文 劉基余 武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院

美國(guó)東部時(shí)間04月22日19時(shí)52分（北京時(shí)間23日7時(shí)52分），一枚“阿特拉斯－5”型運(yùn)載火箭在佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，將X-37B軌道測(cè)試飛行器送入太空。X-37B是美國(guó)波音公司所屬的“幻影工廠”制造的，它的尺寸只有美國(guó)現(xiàn)役航天飛機(jī)的四分之一左右，即長(zhǎng)為8.9米，高2.9米，翼展為4.5米，起飛重量是4990公斤。由此可見(jiàn)，X-37B僅是一種小型的航天飛行器。X-37B將在太空中接受導(dǎo)航、控制和防熱等項(xiàng)測(cè)試，檢驗(yàn)這種飛行器能否在自主控制下沿著預(yù)定軌道飛行、返回大氣層和安全著陸。如能依此測(cè)試成功，這將開(kāi)創(chuàng)航空航天技術(shù)發(fā)展新時(shí)代！

X-37B軌道測(cè)試飛行器的成功入軌運(yùn)行，引發(fā)了全球許多人們的廣泛興趣和密切關(guān)注，普遍認(rèn)為，X-37B是未來(lái)空天飛機(jī)的雛形；按設(shè)想，空天飛機(jī)是一種既能航空又能航天的新型飛行器。它能夠像普通飛機(jī)一樣起飛，不過(guò)，它在大氣層內(nèi)飛行速度是高超音速的，亦即，在高達(dá)30～900公里的天空，能夠以13～25馬赫(1馬赫為340米/秒)的速度飛行，而且能夠直接自主加速進(jìn)入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，又像普通飛機(jī)一樣在機(jī)場(chǎng)著陸。依據(jù)這種性能，筆者認(rèn)為，空天飛機(jī)將有著如下所述的廣泛用途。

1 為近空間開(kāi)發(fā)提供有效的飛行器開(kāi)創(chuàng)軍民應(yīng)用新局面

距離地面20～100公里的大氣區(qū)間，叫做“近空間(Near-Space)”，也稱為臨近空間或亞太空。它是一個(gè)一直被人類忽略的大氣區(qū)域，也是一個(gè)“無(wú)主區(qū)域”。近空間主要包括平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。該區(qū)域的空氣非常稀薄，多數(shù)的軍事作戰(zhàn)飛機(jī)都不能夠在該空間中飛行；對(duì)于衛(wèi)星而言，由于重力作用過(guò)大，而難以維持它的飛行軌道。因此，在近空間內(nèi)極少有飛行器飛行，許多國(guó)家也沒(méi)有充分認(rèn)識(shí)到近空間的應(yīng)用價(jià)值，更沒(méi)有對(duì)它進(jìn)行系統(tǒng)性的研究和利用。2004年，時(shí)任美國(guó)空軍參謀長(zhǎng)約翰·詹珀(John Jumper)針對(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)空間（JWS）的開(kāi)發(fā)，提出了近空間的概念。他看到了近空間平臺(tái)的巨大效能，要求美國(guó)空間司令部積極探索研究，為美軍提供戰(zhàn)術(shù)級(jí)的太空作戰(zhàn)能力。從此，許多國(guó)家才逐漸意識(shí)到近空間飛行器的發(fā)展涉及國(guó)家安全與和平利用空間的戰(zhàn)略問(wèn)題，它是目前國(guó)際競(jìng)相爭(zhēng)奪空間技術(shù)的焦點(diǎn)之一，也是綜合國(guó)力的體現(xiàn)，各國(guó)積極地開(kāi)展了相關(guān)研究工作；例如，中國(guó)自然科學(xué)基金委員會(huì)擬定了“近空間飛行器的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題”重大研究計(jì)劃，并公布了近幾年度的項(xiàng)目申請(qǐng)指南；它是以30～70公里中層近空間的高超聲速遠(yuǎn)程機(jī)動(dòng)飛行器涉及的科學(xué)問(wèn)題為研究重點(diǎn)，通過(guò)多學(xué)科交叉研究，增強(qiáng)我國(guó)近空間飛行器研究的源頭創(chuàng)新能力，為我國(guó)未來(lái)近空間飛行器的發(fā)展奠定技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。X-37B軌道測(cè)試飛行器的成功入軌運(yùn)行，為所述研究開(kāi)闊了視野，提供了新思路。

空天飛機(jī)通過(guò)攜帶不同類型的載荷，具有近實(shí)時(shí)地跟蹤高價(jià)值目標(biāo)、空中監(jiān)視、遠(yuǎn)程打擊、導(dǎo)彈防御、自然災(zāi)害快速響應(yīng)、邊境防御等多種軍民用途。在這些應(yīng)用中，空天飛機(jī)體現(xiàn)了下述的顯著特點(diǎn)：相對(duì)于衛(wèi)星而言，空天飛機(jī)距離地面目標(biāo)的距離僅是低軌道衛(wèi)星的1／10，因此它具有效費(fèi)比高、機(jī)動(dòng)性好、探測(cè)性佳、分辨率高、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；相對(duì)于傳統(tǒng)飛機(jī)而言，空天飛機(jī)的飛行高度高，滯留在空中的時(shí)間通常在幾個(gè)月以上，因此它具有持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、覆蓋范圍廣、生存能力強(qiáng)、安全性能好等優(yōu)勢(shì)。

2 為全球地圖測(cè)繪提供優(yōu)異的作業(yè)平臺(tái) 將導(dǎo)致測(cè)繪學(xué)科的一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命

美國(guó)的“奮進(jìn)” (Endeavour)號(hào)航天飛機(jī)于2000年2月11日12時(shí)43分發(fā)射升空，經(jīng)過(guò)9天多的在軌雷達(dá)對(duì)地測(cè)量，測(cè)繪出了南緯56度和北緯60度之間的占全球面積75%的三維地圖；而于2000年2月22日4時(shí)52分順利返回佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的肯尼迪太空發(fā)射中心（詳見(jiàn)劉基余的【GPS衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理與方法】一書(shū)的§1.5；（北京）科學(xué)出版社，2010年1月）。

圖1 “奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的SIR-C/X-SAR雷達(dá)天線

“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)全球三維地圖測(cè)繪，是由安設(shè)在該航天飛機(jī)上的C波段航天圖像雷達(dá)（SIR-C）和X波段合成孔徑雷達(dá)（X-SAR）完成的；該兩種雷達(dá)均設(shè)置了底部主天線和外側(cè)天線(如圖1所示)。長(zhǎng)12米寬4米的SIR-C/X-SAR主天線，安設(shè)在該航天飛機(jī)的底部，它既用于發(fā)射電波，又用于接收電波；而重達(dá)300公斤的SIR-C/X-SAR外側(cè)天線，是通過(guò)一根60m長(zhǎng)的天線伸縮桿，伸出在“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的一側(cè)，它只用于接收電波；當(dāng)發(fā)射和回收“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)時(shí)，外側(cè)天線被縮短到二十分之一而存放到一個(gè)支持罐體內(nèi)(如圖2所示)；SIR-C/X-SAR雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖2所示的軌道和姿態(tài)電子測(cè)定設(shè)備(包括一臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī))，不僅能夠精確測(cè)定“奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的在軌飛行時(shí)的實(shí)時(shí)位置，而且能夠精確測(cè)得主天線和外側(cè)伸縮天線之間的距離。

如果將上述SIR-C/X-SAR雷達(dá)天線等設(shè)備安置在空天飛機(jī)上，就可以構(gòu)成一種GPS空天飛機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全球性的地圖快速測(cè)繪。我們知道，為了測(cè)繪各自國(guó)家或地區(qū)的地形圖，測(cè)繪工作者首先必須在各自國(guó)家或地區(qū)建立測(cè)圖基準(zhǔn)框架——大地測(cè)量控制網(wǎng)；為此，需要測(cè)設(shè)最能表述各自國(guó)家或地區(qū)的地球自然表面的參考橢球體，并確定與之相應(yīng)的地圖投影方法。進(jìn)而才能夠?qū)嵤?duì)各自國(guó)家或地區(qū)的地圖測(cè)繪；例如，用現(xiàn)代最有效手段——航空攝影測(cè)量技術(shù)測(cè)繪地形圖，它的作業(yè)模式是：第一年航空對(duì)地?cái)z影，第二年翻山越嶺赴野外測(cè)量像片控制點(diǎn)，第三年室內(nèi)伏案觀測(cè)而繪制地形圖；值得特別指出的是，航空攝影測(cè)量要求極高的天氣條件：萬(wàn)里晴空，碧藍(lán)無(wú)云。為了等待這種最佳天氣，往往需一呆十天半月，甚至更長(zhǎng)，均難奏效。筆者于1996年初春率隊(duì)在海南省作GPS航空攝影測(cè)量時(shí)，曾有過(guò)這種親身經(jīng)歷。筆者預(yù)言，空天飛機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能夠突破天氣條件局限，實(shí)施全天候和全球性的快速測(cè)繪地圖，而且將導(dǎo)致測(cè)繪學(xué)科一場(chǎng)深刻的科技革命。

此外，空天飛機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)還能夠?yàn)椤皵?shù)字地球”的數(shù)據(jù)獲取和更新開(kāi)創(chuàng)技術(shù)新途徑?！皵?shù)字地球”是一個(gè)完全信息化的“虛擬地球”，是一個(gè)以信息高速公路為基礎(chǔ)，以地球空間數(shù)據(jù)（地理信息）基礎(chǔ)設(shè)施為依托，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為手段的海量信息庫(kù)。它將按給定的地理坐標(biāo)，集成全球的海量而多分辨率的、三維動(dòng)態(tài)的地理信息，以及全球的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、人口統(tǒng)計(jì)信息。用這個(gè)數(shù)字地球，人們?cè)谧约旱霓k公室內(nèi)，可以檢索和展示全球任一三維地區(qū)，進(jìn)行農(nóng)田水利規(guī)劃，水庫(kù)蓄水量和江河水流量計(jì)算，洪水動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，災(zāi)情損失評(píng)估，災(zāi)后重建部署，農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)監(jiān)控，蟲(chóng)害征兆探測(cè)，除蟲(chóng)藥劑使用，以及土地動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等等。為了實(shí)現(xiàn)所述應(yīng)用，就需要不斷更新“數(shù)字地球”的數(shù)據(jù)，空天飛機(jī)測(cè)圖系統(tǒng)，將是達(dá)到目的的最佳選擇。

3 為全球精確打擊提供多用途的尖端兵器 而能建造空天現(xiàn)代化的攻防長(zhǎng)城

美國(guó)在近年來(lái)發(fā)布的《國(guó)防部航天政策》、《美國(guó)航天司令部長(zhǎng)期規(guī)劃2020展望》和《國(guó)家航天政策》中都表明，未來(lái)的軍事戰(zhàn)爭(zhēng)，奪取制天權(quán)，是奪取制空權(quán)和奪取制海權(quán)的基礎(chǔ)；2001年1月，美國(guó)國(guó)會(huì)航天委員會(huì)發(fā)布了題為《涉及美國(guó)國(guó)家安全的航天組織與管理》的報(bào)告，再次強(qiáng)調(diào)了奪取制天權(quán)的重要性。奪取了制天權(quán)，既可以隨時(shí)切斷敵方的指揮、控制和通信聯(lián)系，使敵人變成“聾子”和“瞎子”，又可以隨心所欲地實(shí)施偵察、預(yù)警、監(jiān)視、定位、通信、彈道導(dǎo)彈攔截，進(jìn)而用航天武器系統(tǒng)消滅敵人的陸、海、空、天設(shè)施?？仗祛I(lǐng)域已成為新的戰(zhàn)略利益空間、戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)舞臺(tái)和戰(zhàn)略控制高地；誰(shuí)控制了空天，誰(shuí)就控制了地面和海洋，就掌握了戰(zhàn)略主動(dòng)權(quán)。美國(guó)將堅(jiān)定不移地奪取制天權(quán)，控制天空；不僅強(qiáng)化進(jìn)攻性的空天控制戰(zhàn)略，而且努力開(kāi)發(fā)防御性的衛(wèi)星安全與防護(hù)技術(shù)。美國(guó)軍方認(rèn)為，空天飛機(jī)可以在2小時(shí)內(nèi)飛抵全球任何地區(qū)，使美軍繼續(xù)保持在實(shí)時(shí)偵察、遠(yuǎn)程快速部署和精確打擊等方面的優(yōu)勢(shì)，為奪取制天權(quán)提供有效的工作平臺(tái)，開(kāi)創(chuàng)攻防技術(shù)新途徑，進(jìn)而達(dá)到奪取制天權(quán)的目的。

表1 S I R-C/X-S A R雷達(dá)的主要參數(shù)

圖2 “奮進(jìn)”號(hào)航天飛機(jī)的SIR-C/X-SAR主天線和外側(cè)天線

X-37B軌道測(cè)試飛行器的測(cè)試成功，將有可能研發(fā)成為多用途的空天戰(zhàn)機(jī)。因它能夠以每小時(shí)16000～31000公里在30～900公里的高空飛行，就能夠研發(fā)成功一種全新的空天轟炸機(jī)；或者是一種空天戰(zhàn)斗機(jī)；或者是一種空天運(yùn)輸機(jī)。它們的作戰(zhàn)區(qū)域，不僅是整個(gè)地球的近空間，而且將是整個(gè)地球的天空。當(dāng)空天飛機(jī)升空后，可迅速到達(dá)全球任何目標(biāo)的“上空”，利用自身攜帶的武器對(duì)敵國(guó)衛(wèi)星和其他航天器實(shí)施控制、捕獵和摧毀等攻擊，甚至向敵國(guó)地面目標(biāo)發(fā)起全面攻擊，而成為一種名副其實(shí)的“空天轟炸機(jī)”，能夠在1～2小時(shí)內(nèi)突破任何地面防御體系，從空間對(duì)陸、海、空目標(biāo)實(shí)施精確打擊；這就擁有了全球快速打擊能力。由于空天飛機(jī)采用自主駕駛和導(dǎo)航模式，就能夠長(zhǎng)期在太空部署。一旦需要，它就可以對(duì)敵方的衛(wèi)星、宇宙飛船甚至太空站下毒手。只要裝備簡(jiǎn)單的機(jī)械手，經(jīng)過(guò)改進(jìn)后的X—37B就能將敵方先進(jìn)衛(wèi)星裝在貨艙“打包”帶回美國(guó)。由于無(wú)需考慮氣動(dòng)布局，X—37B可裝載或掛裝多種武器；當(dāng)裝備導(dǎo)彈后，X—37B可成為標(biāo)準(zhǔn)的太空戰(zhàn)機(jī)，威懾別國(guó)的航天器和空間設(shè)施。由此可知，X—37B可能發(fā)展成為強(qiáng)于核武器的“空天殺手锏”，而能建造空天現(xiàn)代化的攻防長(zhǎng)城。