展飞行验证试验,促进重复使用运载器技术的工程转化与应用。


 

(作者:韩鹏鑫 郭金花 王飞 蔡巧言)
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