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SHEFEX示意图

  航天飞行试验项目“锐边飞行试验”(SHEFEX)以及后继研发的具有再入和重复使用功能的航天飞行器REX FREE Flyer将是德国独立迈向太空的重要一步。今年4月,德国航空航天中心完成了“锐边飞行试验-Ⅱ”(SHEFEX-Ⅱ)的所有测试。按计划,SHEFEX-Ⅱ将于6月中旬在挪威安多亚岛的火箭靶场发射。总长约12.6米的SHEFEX-Ⅱ将在到达250千米的高空后,以11倍音速再入大气层,长约50秒的再入阶段是该项目最重要的测试段。

  航天事业启蒙者的实验计划

  在世界航空航天史上,德国曾经起过非常重要的作用。世界上第一架喷气式飞机、第一枚弹道导弹都是德国首先研发的。二战后美国和前苏联蓬勃发展的航天事业背后也都有德国科学家的身影。由于历史的原因,二战后德国的航天事业一直受到局限,没有得到全面的发展,德国进行的太空项目基本依托于国际合作。虽然在某些局部领域,如合成孔径雷达卫星等方面,德国的技术国际领先,但在航天飞行器方面德国却再也没有开创性的研究。从2001年开始,德国启动了一个对未来多功能和多用途的太空运载系统进行技术验证的SHEFEX/REX科研项目,试图追赶这一领域的先行者。

  SHEFEX项目最初源于针对美国国家航空航天局(NASA)的太空站成员返回飞行器(CRV)原型机X-38所需的热防护材料和结构的研发。该材料需要承受超过2000摄氏度的高温,德国科学家试图证明他们的技术成本仅为NASA航天飞机所用防热瓦的50%,而且应用边缘尖锐的多面形外罩可以节约成本并改善空气动力学。由于传统的试验与仿真手段无法完全验证在严苛恶劣的高超声速环境下材料的性能,德国因此推出SHEFEX项目,希望用较低成本完成高置信度的地面试验和飞行试验。

  2005年SHEFEX-I成功发射。此后,德国航空航天中心开始了SHEFEX-Ⅱ的研究,希望获得宝贵的数据用于检验新型热保护层,以及边缘尖锐的多面形外罩可否节约成本并能在多大程序上改善空气动力学。经过近7年的努力,两次推迟发射并变更发射地点之后,SHEFEX-Ⅱ终于完成了最后的试验,准备于2012年6月发射。

  SHEFEX-Ⅱ的技术创新点

  科技日报记者近日赴慕尼黑阿斯特里姆公司的环境实验室观摩了德国航空航天中心SHEFEX-Ⅱ发射前的最后试验情况。该中心SHEFEX项目负责人亨德里克·维斯向记者介绍了SHEFEX-Ⅱ项目和测试的相关情况。

  维斯介绍说,SHEFEX-Ⅱ项目耗资1600万欧元,是完全由德国独立资助并实施的技术验证科研项目。试验目的包括验证航天器锐边设计和热防护的主动再生冷却技术。SHEFEX-Ⅱ总长约12.6米,总重约6.7吨,驱动系统由巴西的VS40和VS44作一二级火箭,第三段由德国自行研制,含800公斤燃料,有效载荷为400公斤。顺利的话,SHEFEX-Ⅱ将于6月18日从位于挪威安多亚岛的火箭靶场发射,到达250千米的高空后,以11倍音速再入大气层,最后采用伞降方式降落到北极圈内斯匹次卑尔根岛东南方的开放水域。整个飞行过程持续约10分钟,其中再入大气层阶段历时约50秒,飞行过程中飞行器需要经受的高温超过2000摄氏度。目前,德国航空航天中心已经完成了SHEFEX-Ⅱ发射前的所有测试。

  此次在阿斯特里姆公司位于慕尼黑的环境实验室进行的是振颤试验。为在飞行中确保自身稳定,火箭必须持续旋转,工程师们则要保证飞行器在旋转中保持平衡。而振动实验则是模拟发射后火箭有效载荷将经历的剧烈振动环境,相关评估是最终机械试验的一部分。通过这些实验,研究人员能够确定太空飞行器在发射和随后飞行中所能承受的负载。

  SHEFEX-Ⅱ的外形有边有角,这种直棱的外形有利于降低热防护系统的制造成本。维斯介绍说,SHEFEX-Ⅱ将综合9种不同的热防护系统进行试验,其中多数是陶瓷防热瓦,也包括一个主动冷却段。据了解,该冷却系统与一般的烧蚀材料防热系统不一样,它在热环境恶劣、被动冷却系统不能胜任的情况下发挥作用,通过两种物理作用对多孔结构起到对流冷却,即外表面使用多孔陶瓷材料,冷却剂通过多孔材料流入边界层,从而减少高焓环境向飞行器表面的热传导。这种泻流冷却技术已经用于火箭燃烧室的冷却上。

  高超音速技术的实验平台

  SHEFEX-Ⅱ不仅配备了一套混合导航系统,还专门加装主动控制系统,所以在再入段可以进行主动的气动控制。SHEFEX项目除了帮助德国科学家对尖前缘多平面组成的新型再入飞行器进行材料和结构的测试外,还可以用采集到的实际飞行数据与数据模拟和地面测试结果比较,从而调整和验证航天器设计仿真工具以及地面测试结果的有效性,并为将来研发高超声速飞行的导航和主动控制系统提供宝贵的数据。

  2012年发射SHEFEX-Ⅱ之后,德国航空航天中心还将继续开展SHEFEX项目研究,验证一系列具有尖锐边缘的亚轨道和轨道飞行器,争取为欧洲和德国太空产业的未来发展和创新奠定基础。其直接的后续任务包括用来开发在大气层内使用的高超声速飞机所需技术的两架亚轨道飞行器SHEFEX-2A和SHEFEX-2B。此后,德国航空航天中心计划于2016年发射SHEFEX-Ⅲ,并准备在此基础上自主研制小型航天飞机REX-Free Flyer,这种具有完全轨道飞行能力的飞行器有望在2020年之后用来为微重力研究进行广泛的试验。它将能在微重力实验中飞行数天,并着陆在普通机场。维斯认为,这将填补TEXUS探空火箭飞行中数分钟微重力与国际太空站上持久微重力之间的缺口。(驻德国记者李山)