第631篇《揭秘X-37B兼谈航天飞机》

有内涵才man

2022年11月12日，美国X-37B飞行器结束第六次飞行，回到地面。从2010年以来的十余年间，X-37B共进行了六次飞行。它是一个什么东西？它的六次飞行是怎样的？它有什么用？进而，联想到1969至2011年间辉煌的航天飞机时代，以及航天飞机是否需要和是否正在归来。就这些问题，本文作一简要讨论。

一、X-37B简况

先看一下我整理的一份图表及几张网络图片。

六次飞行简况

任务号/军方任务号/执行机	起飞-返回 降落时间	在轨时间	运载 火箭	主要任务
OTV-1（USA-212）/第1架	2010.4.23-2010.12.3	224d9h24m	宇宙神5型	验证变轨能力/首次自主重返
OTV-2（USA-226）/第2架	2011.3.5-2012.6.16	468d14h2m	宇宙神5型	验证飞行器/增强续航力
OTV-3（USA-240）/第1架	2012.12.11-2014.10.17	674d22h21m	宇宙神5型	验证飞行器
OTV-4（USA-261）/第2架	2015.5.20-2017.5.7	717d20h42m	宇宙神5型	霍尔推进器电推进实验/太空中材料暴露实验
OTV-5（USA-277）/第1架	2017.9.7-2019.12.7	779d17h51m	猎鹰9	在轨发射3颗小卫星/先进结构嵌入式散热器测试
OTV-6（USA-299）/第2架	2020.5.17-2022.11.12	908d21h8m	宇宙神5型	测试太空辐射/微波能量传输/在轨部署卫星

第五次

第六次

该项目是从一个原由NASA负责的试验机项目转变而来的。2004年转DARPA管理，命名X-37，曾进行了几次由母机带飞和投放飞行试验。后由美国空军快速反应能力办公室负责，改称X-37B。迄今六次飞行中的前五次由美国空军主导。第六次则由美国天军接手。

2019年12月20日，美国天军（USSF）成立，是继美国陆军、空军、海军、海军陆战队和海岸警卫队之后的第6个军种，当美国天军军旗在白宫亮相时，特朗普总统曾表示：无论防御或进攻，太空都将是未来。可见，X-37B转由天军负责，表明美国军方将此作为向太空进军、构建新战略高地的明确意图。



X-37B名为轨道试验飞行器（OTV，Obital Test Vehicle），由波音公司旗下的“鬼怪工厂”制造，共制造了两架。机长8.931米，高2.926米，翼展4.55米，重约5.4吨；大小约为原来航天飞机的约四分之一；有一对机翼，翼上襟副翼控制飞行；有一对装有方向舵的V形尾翼。飞行器中部有一个尺寸2.1米×1.2米的载荷舱，可载重约2吨；机上采用砷化镓太阳能电池和锂电池供能，载有用于机动和变轨的推进器，但没有支持在大气层飞行的动力装置；提供电力的两组太阳能帆板，发射时折叠，入轨后打开，无论飞行器的方向、角度、姿态如何变化，始终对准太阳。

该飞行器由运载火箭发射入轨，可在轨道执行多种任务；完成任务后，可重回大气层，自主降落并滑翔着陆。所用运载火箭除第5次为猎鹰9以外，其余5次均为宇宙神5型火箭。“宇宙神”系列运载火箭由美国通用动力和康维尔公司制造，已连续生产50多年；其5型的地球同步转移轨道运载能力为13吨。

据波音发布信息，X-37B飞行在176-800千米的近地轨道，以第一宇宙速度7.9千米每秒、即28000千米每小时的速度飞行，约90分钟绕地球一圈。X-37B具有变轨能力和多轨道飞行能力，可以从800千米高度俯冲到176千米的近地轨道（已接近一般航天器的最低极限轨道高度），也能从这个高度飞升至800千米。

各次任务不同，携带的载荷也不同。关于任务的发布信息不多，从少量资讯分析，早期主要围绕飞行器自身，如结构、防热、推进、着陆等，后几次主要围绕在轨任务能力展开。各次飞行的任务，可参见上面的六次飞行简介表。

二、关于第六次飞行

第六次飞行始于2020年5月，在卡纳维拉尔角空军基地搭乘宇宙神5号火箭升空。据天军发布的照片显示，在原飞行器后部，增设了一个环形服务舱，使任务舱空间扩大，实验项目得以增加；正如波音太空和发射部高级副总裁吉姆·奇尔顿所说，增加服务舱，使X-37B实现了运载能力的突破。

据称，第六次飞行在轨部署了美国空军学院的猎鹰八号卫星（FalconSat-8）。这颗卫星被用于5个不同的测试，包括新一代等离子体推进器、超材料天线、碳纳米管实验、能量激增和控制装置，以及与空军技术研究所的低成本相机有关的一项载荷测试。试验项目中，还有一个NASA的太空材料暴露和技术创新试验（METIS-2），该实验在第四次飞行时进行过；测试样品被安装在X-37B飞行器的外部，测试了热控制涂层、印刷电子材料和候选辐射屏蔽材料等。

另一个有效载荷是由海军研究实验室设计的远距开放空间电力传输系统，该系统能够捕获太阳能，并将能量以微波形式发射回地球。这项试验通过在轨能量传输演示，以证实获得新的能量传输方式的可能性。海军研究实验室的射束功率负责人曾在飞行前表示，该系统在长寿命无人机方面会产生巨大的影响。可以设想，一旦在近地轨道上部署这种装置，不仅是无人机，凡能接收能量的飞行器，在执行各种久飞任务时，将无时限之虞。

三、关于航天飞机的回顾

为了更好地理解X-37B，有必要回顾航天飞机的问世、运行和谢幕。

上世纪50年代末，航天时代开启。标志性事件是1957年苏联发射人类第一颗人造卫星和1961年苏联的加加林作为人类第一个太空人在近地轨道上绕行地球一周。其时，美苏竞争激烈，起初苏联占得上风。从60年代开始，美国在政府联邦预算中加大对NASA拨款，数额之巨在一些财政年度曾达到预算总额的4.5%。在政治家站台和经费强力支持下，美国航天急速发展，并一举超过苏联。

这一时间所取得的主要成就有两项。一是阿波罗登月，从1969年到1972年，先后6次实现载人登月，12位宇航员登上月球；在进入21世纪第三个十年，美国重启登月计划之时，仍觉半个世纪前的这一壮举如难以登攀的高峰。二是航天飞机，就在阿波罗11号飞往月球、阿姆斯特朗成为人类第一位踏上月球者的1969年，美国启动“可回收近地轨道飞行器”计划；1972年启动研制航天飞机，先后建造了 5 架航天飞机。

航天飞机是为寻求往返于地球和外层空间之间而研制的一种可重复使用飞行器。航天飞机在起飞到入轨的上升阶段运用火箭垂直起飞技术，在太空轨道飞行段运用航天器技术，在再入大气层返回滑行和水平着陆段运用飞机技术，在人类科技史上第一次把航空与航天技术完美结合，实现了融运载火箭、人造卫星、货运飞船、载人飞船和小型空间站于一身的综合功能。

航天飞机由两枚固体火箭推进器、推进剂外挂贮箱、轨道器三部分组成。推进器和轨道器可以重复使用。飞机全长56米，高23米，起飞质量约2000吨，可以把25-30吨有效载荷送入近地轨道，通常可乘坐6-8人。飞行时间在两周以内，最长达一个月。它是世界上第一个实现部分重复使用的天地往返运输系统。

美国先后建造了 5 架载人航天飞机，按时间序，为“哥伦比亚”号、“挑战者”号、“发现”号、“亚特兰蒂斯”号和“奋进”号。首架“哥伦比亚”号于 1981 年 4 月 12 日第一次执行飞行任务；2011 年 7 月 21 日，“亚特兰蒂斯”号完成“谢幕之旅”；共执行135次飞行。

名		飞行次数	太空停留天数	载人（次）数	任务	退役
哥伦比亚		28	300	160	发射卫星8颗	2003.2.1失事
挑战者		10	62	60	发射卫星10颗	1986.1.28失事
发现		39	365	252	发射卫星31颗 对接空间站13次	2011.3.9
亚特兰蒂斯		33	307	195	对接空间站19次	2011.7.21
奋进		25	296	154	对接空间站13次	2011.6.1

航天飞机飞行记录

苏联也开展了载人太空飞行的研发，1988年11月，“暴风雪”号航天飞机进行了一次不载人飞行试验，后因苏联解体和经费断供而终止计划。

航天飞机是人类航空航天史上的一项划时代成就，但投资巨大，使用成本高，有数据表明，若把美国在30年间研制、维护、更新等用于航天飞机的全部费用平摊，每次飞行活动的成本超过10亿美元；加之技术复杂，两次飞行之间需花费数月时间，安全性不够，致“挑战者”号和“哥伦比亚”号先后发生空中解体的灾难，14名宇航员牺牲。航天飞机在未完全达到预期目标的情况下，退出了历史舞台。

此后，进入了被称为后航天飞机的时代。而实际上，航天飞机的梦想从未停止，为新型航天飞机而做的技术研究与试验持续进行，其中，X-37B最具代表性；其开始研制的时间是1999年，而第一架升空试飞发生在2010年4月，也早于“亚特兰蒂斯”号航天飞机的最后一飞。进入21世纪第二个十年，X-37B的研发更明显加快。


航天飞机亚特兰蒂斯号(©NASA)

挑战者号(左)和哥伦比亚号(右)解体灾难中牺牲的14位宇航员(©NASA)

四、再说X-37B是什么

能够确认的是，X-37B飞行器由火箭发射进入太空，在地球卫星轨道上飞行和执行任务，结束任务后穿越大气层、自动返回地面，并可重复使用；应视为一种新型的空天往返飞行器。在2011年7月8日，在美国第一代航天飞机完成最后一次飞行任务、退出历史舞台后，X-37B展示了航天飞机发展的新希望。

对X-37B的认识，可以从技术和应用前景两方面进一步分析。

第一，在技术上，X-37B是航天飞机新途径的试验平台。

首先，X-37B整个项目也是由轨道器、助推火箭和储燃箱三部分组成，垂直起降，回到地球时滑翔、水平着陆。同过去的航天飞机相比，X-37B是一个迷你型的“年轻人”，在总体技术与性能上，虽未超越，但有几个突出特点：

（1）变轨能力和多轨道飞行能力大为增强，甚至可以变轨到低于极限最低地球轨道，并可从此高度再次飞升至800千米轨道；

（2）机上能源获取与高效推进器有新的突破；

（3）先进的防热材料与结构技术，将使可重复使用更可靠，维护简易，执飞准备周期缩短；

（4）“无人化”，在去除人员居住空间和生命支持系统后，飞机可以做得更小，实际载荷能力增强，在轨时间几乎无限（只要任务需要）。

我也看到有评论称，X-37B是一种雏形空天飞机，这种说法不妥。目前，航空航天界的主流意见，是把航天飞机和空天飞机作为两个概念，并将空天飞机定义为能像飞机一样在跑道上水平起降、依靠自身动力实现起飞、爬升、入轨、驻留、再入返回的完全可重复使用天地往返飞行器；其动力一般采用涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等多种动力组合形成的系统。X-37B仍采用垂直发射，仅此一点，就不能视其为空天飞机。

当然，还有一种观点，也值得注意。自从出现空天飞机概念，也实施了若干空天飞机研究计划，并无实质性突破，且未见明确的应用场景，故而，空天飞机可能只是一个理论可能。让一架飞行器既能在空气空间驻留飞行，又能在太空飞行，在飞行包线内的每个区域都要求获得适用动力，这样的推进系统将十分复杂；组成系统的某些装置，在得不到使用的飞行段，将成为无用载荷，由此付出的代价似乎过大。关于空天飞机的概念和真实需求，应进行一些更深入的研究。

第二，在应用上，X-37B已展示诸多前景。在民用领域，成为新的太空运载工具，快速灵活部署，低成本运行，其优势初显。而在军事上的应用前景更值得关注。从前五次由空军主管，到第六次由天军主管，都带有太空作战平台的强烈意味。

X-37B能够重复往返太空和地球，能在地球轨道上飞行和执行任务，可以在轨释放卫星，可以凭借特殊载荷与设备执行特定任务，如中继能量传输等；它所具备的长时间在轨飞行和变轨能力，适合在太空蛰伏，在需要时发起和执行任务；加之它可重复使用，将大大降低运行成本，显著提高使用频次。

X-37B还在完善和进化中，就其目前呈现的小型化、无人驾驶航天飞机的属性，其应用前景逐渐显现，应对其有足够认识，但也不可随意拔高。据太空政策非营利组织—安全世界基金会（Secure World Foundation）对X-37B任务场景的可能性排名，其最有可能的任务是作为“在轨传感器平台和技术测试平台”，排序靠后的则有，用作快速反应卫星发射器（成本高昂，载荷舱过小），用作卫星检查工具，反卫星武器运载器以及用于捕获故障卫星，而可能性不大的是作为武器或武器运载工具（因其在最后阶段是滑行，“很容易成为任何防空系统的猎物”）以及作为动能武器的运载工具和发射平台（所需的推进器无法包容在载荷舱内）。

五、思考

X-37B的六次飞行和一连串试验提醒我们，我们应更加重视和加快相关研发，以求在这一领域不落下风，或有我们自己独到的成果。以下几点可以列为重点：
（1）切实加强可重复使用相关技术的研究与验证；尤应围绕可重复使用目标，开展所需防热材料与结构等的研发。（2）我国在此领域业已取得重要进展，应在已有成果基础上，开展相应的以应用场景为牵引的飞行器研发。（3）对可能造成的威胁，进行定性定量的分析；如确有威胁，可进行’反制概念研究与手段开发。（4）为提高长时间在轨停留与变轨能力，应重视机上提升能量供給和动力系统效率的研究。（5）开展多样化在轨试验项目的研究与部署。