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从X-37B看航天飞机的新发展

访问次数: 1526 次    作者: 远望智库高级研究员 黄志澄    发布时间: 2020-05-18

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美国东部时间5月17日9时14分、美军的X-37B小型航天飞机的第6次任务,从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军站,由联合发射联盟公司的宇宙神5-501火箭顺利发射升空。从X-37B的前5次飞行试验中,我们对X-37B已有了清晰的总体印象:它是一个用火箭顶推的小型军用无人航天飞机,目前它只是一种轨道试验飞行器(OTV)。它的发展既采用了Space Shuttle轨道器上已经验证的技术,但也采用了多项新技术,力求比Space Shuttle轨道器更坚韧、更安全和更轻。X-37B的成功和其它顶推式航天飞机的发展,让我们对航天飞机的发展有了许多新的思考。

一、对X-37B的总体印象




执行“轨道试验飞行器”(OTV-6)任务(代号USSF-7)的那架X-37B由波音建造,归空军快速能力办公室所有,可自主飞行和返航着陆。美国天军负责其发射、在轨运行和返航着陆。
X-37B在这次任务中将首次采用装到飞行器后部的一个服务舱,来装纳实验设备,以扩展该航天器的能力,接纳比以往任何一次任务都要多的实验设备。其中一件实验性有效载荷是由美国空军学院研制并由空军研究实验室提供经费的一颗重136公斤的小卫星,称为“猎鹰星-8”(FalconSAT-8 )。“猎鹰星-8”将装载5件科学载荷。机上还将携带两件NASA实验设备,用于研究辐射和其它太空环境条件对材料和粮食种子的影响。美国海军研究实验室的一项实验将把太阳能转换成可传输回地面的射频微波能量。
从X-37B的前5次飞行试验,我们对X-37B的总体印象如下:
(1) X-37B是一个用火箭顶推的小型军用无人航天飞机。目前它只是一种轨道试验飞行器(OTV),已经成功进行了广泛的飞行器技术和有效载荷的试验。


(2)在轨飞行时间越来越长,今后或继续增加。从2010年4月升空开始第一次太空任务,到2019年10月完成第五次任务,它在地球轨道上停留的时间越来越长:224天、468天、675天、717天和780天,累计飞行2865天。增加在轨飞行时间,将有利执行对地侦察任务。



(3)可以在轨机动,但主要是进行轨道高度的机动,目前还没有发现它进行过有较大改变轨道倾角的机动.今后若要改变轨道倾角,机动的范围也不会太大,估计不会超过150。2019年7月,前美国空军部长希瑟·威尔逊说:“机动变轨通常发生在我们对手看不到的地球另一侧,他们无法预测X-37B的轨迹。”
(4)可以重复使用,但目前最多可能重复使用过3次。它的地面维护的细节不详。
(5) X-37B由于有效载荷的重量不大,在轨机动能力有限等,它的功能和媒体上说的“空天战斗机”相差甚远。目前它的军事应用主要是对地侦察和释放军用小卫星。美军故意将其神秘化,就是为了威胁对手。当然,它的成功也为今后进一步发展具有更强军事功能(包括反卫星和对地打击)的“太空机动飞行器”(SMV),打下技术基础。

二、 X-37B的概况和技术特点


X-37B是一架试验军用航天飞机技术的飞行器。它的的尺寸约为Space Shuttle的1/4,重4989.5 公斤,长8.8392米,翼展约4.572米,高2.926米,载荷舱的平面尺寸为2.13米x1.22米,其有效载荷估计在227至272公斤左右(第6次飞行增加服务舱后将有所增加)。它的设计与Space Shuttle有许多不同之处:
(1)Space Shuttle是载人的航天飞机,而X-37B首先是一种无人的小型航天飞机。由于无人,不需要复杂的生命保障系统和救生系统,可以减轻许多结构重量。特别是对于太空更加昂贵的成本和更加恶劣的环境,在军事应用上采取无人的形式,更加适宜。


(2)Space Shuttle在上升段由两个固体助推器和燃料箱,以及有主动力的轨道飞行器组成。它是一个并联的构型,结构复杂,导致易生事故; X-37B则是用火箭顶推轨道器的串联构型,结构较简单可靠。不难发现X-37B的构型源自美军从1957年到1963年执行过但并未上天的Dyna-Soar(也称X-20)计划。


这种构型可以避免Space Shuttle外部燃料箱的隔热泡沫塑料会打坏轨道器防热瓦的问题。X-37B为了减少在助推段的气动载荷和改善振动特性,专门设计了整流罩。它和火箭的接口,可适用于多种火箭,包括“阿特拉斯-5”火箭、“德尔它-5” 火箭和SpaceX公司新研制的“猎鹰-9”火箭。X-37B的气动外形,虽然也采用Space Shuttle的双三角机翼,但其机身头部的钝度更大些。它在外形上的最大变化是将Space Shuttle的中央垂直尾翼(舵),改为两个侧垂尾(舵)。这样,既改善了X-37B的偏航性能,而且缩小了全机的高度,使其在机身底部安装减速板后,仍可以放入整流罩内。X-37B的的货舱也像Space Shuttle那样,设有两个门,在轨运行时,可以打开,便于释放和捕捉卫星。门内侧是辐射蒸发器和太阳能电池帆板。辐射蒸发器是为了给X-37B散热,因为太空中被阳光直射,其温度迅速升高,而太空中又无空气,只能采用辐射散热。X-37B货舱容积有限,因此太阳能电池帆板要先折叠放在货舱内,入轨后打开货舱,由支撑臂伸出后自动打开太阳能电池帆板。

(3)X-37B采用了许多在Space Shuttle轨道器上已经验证的技术,但也采用了许多新技术,力求比Space Shuttle轨道器更坚韧、更安全和更轻。
X-37B的电源从Space Shuttle的液氢液氧燃料电池,改为采用砷化镓的太阳能陈列和锂离子电池,从而其在轨运行的时间可达到大于780天。它设计时采用了可贮藏的无毒的航空煤油/过氧化氢推进系统(第一次飞行时改用更成熟的四氧化二氮/肼推进系统),单台推力为2.7吨,因此,它的在轨机动能力,要比Space Shuttle大得多。

三、 X-37B的关键技术




X-37B飞行试验的一个目的,就是验证许多关键技术包括防热系统,先进的制导、导航与控制,航空电子系统,高温结构与密封,轨道机动技术以及可重复使用的隔热技术等。下面我们着重讨论它的防热系统和自主返回着陆技术。


在航天飞机完成轨道任务后,在重返大气层时会遇到严酷的气动加热.。为了避免因高速摩擦而升至超过16500C的高温气流,可以损坏机体,因此,在机体外要包覆防热系统。Space Shuttle的防热系统是一个由不同部位采用不同防热材料的复杂系统。它的最高温区即机头锥帽和机翼前缘的峰值温度可达16500C,采用增强的碳纤维增强碳(RCC);较高温区即机身机翼下表面温度为650-12600C,采用高温可重复使用表面隔热材料(HRSI),俗称高温防热瓦;较低温区即机身机翼上表面温度为6500C以下,多采用低温可重复使用表面隔热材料(LRSI),俗称低温防热瓦;在表面温度3700C以下的部位,如机身上表面和机翼上表面的后段以及机身两侧,采用柔性可重复使用表面隔热材料(FRSI,)。Space Shuttle的防热瓦一共有24000块,总重也达8000多千克,加上连接部件等,总重约13200千克,占轨道器总重的19%。对这些防热瓦的外形的相互之间的间隙,都有精准的严格要求,以保持轨道器良好的气动性能和防热性能。另一方面,防热瓦材料质地疏松易碎,给Space Shuttle留下了很大的安全隐患。在多次飞行中,很难确保在上述泡沫塑料或空间碎片撞击后,仍能保证防热瓦完整无损。事实上,NASA对Space Shuttle防热瓦损伤进行了10年跟踪,结果表明平均每次飞行后防热瓦的损伤部位多达25处。另外,航天飞机的防水性能也不够理想,它们在吸水后不仅增加重量,而且更易在加热后胀裂。


X-37B虽然比Space Shuttle小了许多,但是由于它的机身头部和机翼前缘的钝度增大,它在再入时的气动热环境,和Space Shuttle类似,头部和前缘的最高温度约为16270C,大面积的最高温度约为13160C。它的防热材料采用了美国已经发展得较成熟的第二代防热材料。头部和前缘采用了由NASA Ames研究中心研制的韧化的整体纤维的抗氧化的复合材料(TUFROC),它比RCC更轻,但可以做得更厚、传热过程更慢而抗氧化性能更强。在大面积上采用了韧化的整体纤维的绝热材料(TUFI)。在1995年以后, Space Shuttle就部分采用了这种材料。它将表面材料渗透进绝缘层中,增强了防热层的韧性。这种新材料上还分布有一些小孔,以阻止可能发生的裂缝的进一步扩展。此外,作为试验,在舵面上局部还使用了碳/碳化硅的防热材料。由于X-37B采用了较先进的防热系统,不仅大大提高了它在再入大气层时的安全性,而且大大减少了防热系统在地面维护和修理的工作量,从而缩短再次发射所需的准备时间。



X-37B在再入和返回的制导、导航和控制系统采用了比Space Shuttle更先进的计算机,而且重量更轻。其导航系统采用了惯性导航和GPS的组合导航系统,并采用了现代飞机上已成熟的全电子的电传操纵系统。从而,可以实现自主的再入、返回和着陆。由于这些改进,大大提高了飞行的可靠性。着陆时要求着陆速度大于370千米/时,横向风速小于31千米/时。为了促使自主返回着陆技术的成熟,在NASA和空军的联合组织下,早在1998年,就用CH-60直升机,在高度为2745米的高空,对X-40(X-37的缩比试验飞行器),进行了投放试验。在2000年,用CH-47D直升机,在高度为4575米的高空,对X-40,进行了多次投放试验。2006年,美国DARPA又利用商用亚轨道飞行器SpaceShipOne,对X-37A进行了空投试验。

四、X-37B对发展航天飞机的启示




上世纪70年代,美国为了与苏联的载人航天的优势抗衡,美国国会于1972年初,批准航天运输系统采用Space Shuttle方案。历时9年,花费约100亿美元,到1981年4月,美国终于使第一架航天飞机“哥伦比亚”号飞上太空,最后于2011年全部退役。由于缺乏经验和研制工作受经费和进度的限制,Space Shuttle在其运行后,仍存在许多安全隐患。1986年“挑战者”号和2003年“哥伦比亚”号的爆炸解体,都有7名航天员魂留太空,让美国载人航天承受了巨大的挫折。但是,Space Shuttle毕竟是载人航天器突破一次性使用惯例,进入可重复使用阶段的重要标志和创新成果。它的优势就是运载能力大,载重最大可达30吨,同时可以在太空运行的时间最长达到30天。这些优势,使它在国际空间站(ISS)的建设安装中,发挥了不可替代的作用。另一方面,由于设计时很少考虑其运行问题,特别是它外部的防热瓦维护工作十分困难,从而还造成航天飞机具有技术复杂、发射费用和维修成本很高等缺点。据悉,它每飞行一次费用高达5亿美元,让NASA为此不堪重负。NASA在研制成功Space Shuttle后,也花了大量资金来发展空天飞机(NASP)和单级入轨的火箭飞机(X-33和冒险星),但都因要求的技术水平太高而失败。在航天飞机退役后,美国只能租用俄罗斯的载人飞船来向ISS运送航天员。
    NASA早在1999年,就开始执行试验下一代航天飞机新技术的X-37计划。在NASA决定重返月球后的2004年,就将其交给了美国军方,用于发展军用航天飞机技术。在X-37B首次飞行试验成功后,波音公司也曾研究X-37B的增大比例构型,希望能够用其向ISS运送货物和航天员。其目标是提供比波音公司目前正在研制的CST-100载人飞船,有更大的货运能力,以及更长期的载人运输能力。波音公司的计划设想分为三个阶段:第一阶段将利用现在8.8米长的飞行器,进行飞往ISS的验证飞行。第二阶段将研制165%的增大比例的X-37C方案,大约14.3米长,足以向ISS运送更大的载荷,同时降低与航天员往返有关的风险。第三阶段将研制一种能够运送5-7名乘员的载人飞行器。
由于NASA已经决定支持波音公司研制CST-100载人飞船和内华达山脉(SNC)公司的“追梦者”(Dream Chaser)航天飞机,所以NASA并未支持X-37C方案。“追梦者”也是一种类似于X-37B的顶推式小型航天飞机,但它采用了NASA开发的升力体构型。目前“追梦者”的研制工作比较顺利,有望在2021年执行向ISS运货任务。同时我们不难发现,SpaceX公司正在研制的载人登月和载人登火星的“星船”(Starship),正是一种顶推式的超大型航天飞机。此外,由于波音公司决定放弃研制DAPRA的XS-1火箭飞机,因此研制上升段可重复使用的火箭飞机又受挫折。至于水平起飞水平降落的空天飞机,目前还在攻克关键技术,并未进入研制阶段。


X-37B成功和其它顶推式航天飞机的发展,让我们回想起在上世纪80年代后期,我国航空航天界有关我国载人航天是发展飞船还是小型航天飞机的那场争论。首先,国家863计划航天领域(863-2)专家委员会,决定把发展载人空间站系统作为发展载人航天的目标。要建设空间站,当然要决定采用何种运输人员和物资的交通工具(也就是天地往返运输系统)。航天领域天地往返运输系统(863-204)专家组在1987年4月,以招标方式选择了有技术优势的单位,按要求各自论证自己的方案。经过初评后,选取了五种方案进行深入论证和对比分析。这些方案分别是飞船、不带主动力的小型航天飞机、带主动力的航天飞机、两级火箭飞机和两级空天飞机。



“863-204”专家组于1988年7月20日至31日,在哈尔滨召开了评议会。专家们的主导意见是:空天飞机和火箭飞机虽然是未来天地往返运输系统可能的发展方向,但我国目前还不具备相应的技术基础和投资力度,尚不宜作为21世纪初的跟踪目标;带主动力的航天飞机要解决火箭发动机的重复使用问题,难度比较大;可供进一步研究比较的是多用途飞船方案和不带主动力的小型航天飞机方案。专家组统计专家在评审表上的打分后发现,两个方案的得分非常接近。会后,专家委员会在北京召开了一系列的两个方案对比分析会。1989年5月,专家委员会最终确定了“投资较小,风险较小,把握较大”的飞船方案,即利用我国现有的长征2E运载火箭发射一次性使用的载人飞船,作为突破我国载人航天的第一步。
“863—204”专家组于1989年7月完成了综合报告。报告提出了天地往返运输系统由初级到高级两步走的途径:第—步,充分利用我国返回式卫星回收的技术,以较少的经费和较短的周期研制出初期的天地往返运输系统-多用途飞船;第二步,研制先进而经济的天地往返运输系统-两级水平起降的空天飞机,以适应未来空间站大系统发展的需要。
专家委员会通过调研和分析,认识到从飞船到先进天地往返运输系统之间,还必须发展用运载火箭发射的有翼轨道器。其理由是,两级空天飞机的上面级的研制,必须基于有翼轨道器的技术,而跳过这一步直接研制空天飞机,技术风险太大。同时,有翼轨道器比飞船有较大轨道机动能力和较大再入横向机动距离,因此具有较大军用价值。应该说明,现今美国发展的无人军用小型航天飞机X-37B,和当时提出的小型航天飞机方案,也十分相似,只是要求载人而已。
今天看来,我国的载人航天以飞船起步的决策,是完全符合我国国情的。当前,我国的飞船已经在“神舟号”载人飞船的基础上,正在研制和试验重复使用的新一代飞船。此时,我们面对美国的航天飞机正在重出江湖的新形势,我们应呼唤我国的航天飞机,能早日飞向太空为我国航天的发展作出贡献。



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