高音速武器或太空战斗机?别再迷信美国X-37B了

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【文/观察者网专栏作者 石豪】

9月4日,我国在酒泉卫星发射中心成功,利用长征二号F运载火箭,成功发射一型可重复使用的试验航天器。在经历了两天的在轨飞行后,该航天器于9月6日成功返回预定着陆场,试验取得圆满成功。

许多朋友纷纷猜测这是中国版的“X-37B”,一时间这种美国发展的小型航天飞机获得了空前的关注度。

X-37B与火箭整流罩 | 图片来源:美国空军

有说法称,“X-37B”是一种空天飞机。

有说法称,“X-37B”是一种高超音速武器,最大速度超过25马赫。

还有说法称,“X-37B”是一种太空战斗机/太空轰炸机,可以自由变轨,可以快速响应,将核弹头出其不意扔到敌国。

那么,X-37B真能担得起这些美誉吗?

问:X-37B真是空天飞机吗?

要回答这个问题,我们可以看一看“航天飞机(Space Shuttle)”是如何定义的。

根据《中国大百科全书(第二版)·航空航天卷》,航天飞机是这么定义的:

“有人驾驶,可以重复使用、往返于地面和近地轨道之间运送人和有效载荷的飞行器,兼具载人航天器和运载器功能,并按飞机方式着陆的航天系统。美国空间运输系统的简称。”

注意,美国空间运输系统Space Transportation System (简称STS),不止我们一般认知中的“航天飞机”,还包含航天飞机的外挂燃料贮箱和两个固体火箭推进器,也就是航天飞机发射升空时的样子。

航天飞机首次发射任务STS-1 | 图片来源:NASA

至于空天飞机,由于目前尚未出现投入使用的型号,所以现有的《中国大百科全书》并未收录词条。根据另外一部权威辞书《大辞海·天文学地球科学卷》,空天飞机是这样定义的:

“亦称‘航空航天飞机’。兼具航空飞行器、宇航运载器和宇航器功能的可完全重复使用的高超声速载人航空航天飞行器。安装有冲压空气喷气发动机和运载火箭发动机。能像飞机一样在普通机场跑道水平起降。在30千米以上高空,能以5~15倍声速像飞机一样在大气层中飞行;待到达大气层边缘时,运载火箭发动机点火,像宇航器在空间轨道上运行。完成任务后返回地面,经维护后重新使用。”

尽管学者对空天飞机的定义可能不同,但有几个关键点是明确的:空天飞机应该是水平起飞,并且有从大气层内飞入太空的能力。

因此,从任何一个角度来看,由火箭垂直发射的X-37B也不是“空天飞机”,说是“无人航天飞机”或者“可重复使用的无人航天器”更为准确。

X-37B(OTV-6任务)发射 | 图片来源:ULA

问:X-37B真是高超音速武器吗?

根据笔者的考证与猜测,这个问题的提出是源于X-37B的前身——X-37验证机的一个技术指标:“X-37能够在25倍音速(25马赫)的环境下运行,并在太空和再入大气层的恶劣环境中测试技术”。

这是NASA马歇尔中心在2003年发布的一份资料中表述的。

也许在2003年以后,人们就已经对X-37系列航天器的真实用途展开了猜测,相关的描述也确实令人浮想联翩。尤其是在最近几年我国高超音速武器获得重大进展后,人们可能会结合25马赫这个指标,把X-37B和美国DARPA的Falcon系列高超音速飞行器联系起来。

Falcon高超音速验证机系列 | 图片来源:DARPA

但很遗憾的是,这是一种误读。NASA的说法很明白,X-37验证机要经受的环境是轨道飞行和再入大气层。

轨道飞行是指飞行高度高于100~120千米的冯卡门线,在冯卡门线以上的高度,空气极为稀薄,马赫数这个概念当然不适用,对航天器的影响主要是长时间的阻力累积。

再入大气层很好理解,返回式卫星、载人飞船、航天飞机在回到地面前都要经历这个过程,X-37B也不例外。但是这个过程是“一锤子买卖”,并不是像高超音速武器那样有一个“拉起”,或者“打水漂”的过程。

美国HTV-2高超音速飞行器飞行流程 | 图片来源:DARPA

迄今为止,X-37B总共执行了6次任务,全部是轨道飞行任务,时长从半年到两年不等。从X-37B的别称“轨道测试飞行器”(Orbital Test Vehicle, OTV)也能看出端倪——X-37B是为轨道飞行准备的,而非临近空间高超音速飞行。

最后,从波音X-37B的总工程师Arthur Grantz于2011年发表的文章来看,X-37B及其原型机的设计初衷,是由于航天飞机的轨道飞行时间只有10天左右,无法完成许多需要长时间留轨并返回地面的试验。随着航天飞机退役,联盟号飞船在搭载宇航员后的额外运载能力有限,这种能力缺口变得尤为明显。

在X-37B的设计中,研究人员也将其与航天飞机,而不是高超音速飞行器对比:

X-37B是一种很好的热防护验证平台 | 图片来源:Arthur Grantz@Boeing

因此可以说,X-37B确实不是一种高超音速武器。

问:X-37B真是太空战斗机吗?

要回答这个问题,我们先要看一看太空战斗机与大气层内战斗机的区别。

说起战斗机,我们首先想到的,可能是歼-20或者F-22这样的飞机,它们拥有卓越的气动设计,澎湃的动力,先进的飞控,强大的雷达,还能够像鬼魅般在敌方雷达体系中潜行。

F-22战斗机 | 图片来源:Rob Shenk

这样的战斗机,能够轻易改变自己的飞行轨迹和飞行姿态,在战斗中抢占先机。

但太空战,是一个完全不同的领域。

在地球轨道上,任何物体的轨道都可以大体看做与地球引力中心的“二体问题”,会有各种小扰动,但是大差不差。航天器的地球轨道可以用六个轨道根数完全表征,又叫轨道六要素。

图片来源:彭成荣@中国空间技术研究院

看起来很复杂,其实对太空战斗机来说,核心只有一个:太空作战有自己的轨道,活动范围在几千到几万千米,想要改变轨道就要付出很大的代价。

与此相比,大气层内战斗机的活动范围只有几十到几百千米,还可以充分利用大气层产生升力。

大气层内战斗机是战术武器,而太空战斗机的活动范围,是战略级别的。

自由是要付出代价的。

物理定律将太空战斗机自由机动、自由改变每一个轨道根数的代价都标好了价格。

这个价格就是ΔV——速度增量。每一次获得速度增量,都会根据太空战斗机的质量转化为推进剂消耗,并最终累加到发射成本上。

对于改变轨道高度,改变在轨道面内位置等常规操作而言,太空战斗机和普通卫星并没有差别。

而对于改变轨道面与地球赤道面夹角——轨道倾角,则需要很大的速度增量,只能在大气层外飞行的普通卫星就要消耗巨量的推进剂。

也许太空战斗机可以飞入大气层,巧妙利用大气阻力完成轨道倾角的转变?

我国科学家曾经专门对此进行了模拟仿真,用的就是X-37B的气动模型。

图片来源:左光(等)@北京空间技术研制试验中心

结果,大气变轨所需的速度增量反而比普通卫星还多。

图片来源:左光(等)@北京空间技术研制试验中心

当然,根据美国的文献,在倾角改变量大于10度时,气动变轨是可以优于传统卫星的冲量变轨的。

图片来源:Anil V. Rao(等)@University of Florida

但仔细一看,气动变轨所需的速度增量依然在1000m/s以上,这对于X-37B的小身板来说,实在是太难为它了。

问:X-37B是不是太空轰炸机,往其他国家扔核弹头?

X-37B确实像航天飞机一样,有一个货舱,可以带一些设备,比如太阳帆板、机械臂之类。

X-37B的货舱 | 图片来源:NASA马歇尔中心

甚至,X-37B在试验任务中,也确实在轨释放过若干小卫星。

但X-37B还是需要传统的运载火箭发射,发射准备时间是以天为单位的,既不能与大洋深处潜伏的潜射洲际导弹相比,也不能与大山深处神出鬼没的陆基机动洲际导弹相比——它们的准备时间是以小时,甚至分钟计算的。

DF-41洲际导弹 | 图片来源:张豪夫@新华社

退一步说,X-37B从整备到发射入轨,再到飞越敌国进行打击,所需时间有多长姑且不论,其隐蔽性是非常差的。

举个例子,美国保密程度极高的锁眼系列侦察卫星,就曾经被有心的天文观测者拍摄下来:

天文望远镜捕捉的KH-12卫星 | 图片来源:Ralf Vandebergh

一般的天文观测者都可以做到,更何况航天大国。

只要X-37B入轨,它的轨道就能被确定下来,它可以随便变轨,但是想重新确定它的轨道也不是什么难事。在现代天文跟踪观测体系下,直径10厘米的空间碎片都能被准确跟踪编目,更不用说X-37B了。

对了,发现就意味着摧毁。

说句有冒犯性的话,打X-37B轨道的目标,连印度都能做到。

2019年印度反卫星试验 | 图片来源:印度政府

再退一步,就算X-37B入轨后就能直接对别国进行打击,那为什么不用洲际导弹呢?洲际导弹在中段的可侦测性很低,目前中段反导依然是世界性难题。

再退一步,如果美国就想发展一个“轨道轰炸机”,能够在轨飞行,并且在飞越敌国时发射核弹头。那为什么不用大型卫星平台,或者弹道导弹的多弹头载具平台呢?何必多此一举,让“轨道轰炸机”还能返回地面,额外付出再入大气层所需的防热代价。

综上所述,不管是“太空战斗机”,还是“太空轰战机”,对于X-37B而言,都是一种鸡肋的属性。

可以,但没必要。

X-37B对于中国的启示

航天飞机曾经是美国航空航天技术的骄傲,是美国的国家象征。美国开辟了“航天飞机”这个领域,并常年领跑。

但是,技术上的伟大成就无法掩盖航天飞机没有达到“降低进入太空成本”这一初衷的尴尬。而14名宇航员的牺牲,更是全人类航天事业的灾难。

作为旁观者,我们对航天飞机的功过成败有科学、客观的理解。

作为追赶着,我们对航天飞机及相关技术的先进性也同样有深刻的认知。

从某种程度上,X-37B可以说是航天飞机的精神续作。

但就像对航天飞机一样,我们不应该对X-37B有着超越其本身能力的,不切实际的崇拜——就算有,在科学的分析论证下,也会不攻自破。

而在科学技术层面,我们也应当充分认识到中国基础的薄弱性。

基础的薄弱是从旧中国继承而来的,我们没有办法改变历史。

但这也意味着我们应当付出更多的努力,追赶基础好的“世界领先水平”。

别人掌握的,我们也要掌握。别人已经发展成熟的,我们要更快地追上去,抹平差距。

没有技术,和有技术不用,不是一回事。

而更进一步,别人没有掌握的,我们通过创新,也可以掌握,别人没有的,我们也可以有。

我们也一定会有。

DF-17导弹 | 图片来源:中央广播电视总台

参考文献

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[5].彭成荣. 航天器总体设计[M]. 中国科学技术出版社, 2011.

[6].左光, 和宇硕, 石泳, 等. 类 X-37B 飞行器气动力辅助异面变轨性能研究[J]. 航天返回与遥感, 2017, 38(4): 36-46.

[7].Walberg G D. A survey of aeroassisted orbit transfer[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 1985, 22(1): 3-18.

[8].Rao A V, Scherich A E, Cox S, et al. A concept for operationally responsive space mission planning using aeroassisted orbital transfer[C]//2008 Responsive Space Conference. 2008.

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