從X-37B看航天飛機的浴火重生

文/ 黃志澄

美國東部時間5月17日9時14分，美軍的X-37B小型航天飛機，從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地，由聯合發射聯盟公司的宇宙神5-501火箭順利發射升空。這是X-37B的第6次飛行。

航天飛機(space plane) 是以火箭發動機為動力的，可以水平降落的航天運載器。美國研制的世界上第一種航天飛機名叫Space Shuttle，在我國譯成“航天飛機”，實際上，它采用的是航天飛機中的一種在上升段由軌道器和助推器、外部燃料箱并聯的構型，并不是一個具體的型號名稱。空天飛機 (aerospace plane)是在上升段使用包括吸氣式發動機在內的組合式發動機、能水平起飛水平降落的航天運載器。顯然，X-37B不是空天飛機，而是一個用火箭頂推的小型軍用無人航天飛機的試驗樣機。

雖然Space Shuttle 已退役多年，但在它基礎上發展的X-37B這類航天飛機的成功和重復使用航天運載系統的發展動向，讓我們感到航天飛機這種航天運載器類型，正在重出江湖，浴火重生。

對X-37B的總體印象

執行“軌道試驗飛行器”（OTV-6）任務(代號USSF-7)的那架X-37B由波音建造，歸空軍快速能力辦公室所有，可自主飛行和返航著陸。美國天軍負責其發射、在軌運行和返航著陸。

X-37B在這次任務中首次采用裝到飛行器后部的一個服務艙，來裝載實驗設備，以擴展該航天器的能力，容納比以往任何一次任務都要多的實驗設備。其中一件實驗性有效載荷是由空軍研究實驗室提供經費，由美國空軍學院研制的一顆重136千克的小衛星，被稱為“獵鷹星-8”。衛星上裝載5件科學載荷。X-37B上還攜帶兩件美國宇航局的實驗設備，用于研究輻射和其它太空環境條件對材料和糧食種子的影響。美國海軍研究實驗室的一項實驗試驗了把太陽能轉換成可傳輸回地面的射頻微波能量。

通過X-37B的前5次飛行試驗，我們對X-37B的總體印象如下：

1. X-37B是一個用火箭頂推的小型軍用無人航天飛機。目前它只是一種軌道試驗飛行器（OTV），并已經成功進行了廣泛的飛行器技術和有效載荷的試驗。

▲ Axiom商業空間站設想圖

2.在軌飛行時間越來越長，今后或繼續增加。從2010年4月升空開始第一次太空任務，到2019年10月完成第五次任務，它在地球軌道上停留的時間越來越長：224天、468天、675天、717天和780天，累計飛行2865天。增加在軌飛行時間，將有利執行對地偵察任務。

3.可以在軌機動，但主要是進行軌道高度的機動，目前還沒有發現它進行過軌道傾角有較大改變的機動。今后若要改變軌道傾角，機動的范圍也不會太大，估計不會超過15度。2019年7月，前美國空軍部長希瑟·威爾遜說：“機動變軌通常發生在我們對手看不到的地球另一側，讓他們無法預測X-37B的軌道。”

4.可以重復使用，但目前最多可重復使用3次。它的地面維護細節不詳。

5. X-37B由于有效載荷的重量不大，在軌機動能力有限等原因，它的功能和媒體上所說的“空天戰斗機”相差甚遠，更不可能一小時打遍全球。目前，它的軍事應用主要是對地偵察和釋放軍用小衛星。美軍故意將其神秘化，就是為了威脅對手。當然，它的成功也為今后進一步發展具有更強軍事功能（包括反衛星和對地打擊）的“太空機動飛行器”（SMV），打下了技術基礎。

X-37B是一架試驗軍用航天飛機技術的飛行器。它的的尺寸約為Space Shuttle的1/4，重4989.5 千克，長8.8392米，翼展約4.572米，高2.926米，載荷艙的平面尺寸為2.13米x1.22米,其有效載荷估計在227至272千克左右（第6次飛行增加服務艙后將有所增加）。它的設計與Space Shuttle有許多不同之處：

首先，Space Shuttle是載人的航天飛機，而X-37B是一種無人的小型航天飛機。由于無人，不需要復雜的生命保障系統和救生系統，可以減輕許多結構重量。在軍事應用上采取無人的形式，也更加適宜。

其次，Space Shuttle在上升段由兩個固體助推器和外部燃料箱，以及有主動力的軌道飛行器組成。它是一個并聯的構型，結構復雜，導致易生事故。X-37B則是用火箭頂推軌道器的串聯構型，結構較簡單可靠。這種構型可以避免產生Space Shuttle外部燃料箱的隔熱泡沫塑料會打壞軌道器防熱瓦的問題。X-37B的氣動外形上的最大變化，是將Space Shuttle的中央垂直尾翼，改為兩個側垂尾。這樣，既改善了X-37B的偏航性能，也縮小了全機的高度，使其可以放入運載火箭的整流罩內。

第三，X-37B采用了許多在Space Shuttle軌道器上已驗證過的技術，但也采用了多頂新技術，力求比Space Shuttle軌道器更堅韌、更安全和更輕。

X-37B的電源從Space Shuttle的液氫液氧燃料電池，改為采用砷化鎵的太陽能陳列和鋰離子電池，從而其在軌運行的時間可達到大于780天。它設計時采用了可貯藏的無毒的航空煤油/過氧化氫推進系統（第一次飛行時改用更成熟的四氧化二氮/肼推進系統），單臺推力為2.7噸，因此，它的在軌機動能力，要比Space Shuttle大。

▲ X-37B在軌運行

X-37B飛行試驗的一個目的，就是驗證許多關鍵技術包括防熱系統，先進的制導、導航與控制技術，航空電子系統，高溫結構與密封技術，軌道機動技術以及可重復使用的隔熱技術等。

▲ X-37B和運載火箭的構型

▲ 美國的Space Shuttle

▲ X-37B的防熱系統

航天飛機完成軌道任務后，在重返大氣層時會遇到嚴酷的氣動加熱。為了避免因高速摩擦而升至超過1650攝氏度的高溫氣流損壞機體，在機體外要安裝防熱系統。Space Shuttle的防熱系統是一個由不同部位采用不同防熱材料的復雜系統，其防熱瓦一共有24000塊，總重也達8000多千克，加上連接部件等，總重約13200千克，占軌道器總重的19%。另一方面，防熱瓦材料質地疏松易碎，給Space Shuttle留下了很大的安全隱患。X-37B雖然比Space Shuttle小了許多，但是由于它的機身頭部和機翼前緣的鈍度有所增大，它在再入時的氣動熱環境，和Space Shuttle類似，頭部和前緣的最高溫度約為1627攝氏度，大面積的最高溫度約為1316攝氏度。它的防熱材料采用了美國已經發展得較成熟的第二代防熱材料。頭部和前緣采用了由美國宇航局阿姆斯研究中心研制的韌化整體纖維抗氧化復合材料（TUFROC），它比RCC更輕，但可以做得更厚、傳熱過程更慢而抗氧化性能更強。機體大面積采用韌化整體纖維的絕熱材料（TUFI）。此外，作為試驗，在舵面上局部還使用了碳/碳化硅的防熱材料。由于X-37B采用了較先進的防熱系統，不僅大大提高了它在再入大氣層時的安全性，而且大大減少了防熱系統在地面維護和修理的工作量，從而縮短再次發射所需的準備時間。

X-37B再入和返回的制導、導航和控制系統，采用了比Space Shuttle更先進的計算機，而且重量更輕。其導航系統采用了慣性導航和GPS的組合導航系統，并采用了現代飛機上已成熟的全電子的電傳操縱系統，從而可以實現自主的再入、返回和著陸。這些改進，大大提高了飛行的可靠性。著陸時要求著陸速度大于370公里/時，橫向風速小于31公里/時。為了促使自主返回著陸技術的成熟，在美國宇航局和空軍的聯合組織下，從1998年到2006年，對X-37的縮比試驗飛行器X-40，進行了多次高空投放試驗。

航天飛機的新發展

上世紀70年代，為了與蘇聯的載人航天優勢抗衡，美國國會于1972年年初批準航天運輸系統采用Space Shuttle方案。歷時9年，花費約100億美元，到1981年4月，美國第一架航天飛機“哥倫比亞號”終于飛上了太空,最后所有航天飛機于2011年退役。

▲ X-37B返回地面

▲ “追夢者”航天飛機

由于缺乏經驗和研制工作受經費和進度的限制，Space Shuttle在其運行后，仍存在許多安全隱患。1986年“挑戰者號”和2003年“哥倫比亞號”的爆炸解體，各有7名航天員魂留太空，讓美國載人航天遭遇了巨大的挫折。由于設計時很少考慮其運行問題，特別是它外部的防熱瓦維護工作十分困難，造成了Space Shuttle具有技術復雜、發射費用和維修成本都很高等缺點。據悉，它每飛行一次費用高達5億美元，讓美國宇航局不堪重負。美國宇航局在研制成功Space Shuttle后，也花了大量資金來發展空天飛機（NASP）和單級入軌的火箭飛機(X-33和冒險星)，但都因要求的技術水平太高而失敗。在Space Shuttle退役后，美國只能租用俄羅斯的載人飛船來向國際空間站運送航天員。

但是，Space Shuttle畢竟是載人航天器突破一次性使用慣例，進入可重復使用階段的重要標志和創新成果。一方面，它在國際空間站的建設安裝中，發揮了不可替代的作用。另一方面，航天飛機在再入時因有較大的機動能力從而有較大軍用價值，以及它的安全、精確和舒適的著陸性能，讓航天飛機這種航天運載器類型不會退出歷史舞臺。

美國宇航局早在1999年就開始執行試驗下一代航天飛機新技術的X-37計劃。在決定重返月球后的2004年，將其交給了美國軍方，用于發展軍用航天飛機技術。X-37最初被設計為一種載人航天技術的試驗飛行器，后來美國空軍將其改成試驗軍事航天技術，因此顯得有點先天不足。

在X-37B首次飛行試驗成功后，波音公司也曾研究X-37B的增大165%的構型X-37C方案，希望能夠用其向國際空間站運送貨物和航天員。由于美國宇航局已經決定支持波音公司研制CST-100載人飛船和內華達山脈公司的“追夢者”小型航天飛機，所以并未支持X-37C方案。

“追夢者”也是一種類似于X-37B的頂推式小型航天飛機，但它采用了美國宇航局開發的升力體構型。目前“追夢者”的研制工作比較順利，有望在2021年執行向國際空間站運貨任務。同時我們不難發現，太空探索技術公司正在研制的載人登月和載人登火星的“星船”,雖然目前的方案是垂直的頂推式發射和垂直的反推式著陸，但其再入大氣層和Space Shuttle十分相似。目前各國正在研究的完全重復使用的航天運載器，無論是兩級入軌的火箭飛機，還是兩級入軌的空天飛機，其上面一級也都是帶主動力的有翼軌道器。從上述動向來看，航天飛機這種航天運載器類型，正在浴火重生。

▲ “星船”航天器

X-37B的啟示

上世紀80年代后期，我國航空航天界曾對我國載人航天是發展飛船還是小型航天飛機，進行過爭論。首先，863計劃航天領域專家委員會，決定把發展載人空間站系統作為發展載人航天的目標。要建設空間站，當然要決定采用何種天地往返運輸系統。為此，選取了5種方案進行深入論證和對比分析。這些方案分別是飛船、不帶主動力的小型航天飛機、帶主動力的航天飛機、兩級火箭飛機和兩級空天飛機。

經過多次評審，專家們的主導意見是：空天飛機和火箭飛機雖然是未來天地往返運輸系統可能的發展方向，但我國目前還不具備相應的技術基礎和投資力度；帶主動力的航天飛機要解決火箭發動機的重復使用問題，難度比較大；可供進一步研究比較的是多用途飛船方案和不帶主動力的小型航天飛機方案。在對這兩個方案進行深入對比分析后最終確定了“投資較小，風險較小，把握較大”的飛船方案，即發射一次性使用的載人飛船，作為突破我國載人航天的第一步。對于未來的發展，建議瞄準兩級水平起降的空天飛機。

實際上，從飛船到先進天地往返運輸系統之間，還必須發展用運載火箭發射的有翼軌道器。其理由是，兩級空天飛機的上面級的研制，必須基于有翼軌道器的技術，而跳過這一步直接研制空天飛機，技術風險太大。同時，有翼軌道器比飛船有較大的再入橫向機動距離，因此具有較大軍用價值。應該說明，當時提出的小型航天飛機方案，十分相似于X-37B，只是要求載人而已。

今天看來，我國的載人航天以飛船起步的決策，是完全符合我國國情的。當前，我國的飛船已經在“神舟”載人飛船的基礎上，正在研制和試驗重復使用的新一代飛船。此時，我們面對美國的航天飛機正在重出江湖的新形勢，特別是面對我國在太空安全方面的嚴重挑戰，我們應呼喚我國的航天飛機能早日飛向太空，為我國航天發展和太空安全作出貢獻。