文/ 黃志澄

美國(guó)東部時(shí)間5月17日9時(shí)14分，美軍的X-37B小型航天飛機(jī)，從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地，由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司的宇宙神5-501火箭順利發(fā)射升空。這是X-37B的第6次飛行。

航天飛機(jī)(space plane) 是以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的，可以水平降落的航天運(yùn)載器。美國(guó)研制的世界上第一種航天飛機(jī)名叫Space Shuttle，在我國(guó)譯成“航天飛機(jī)”，實(shí)際上，它采用的是航天飛機(jī)中的一種在上升段由軌道器和助推器、外部燃料箱并聯(lián)的構(gòu)型，并不是一個(gè)具體的型號(hào)名稱(chēng)?？仗祜w機(jī) (aerospace plane)是在上升段使用包括吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)在內(nèi)的組合式發(fā)動(dòng)機(jī)、能水平起飛水平降落的航天運(yùn)載器。顯然，X-37B不是空天飛機(jī)，而是一個(gè)用火箭頂推的小型軍用無(wú)人航天飛機(jī)的試驗(yàn)樣機(jī)。

雖然Space Shuttle 已退役多年，但在它基礎(chǔ)上發(fā)展的X-37B這類(lèi)航天飛機(jī)的成功和重復(fù)使用航天運(yùn)載系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)向，讓我們感到航天飛機(jī)這種航天運(yùn)載器類(lèi)型，正在重出江湖，浴火重生。

對(duì)X-37B的總體印象

執(zhí)行“軌道試驗(yàn)飛行器”（OTV-6）任務(wù)(代號(hào)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(guó)天軍負(fù)責(zé)其發(fā)射、在軌運(yùn)行和返航著陸。

X-37B在這次任務(wù)中首次采用裝到飛行器后部的一個(gè)服務(wù)艙，來(lái)裝載實(shí)驗(yàn)設(shè)備，以擴(kuò)展該航天器的能力，容納比以往任何一次任務(wù)都要多的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。其中一件實(shí)驗(yàn)性有效載荷是由空軍研究實(shí)驗(yàn)室提供經(jīng)費(fèi)，由美國(guó)空軍學(xué)院研制的一顆重136千克的小衛(wèi)星，被稱(chēng)為“獵鷹星-8”。衛(wèi)星上裝載5件科學(xué)載荷。X-37B上還攜帶兩件美國(guó)宇航局的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用于研究輻射和其它太空環(huán)境條件對(duì)材料和糧食種子的影響。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)了把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成可傳輸回地面的射頻微波能量。

通過(guò)X-37B的前5次飛行試驗(yàn)，我們對(duì)X-37B的總體印象如下：

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

▲ Axiom商業(yè)空間站設(shè)想圖

2.在軌飛行時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，今后或繼續(xù)增加。從2010年4月升空開(kāi)始第一次太空任務(wù)，到2019年10月完成第五次任務(wù)，它在地球軌道上停留的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)：224天、468天、675天、717天和780天，累計(jì)飛行2865天。增加在軌飛行時(shí)間，將有利執(zhí)行對(duì)地偵察任務(wù)。

3.可以在軌機(jī)動(dòng)，但主要是進(jìn)行軌道高度的機(jī)動(dòng)，目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)它進(jìn)行過(guò)軌道傾角有較大改變的機(jī)動(dòng)。今后若要改變軌道傾角，機(jī)動(dòng)的范圍也不會(huì)太大，估計(jì)不會(huì)超過(guò)15度。2019年7月，前美國(guó)空軍部長(zhǎng)希瑟·威爾遜說(shuō)：“機(jī)動(dòng)變軌通常發(fā)生在我們對(duì)手看不到的地球另一側(cè)，讓他們無(wú)法預(yù)測(cè)X-37B的軌道。”

4.可以重復(fù)使用，但目前最多可重復(fù)使用3次。它的地面維護(hù)細(xì)節(jié)不詳。

5. X-37B由于有效載荷的重量不大，在軌機(jī)動(dòng)能力有限等原因，它的功能和媒體上所說(shuō)的“空天戰(zhàn)斗機(jī)”相差甚遠(yuǎn)，更不可能一小時(shí)打遍全球。目前，它的軍事應(yīng)用主要是對(duì)地偵察和釋放軍用小衛(wèi)星。美軍故意將其神秘化，就是為了威脅對(duì)手。當(dāng)然，它的成功也為今后進(jìn)一步發(fā)展具有更強(qiáng)軍事功能（包括反衛(wèi)星和對(duì)地打擊）的“太空機(jī)動(dòng)飛行器”（SMV），打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

X-37B是一架試驗(yàn)軍用航天飛機(jī)技術(shù)的飛行器。它的的尺寸約為Space Shuttle的1/4，重4989.5 千克，長(zhǎng)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(jì)在227至272千克左右（第6次飛行增加服務(wù)艙后將有所增加）。它的設(shè)計(jì)與Space Shuttle有許多不同之處：

首先，Space Shuttle是載人的航天飛機(jī)，而X-37B是一種無(wú)人的小型航天飛機(jī)。由于無(wú)人，不需要復(fù)雜的生命保障系統(tǒng)和救生系統(tǒng)，可以減輕許多結(jié)構(gòu)重量。在軍事應(yīng)用上采取無(wú)人的形式，也更加適宜。

其次，Space Shuttle在上升段由兩個(gè)固體助推器和外部燃料箱，以及有主動(dòng)力的軌道飛行器組成。它是一個(gè)并聯(lián)的構(gòu)型，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致易生事故。X-37B則是用火箭頂推軌道器的串聯(lián)構(gòu)型，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠。這種構(gòu)型可以避免產(chǎn)生Space Shuttle外部燃料箱的隔熱泡沫塑料會(huì)打壞軌道器防熱瓦的問(wèn)題。X-37B的氣動(dòng)外形上的最大變化，是將Space Shuttle的中央垂直尾翼，改為兩個(gè)側(cè)垂尾。這樣，既改善了X-37B的偏航性能，也縮小了全機(jī)的高度，使其可以放入運(yùn)載火箭的整流罩內(nèi)。

第三，X-37B采用了許多在Space Shuttle軌道器上已驗(yàn)證過(guò)的技術(shù)，但也采用了多頂新技術(shù)，力求比Space Shuttle軌道器更堅(jiān)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(yáng)能陳列和鋰離子電池，從而其在軌運(yùn)行的時(shí)間可達(dá)到大于780天。它設(shè)計(jì)時(shí)采用了可貯藏的無(wú)毒的航空煤油/過(guò)氧化氫推進(jìn)系統(tǒng)（第一次飛行時(shí)改用更成熟的四氧化二氮/肼推進(jìn)系統(tǒng)），單臺(tái)推力為2.7噸，因此，它的在軌機(jī)動(dòng)能力，要比Space Shuttle大。

▲ X-37B在軌運(yùn)行

X-37B飛行試驗(yàn)的一個(gè)目的，就是驗(yàn)證許多關(guān)鍵技術(shù)包括防熱系統(tǒng)，先進(jìn)的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)，航空電子系統(tǒng)，高溫結(jié)構(gòu)與密封技術(shù)，軌道機(jī)動(dòng)技術(shù)以及可重復(fù)使用的隔熱技術(shù)等。

▲ X-37B和運(yùn)載火箭的構(gòu)型

▲ 美國(guó)的Space Shuttle

▲ X-37B的防熱系統(tǒng)

航天飛機(jī)完成軌道任務(wù)后，在重返大氣層時(shí)會(huì)遇到嚴(yán)酷的氣動(dòng)加熱。為了避免因高速摩擦而升至超過(guò)1650攝氏度的高溫氣流損壞機(jī)體，在機(jī)體外要安裝防熱系統(tǒng)。Space Shuttle的防熱系統(tǒng)是一個(gè)由不同部位采用不同防熱材料的復(fù)雜系統(tǒng)，其防熱瓦一共有24000塊，總重也達(dá)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(zhì)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(jī)身頭部和機(jī)翼前緣的鈍度有所增大，它在再入時(shí)的氣動(dòng)熱環(huán)境，和Space Shuttle類(lèi)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(guó)已經(jīng)發(fā)展得較成熟的第二代防熱材料。頭部和前緣采用了由美國(guó)宇航局阿姆斯研究中心研制的韌化整體纖維抗氧化復(fù)合材料（TUFROC），它比RCC更輕，但可以做得更厚、傳熱過(guò)程更慢而抗氧化性能更強(qiáng)。機(jī)體大面積采用韌化整體纖維的絕熱材料（TUFI）。此外，作為試驗(yàn)，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(jìn)的防熱系統(tǒng)，不僅大大提高了它在再入大氣層時(shí)的安全性，而且大大減少了防熱系統(tǒng)在地面維護(hù)和修理的工作量，從而縮短再次發(fā)射所需的準(zhǔn)備時(shí)間。

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

航天飛機(jī)的新發(fā)展

上世紀(jì)70年代，為了與蘇聯(lián)的載人航天優(yōu)勢(shì)抗衡，美國(guó)國(guó)會(huì)于1972年年初批準(zhǔn)航天運(yùn)輸系統(tǒng)采用Space Shuttle方案。歷時(shí)9年，花費(fèi)約100億美元，到1981年4月，美國(guó)第一架航天飛機(jī)“哥倫比亞號(hào)”終于飛上了太空,最后所有航天飛機(jī)于2011年退役。

▲ X-37B返回地面

▲ “追夢(mèng)者”航天飛機(jī)

由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和研制工作受經(jīng)費(fèi)和進(jìn)度的限制，Space Shuttle在其運(yùn)行后，仍存在許多安全隱患。1986年“挑戰(zhàn)者號(hào)”和2003年“哥倫比亞號(hào)”的爆炸解體，各有7名航天員魂留太空，讓美國(guó)載人航天遭遇了巨大的挫折。由于設(shè)計(jì)時(shí)很少考慮其運(yùn)行問(wèn)題，特別是它外部的防熱瓦維護(hù)工作十分困難，造成了Space Shuttle具有技術(shù)復(fù)雜、發(fā)射費(fèi)用和維修成本都很高等缺點(diǎn)。據(jù)悉，它每飛行一次費(fèi)用高達(dá)5億美元，讓美國(guó)宇航局不堪重負(fù)。美國(guó)宇航局在研制成功Space Shuttle后，也花了大量資金來(lái)發(fā)展空天飛機(jī)（NASP）和單級(jí)入軌的火箭飛機(jī)(X-33和冒險(xiǎn)星)，但都因要求的技術(shù)水平太高而失敗。在Space Shuttle退役后，美國(guó)只能租用俄羅斯的載人飛船來(lái)向國(guó)際空間站運(yùn)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(jìn)入可重復(fù)使用階段的重要標(biāo)志和創(chuàng)新成果。一方面，它在國(guó)際空間站的建設(shè)安裝中，發(fā)揮了不可替代的作用。另一方面，航天飛機(jī)在再入時(shí)因有較大的機(jī)動(dòng)能力從而有較大軍用價(jià)值，以及它的安全、精確和舒適的著陸性能，讓航天飛機(jī)這種航天運(yùn)載器類(lèi)型不會(huì)退出歷史舞臺(tái)。

美國(guó)宇航局早在1999年就開(kāi)始執(zhí)行試驗(yàn)下一代航天飛機(jī)新技術(shù)的X-37計(jì)劃。在決定重返月球后的2004年，將其交給了美國(guó)軍方，用于發(fā)展軍用航天飛機(jī)技術(shù)。X-37最初被設(shè)計(jì)為一種載人航天技術(shù)的試驗(yàn)飛行器，后來(lái)美國(guó)空軍將其改成試驗(yàn)軍事航天技術(shù)，因此顯得有點(diǎn)先天不足。

在X-37B首次飛行試驗(yàn)成功后，波音公司也曾研究X-37B的增大165%的構(gòu)型X-37C方案，希望能夠用其向國(guó)際空間站運(yùn)送貨物和航天員。由于美國(guó)宇航局已經(jīng)決定支持波音公司研制CST-100載人飛船和內(nèi)華達(dá)山脈公司的“追夢(mèng)者”小型航天飛機(jī)，所以并未支持X-37C方案。

“追夢(mèng)者”也是一種類(lèi)似于X-37B的頂推式小型航天飛機(jī)，但它采用了美國(guó)宇航局開(kāi)發(fā)的升力體構(gòu)型。目前“追夢(mèng)者”的研制工作比較順利，有望在2021年執(zhí)行向國(guó)際空間站運(yùn)貨任務(wù)。同時(shí)我們不難發(fā)現(xiàn)，太空探索技術(shù)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(fā)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(guó)正在研究的完全重復(fù)使用的航天運(yùn)載器，無(wú)論是兩級(jí)入軌的火箭飛機(jī)，還是兩級(jí)入軌的空天飛機(jī)，其上面一級(jí)也都是帶主動(dòng)力的有翼軌道器。從上述動(dòng)向來(lái)看，航天飛機(jī)這種航天運(yùn)載器類(lèi)型，正在浴火重生。

▲ “星船”航天器

X-37B的啟示

上世紀(jì)80年代后期，我國(guó)航空航天界曾對(duì)我國(guó)載人航天是發(fā)展飛船還是小型航天飛機(jī)，進(jìn)行過(guò)爭(zhēng)論。首先，863計(jì)劃航天領(lǐng)域?qū)＜椅瘑T會(huì)，決定把發(fā)展載人空間站系統(tǒng)作為發(fā)展載人航天的目標(biāo)。要建設(shè)空間站，當(dāng)然要決定采用何種天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)。為此，選取了5種方案進(jìn)行深入論證和對(duì)比分析。這些方案分別是飛船、不帶主動(dòng)力的小型航天飛機(jī)、帶主動(dòng)力的航天飛機(jī)、兩級(jí)火箭飛機(jī)和兩級(jí)空天飛機(jī)。

經(jīng)過(guò)多次評(píng)審，專(zhuān)家們的主導(dǎo)意見(jiàn)是：空天飛機(jī)和火箭飛機(jī)雖然是未來(lái)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)可能的發(fā)展方向，但我國(guó)目前還不具備相應(yīng)的技術(shù)基礎(chǔ)和投資力度；帶主動(dòng)力的航天飛機(jī)要解決火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的重復(fù)使用問(wèn)題，難度比較大；可供進(jìn)一步研究比較的是多用途飛船方案和不帶主動(dòng)力的小型航天飛機(jī)方案。在對(duì)這兩個(gè)方案進(jìn)行深入對(duì)比分析后最終確定了“投資較小，風(fēng)險(xiǎn)較小，把握較大”的飛船方案，即發(fā)射一次性使用的載人飛船，作為突破我國(guó)載人航天的第一步。對(duì)于未來(lái)的發(fā)展，建議瞄準(zhǔn)兩級(jí)水平起降的空天飛機(jī)。

實(shí)際上，從飛船到先進(jìn)天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)之間，還必須發(fā)展用運(yùn)載火箭發(fā)射的有翼軌道器。其理由是，兩級(jí)空天飛機(jī)的上面級(jí)的研制，必須基于有翼軌道器的技術(shù)，而跳過(guò)這一步直接研制空天飛機(jī)，技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)太大。同時(shí)，有翼軌道器比飛船有較大的再入橫向機(jī)動(dòng)距離，因此具有較大軍用價(jià)值。應(yīng)該說(shuō)明，當(dāng)時(shí)提出的小型航天飛機(jī)方案，十分相似于X-37B，只是要求載人而已。

今天看來(lái)，我國(guó)的載人航天以飛船起步的決策，是完全符合我國(guó)國(guó)情的。當(dāng)前，我國(guó)的飛船已經(jīng)在“神舟”載人飛船的基礎(chǔ)上，正在研制和試驗(yàn)重復(fù)使用的新一代飛船。此時(shí)，我們面對(duì)美國(guó)的航天飛機(jī)正在重出江湖的新形勢(shì)，特別是面對(duì)我國(guó)在太空安全方面的嚴(yán)重挑戰(zhàn)，我們應(yīng)呼喚我國(guó)的航天飛機(jī)能早日飛向太空，為我國(guó)航天發(fā)展和太空安全作出貢獻(xiàn)。