未来运载火箭技术揭秘

从理论到实践：将技术从“实验室”应用于“发射”
版权：ESA

欧洲航天局（ESA）通过其未来运载器准备计划，或称为FLPP（Future Launchers Preparatory Programme)为确保欧洲进入太空提供保障。

运载火箭概念
版权：ESA

FLPP权衡了不同运载火箭概念和相关技术的机遇和风险。

FLPP通过演示器和相关研究磨练了新兴技术，为欧洲的火箭制造商提供了宝贵的领先优势，助力他们开启将所选设计变为现实的艰巨工作。

从理论到实践

超低成本的可重复使用火箭发动机演示器普罗米修斯（Prometheus）将为未来的运载火箭提供动力
版权：ArianeGroup Holding

基于标准化的“技术成熟度等级”（Technology Readiness Level，TRL）量表，已经在3级实验室环境中进行示范操作的技术将通过FLPP进一步开发，并通过集成演示器进行测试，以将其提升到TRL 6级。

一旦一项技术达到6级，即可减轻与在太空环境中使用新技术相关的大部分风险。且该技术可以通过经优化后的成本及进度被快速转移到新发展阶段，直至飞行（TRL 9级）。

FLPP活动

FLPP定义了新的太空运输系统及服务的概念和要求。选择技术时基于其降低成本、提高性能、提高可靠性的潜力进行综合考量，或考虑其完成目标系统、演示器或任务的特定需求的能力。

在该计划中，通过将多种技术组合至一个系统或子系统来构建集成演示器，以便企业能够放心自如地使用这些技术。

答案揭晓时刻：关于未来的太空运输
版权：ESA

旗舰项目

未来的太空运输服务及系统将通过其竞争力和经济可行性进行评估。

ESA的目标是建立一个强大且灵活的太空运输生态系统，以满足欧洲的需要。为实现这一目标，ESA汇集了其多样的计划和业务部门、欧洲的发射服务提供商以及航天器制造商和创新型初创企业等企业共同协作。

FLPP项目涵盖推进器、材料、可重复利用性、生产方法和航空电子设备等领域。

扩展循环技术集成演示器
版权：ArianeGroup

推进器

普罗米修斯（Prometheus）是可重复使用的100吨级火箭发动机的前身，旨在通过极端的限额成本设计法(Design-to-Cost)，新的推进剂和创新的制造技术来削减成本。

发动机部件的逐层添加式制造使生产速度更快，部件更少。液氧/甲烷推进剂效率高，可广泛应用，因此是可重复使用发动机的理想选择。一个全面演示器将于2020年进行实地测试。

扩展循环技术集成演示器，或称为ETID（Expander-cycle Technology Integrated Demonstrator），为欧洲下一代10吨级低温上面级发动机做好了准备。

最近完成了全方位的ETID演示器测试，验证了最新的推进技术。目前正在对测试结果进行全面分析，包括交叉检查以改进数值模型，以及对测试硬件的全面检查。

Prometheus和ETID项目之间的协同作用产生了扭转格局的燃烧室增材制造技术，从而降低了成本，缩减了前导时间。

燃烧室演示测试

版权：ArianeGroup Holding, Jürgen Dannenberg/ Alpensektor

在德国航空航天中心（DLR）的拉帕德少森（Lampoldshausen）测试设施中对用于上面级的3D打印（也称为增材制造）小型燃烧室设计进行了测试。它使用“可储存推进剂”，之所以这么称呼，是因为推进剂可以在室温下以液体形式储存。以这种方式驱动的火箭发动机很容易在持续数月的任务中可靠且反复地点燃。

在继续该项目的同时，考虑到目前使用的可储存推进剂对环境的影响，目前正在对新的环境友好型推进行组合物进行调查，以便对其进行试验。这些环境友好型推进剂组合物仍然可储存，但毒性要小得多。

Nucleus探空火箭展示混合动力
版权：挪威拿默公司（Nammo）

继去年挪威发射Nucleus探空火箭后，已经开始进一步开展混合动力推进研究，该火箭成功地到达了太空，最终高度超过100公里。

材料和工艺：FLPP一直在研究使火箭更轻的替代材料。碳复合材料正在取代铝，用于更轻的上面级结构和燃料箱，以及保护火箭飞向太空途中有效载荷的整流罩。

目前采用闭孔聚氨酯泡沫材作为低温上面级外部储罐的绝热保温材料，且现阶段正在研制一种新的储罐舱壁绝热保温材料。

二次发射器结构可以从增材制造中受益，包括由钛、高强度铝合金和聚合物材料制造的断裂关键结构部件。

微发射器第一阶段跌落试验
版权：西班牙 PLD 航天公司（PLD Space）

可重复使用性：FLPP也在研究运载火箭的可重复使用性 - 最近一个成功的跌落测试证明了微发射器第一阶段可重复使用的一些技术。

风洞测试和计算流体力学为了解欧洲对发射装置第一阶段下降并返回地面的控制能力提供了见解。

此外，一项正在进行的能够携带有效载荷的“飞行试验台”项目，将很快开始进行短程起降试飞。

结构和技巧：各种新的生产方法正在不断提高制造效率，例如，“流动成形”技术可以将金属元件一步成形。该方法在最近由ESA和NASA Langley共同资助的生产试验中得到了验证。

流动成型火箭结构
版权：ESA

“流动成型”技术减少了焊缝，使火箭结构更加坚固和轻便，同时也加快了生产速度。该种技术对环境也更好，可以节约能源，不产生废弃余料。最近成功制造并测试了一个直径为3米的铝制演示缸，用作级间。

FLPP正在研究机电致动器，以便更平稳地分离和抛弃发射器的有效载荷，这也将降低欧洲发射器未来演变的成本。

航空电子设备：该领域的技术发展迅速，且重点围绕提高自动化程度，以降低任务期间所需的制导导航控制（Guidance Navigation Control，GNC)的水平，并提供响应式发射能力。FLPP目前正在研究未来可重复使用的发射器的机载实时轨迹制导优化技术。

新型低成本航空电子系统将极大受益于COTS组件和快速有效的GNC设计，这将通过将于今年晚些时候发射的探空火箭演示来进行验证和确认。这也将作为一个有效的测试平台，以便解决发射器领域的新技术。

未来的无线通讯将减少对运载火箭结构布线的需求，增加灵活性。

火箭是所有太空相关活动的支柱。ESA正在与各企业合作开发下一代太空运输工具，Ariane 6, 织女星-C（Vega-C）和太空骑士（ Space Rider）。在即将举办的Space19+理事会欧洲空间部长会议，ESA将提出进一步推动这些项目的建议，并为欧洲共同努力建议建立一个强大的太空运输经济提出新想法。请通过关注#RocketWeek标签加入本周的在线对话。