美軍X-37B空天飛機偵察監視任務分析

鞏義權 謝永杰 牛龍飛 劉剛

（1 國防大學聯合勤務學院 2 中國人民解放軍32112部隊）

2019年10月27日，X－37B第5架次“軌道試驗飛行器”（OTV－5）在肯尼迪航天中心自主返回著陸，這次飛行長達780天，打破了上一架次在軌718天的紀錄。時隔近7個月后，美國又于2020年5月17日進行了X－37B的OTV－6發射，本次試驗飛行器攜帶的載荷更多，計劃開展的空間試驗內容更多[1]，預計駐空時間更長。在X－37B進行第6架次發射之際，本文對其前5次發射進行了回顧和總結，并重點分析了其可能承擔的空間偵察任務。

1 X－37B項目總體情況

X－37B項目最初為美國國家航空航天局（NASA）的一個技術試驗平臺，2004年轉給美國國防高級研究計劃局（DARPA），后又于2006年轉給美國空軍，旨在開發一種垂直火箭發射、太空機動飛行、機場自主降落、可重復使用的無人駕駛空天飛行器。項目“機群”由2架已知的可重復使用飛行器組成，共完成6次飛行任務，其中OTV－1、OTV－3、OTV－5屬 于 同 一 架，OTV－2、OTV－4、OTV－6屬于另外一架。這2架在軌試驗飛行器均由美國波音公司（Boeing）研制，其外形長8.8m、高2.9m、翼展4.6m，發射質量約5t，可搭載有效載荷約227kg，使用砷化鎵太陽電池翼和鋰離子充電電池作為能源，由四氧化二氮和一甲基肼作為推進劑。自2010年4月美軍首架X－37B OTV－1發射以來，共計有6架次X－37B試驗飛行器發射并入軌飛行，除正在進行空間試驗飛行的OTV－6外，前5架次累計在軌飛行時間2865天。從前5次飛行情況來看，在軌飛行周期跨度224～780天，每次飛行試驗主要目的有所區別。回顧20世紀80年代開始的美國航天飛機計劃，共發射“哥倫比亞”（Columbia）、“挑戰者”（Challenger）、“發現”（Discovery）、“阿特蘭蒂斯”（Atlantis）和“奮進”（Endeavor）5架航天飛機，其軌道飛行器約長37.2m、高17.3m、翼展29.8m。這5架航天飛機共發射135次，總共留軌時間只有352天[2]。

X－37B作為試驗平臺，根據每次搭載的有效載荷不同，試驗內容會發生很大變化，其試驗的技術可能包括先進小傳感器技術、衛星異變技術（異化衛星結構，改變衛星功能）、通信中繼技術等[3，4，5，8]。

通過對比分析，X－37B空天飛機突出特點：一是可天地往返重復使用，具備自主導航控制、高速再入和著陸能力；二是大范圍機動變軌，攜帶多臺機動發動機，可快速調整自身軌道高度和傾角；三是可長期在軌運行，能夠持續在軌巡航，復飛間隔短，數天甚至數小時后就可再次起飛；四是配備天基模塊化多用途平臺，每架次可以搭載不同載荷，提供一種“在軌實驗室”測試環境，以驗證新技術和新組件[4]；五是發射費用低，每次的發射費用僅是航天飛機或一次性火箭的幾十分之一；六是靈活性強，可快速機動發射，入軌后擇機將小衛星、空間站組件等送入太空軌道，并將其向任何方向發射，且發射不受軌道要求限制，可快速響應太空事件。X－37B集飛機、運載器、航天器等多重功能于一身，既能在大氣層內做高超音速飛行，又能進入太空軌道運行，展現出未來空天戰斗機的雛形。

2 X－37B軍事用途分析

自X－37B空天飛機發射以來，其執行任務內容屬美軍絕密，但通過分析X－37B在軌飛行時的成像觀測數據，以及國際觀測站公開圖像，可以推斷X－37B主要擔負空間偵察監視、空間攻防對抗和空間裝備保障任務。

1）空間偵察監視。X－37B具備靈活機動的變軌能力，在軌飛行中每周都會細微調軌，并視情況進行靈活變軌，從而對目標區域反復進行抵近詳查，隨時掌握作戰地區敵情變化。與普通偵察衛星相比，具有更大的靈活性、更廣的活動空間、更好的實時性，以及更強的綜合偵察能力。同時，通過戰時變軌實現應急補網，能夠執行靈活多變的臨機偵察任務，并且可用于應對擁有一定反衛星能力的國家。搭載的光電、雷達載荷亦可自由地偵察空間軌道飛行器，不受時間和空域限制。

2）空間攻防對抗。全球快速打擊和空間威懾一直是美軍重點發展的“非核威懾”能力，X－37B將成為支撐這兩大能力的重要武器。隨著微電子技術發展和武器小型化推進，X－37B可作為多樣化天基任務平臺，搭載機械臂、激光、微波、動能、導彈等軟硬殺傷武器和控制系統，具備戰時對他國衛星、各類航天器甚至地球表面目標進行跟蹤、干擾、俘獲、摧毀等軍事行動能力。X－37B既能在外太空巡航，又能通過軌道機動出其不意到達目標上空，甚至進入大氣層執行打擊任務，將使美軍真正實現“兩小時全球打擊能力”。未來，一旦多架X－37B發射成功，多機在軌飛行將進一步促進美軍開展空間操控和太空戰戰法演練，其作戰潛力不容小覷。

3）空間裝備保障。作為多功能平臺，X－37B亦可裝載能源和各種空間裝備必要零部件。其搭載的偵察監視設備可以收集或確認其他觀測設備發現的空間裝備受損情況，經過分析需要裝載的零部件和燃料缺口，制定保障計劃，完成地面準備，下一架次X－37B入軌后可依次接近待保障裝備，開展保障活動。例如，通過在X－37B上開艙釋放微小機器人或操作機械臂，可對受損裝備進行維修，也可對衛星等進行能源補充，從而延長空間裝備服役時間。通過一次發射可以完成多個裝備保障任務，極大地提高了效率、節約了成本。

另外，X－37B將深度改變美軍航天裝備作戰試驗流程，使新航天裝備部件放到太空真實環境下進行試驗成為可能，打破了以往航天裝備作戰試驗只能在整裝發射后開展的困境，總體上提升了美軍航天裝備發展效率，降低了成本[6]。

3 偵察監視任務分析

X－37B已展開了近10年的在軌飛行和應用探索，多次試驗偵察監視技術及載荷，技術積累比較成熟，具備了較強的偵察監視能力。雖然美軍多次強調，X－37B只是試驗平臺，但這種說法缺乏說服力[7]。因為如果先進偵察載荷或其他先進技術在X－37B上試驗取得成功，意味著這些技術最適合的平臺一定包括X－37B，甚至能將X－37B集成偵察技術、推進技術、打擊武器和通信技術等各種先進技術進行量產，從而形成戰斗力。

X-37B 偵察監視技術基礎

一是軌道機動。X－37B有成熟的軌道機動系統/反作用控制系統（OMS/RCS），主發動機推力高達29kN，并且能攜帶足夠燃料，具備大范圍軌道機動結構基礎。已經成功試驗軌道面內和異面變軌技術，且不同軌道高度差達到170km[8]。這種能力將使其可以縮短特定目標的重訪周期，也可以在1個周期內觀察多個不同面星下點，還可以擺脫對手監視，進行隱蔽偵察[9]。這也意味著它可以出現在近地軌道任意合適位置，同時其高精度軌道保持技術為高精度偵察監視提供了穩定平臺。

二是先進偵察載荷。X－37B 的實驗艙可搭載多種小型觀測傳感器（質量小于227kg）進行在軌試驗，包括雷達、光學、紅外和信號/電子偵察等試驗設備。這些偵察監視載荷以模塊化方式固定在X－37B平臺上，方便安裝和卸載，實現了小型化，滿足實驗艙體積和載重限制。與現有偵察衛星不同，X－37B運行軌道較低，在尺寸小型化的同時保持了高精度。當X－37B打開背艙時，這些載荷便可以在空間開展工作。由于可以搭載多種傳感器快速發射或機動，因此X－37B 也可以按照“作戰響應空間”（ORS）的要求，對一些緊急或作戰事件進行快速響應[10]。

X－37B 地球監視活動

當X－37B倒開背艙時（X－37B翻轉并以背部朝向地面飛行），其搭載的空間偵察監視載荷可以對地球進行觀測。以前兩次飛行為例，OTV－1初始軌道高度400km，軌道傾角40°，近圓軌道，在軌期間進行了多次軌道面內機動，飛行試驗軌道高度280～450km；OTV－2初始軌道高度325km，軌道傾角42.8°，在軌期間不僅進行了軌道面內的機動，而且還進行了2次異面軌道機動，軌道機動高度為280～333km，近圓軌道。

從OTV－1 和OTV－2 的軌道選擇來看，其具有明顯的回歸特性。這一軌道特性通常有兩個作用，一是便于隨時返回地面；二是適合于空間對地偵察。特別是OTV－2選擇的2天31圈回歸軌道，每2天就可重復覆蓋同一地區。OTV－1和OTV－2飛行試驗初始軌道和機動差異較大，OTV－1初始軌道高度約400km，入軌后進行了5次軌道面內機動，軌道高度差達到170km；OTV－2初始軌道高度約325km，入軌后軌道面內調整量很小，主要是進行軌道維持，使得軌道保持較好的回歸性。對于執行高精度對地觀測等特殊任務的航天器，軌道保持精度直接影響任務效果。在2011年4月之后，OTV－2軌道半長軸基本保持不變，這使得OTV－2具備高精度對地觀測的條件。相比OTV－1，OTV－2飛行試驗軌道傾角增加了2°。這一軌道面調整，使得星下點軌跡從OTV－1的覆蓋朝鮮大部地區，擴大至OTV－2的覆蓋朝鮮全境。同時，該傾角使得X－37B星下點覆蓋了中東、朝鮮、伊朗和中國等美國關心的熱點地區，進一步印證了OTV－2任務之一是進行高精度對地觀測這一推測。

X－37B 空間監視活動

X－37B偵察監視載荷對太空監視工作示意圖

X－37B位于低地球軌道，背部艙口朝上打開時，搭載的偵察載荷可以對太空目標進行偵察監視。一是監視高軌目標，這與空間目標監視衛星工作原理類似，因為具備更高的機動性，無論是在偵察距離上，還是在偵察角度上，它比空間目標監視衛星更具有靈活性；二是監視低軌目標，對于超出載荷工作角度范圍的側方位目標，既可以調整姿態使其納入觀察角度，也可以采取抵近詳查的方式進行監視。X－37B可以補充空間目標監視系統網絡縫隙，也可以直接融入天基空間目標監視系統，甚至多架X－37B組成監視網絡，增強美國空間感知能力。

4 總結

對全世界而言，X－37B的活動一直像謎一樣充滿未知，引發了航天相關從業者的各種猜測。隨著對美國X－37B進行持續觀測，積累其光學、雷達等目標特性和飛行軌道數據，其機動變軌規律和在軌飛行任務逐步變得明晰。通過對觀測數據進行分析可以看出，X－37B飛行活動擁有典型的軍事特征，具備成為美軍下一代主要偵察監視武器的可能，這將增強美軍控制太空能力，甚至會深刻改變未來太空格局，值得各界給予充分關注。