美太空軍X-37B裝備應(yīng)用模式解析

彭振忠

X-37系列軌道機(jī)動飛行器是波音公司幻影工作室為美軍設(shè)計(jì)的一種可重復(fù)使用、多用途和無人駕駛軌道機(jī)動飛行器。截至2021年1月，X-37系列共經(jīng)歷了3次改型和6次軌道飛行，3次改型分別是X-37A、X-37B、X-37C，在太空中停留已經(jīng)超過2865天。X-37系列均采用火箭垂直發(fā)射進(jìn)入太空近地軌道，自動水平滑行降落在機(jī)場。目前，美軍已經(jīng)設(shè)計(jì)建造了1架X-37A和2架X-37B，投入軌道運(yùn)營且最為成熟的型號是X-37B。

發(fā)展歷程

1998年-2001年，美國航空航天局（NASA）“未來-X”計(jì)劃選擇波音綜合防務(wù)系統(tǒng)公司設(shè)計(jì)建造用于替換航天飛機(jī)的可重復(fù)使用運(yùn)載器。波音公司設(shè)計(jì)建造了X-40A太空機(jī)動飛行器，并于1998年和2001年成功進(jìn)行了9次飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、導(dǎo)航制導(dǎo)系統(tǒng)的有效性。

1999年-2004年，在美國NASA“未來-X”計(jì)劃支持下，以X-40A等比放大120%為基礎(chǔ)，NASA、美空軍和波音公司共同設(shè)計(jì)制造原型機(jī)X-37，NASA的早期目標(biāo)是用于在軌衛(wèi)星維護(hù)。

2004年9月，X-37計(jì)劃由NASA移交給美國防高級研究計(jì)劃局（DARPA），并列為美軍方機(jī)密項(xiàng)目。

2005年6月-2006年3月，X-37A從加州莫哈維太空港起飛，由白騎士完成搭載測試飛行。X-37A隨后進(jìn)行了結(jié)構(gòu)升級，包括加固其前輪支撐。

2006年4月，X-37A進(jìn)行了首次自由滑翔飛行，在著陸過程中，飛行器翻越了跑道，并受到了輕微的損傷。

2006年11月，美國空軍宣布從NASA的X-37A發(fā)展出變型機(jī)X-37B軌道試驗(yàn)飛行器。X-37B由DARPA、美空軍、NASA領(lǐng)導(dǎo)，由波音公司作為總承包商設(shè)計(jì)建造。時(shí)任美空軍部長表示，X-37B將側(cè)重于“降低風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)驗(yàn)和為可重復(fù)使用的空間飛行器開發(fā)新的作戰(zhàn)概念，以支持空間能力發(fā)展的長期目標(biāo)”。X-37B原計(jì)劃于航天飛機(jī)載荷艙內(nèi)發(fā)射，由于哥倫比亞航天飛機(jī)失事，后由阿特拉斯-5?501型運(yùn)載火箭搭乘發(fā)射。

2010年，完成了X-37B二號機(jī)的制造工作，并于2011年3月進(jìn)行了首次發(fā)射任務(wù)（OTV-2），OTV-2任務(wù)共進(jìn)行了468天14小時(shí)。

2012年12月，X-37B一號機(jī)在卡納維拉爾角SLC-41發(fā)射工位由阿特拉斯-5發(fā)射進(jìn)入低地軌道，執(zhí)行X-37B第3次軌道飛行任務(wù)，在軌釋放了美空軍USA-240衛(wèi)星載荷，在軌運(yùn)行674天22小時(shí)后降落在范登堡空軍基地。

2015年5月，X-37B二號機(jī)在卡納維拉爾角SLC-41發(fā)射工位由阿特拉斯-5發(fā)射進(jìn)入低地軌道，執(zhí)行X-37B第4次軌道飛行任務(wù)，將美空軍AFSPC-5和USA-261有效載荷射入軌道，并試驗(yàn)了洛克達(dá)因公司為極高頻通信衛(wèi)星計(jì)劃研制的XR-5A霍爾推進(jìn)器和NASA的諸多先進(jìn)材料，第4次任務(wù)在軌運(yùn)行717天20小時(shí)后，于2017年5月降落于肯尼迪航天中心航天飛機(jī)著陸場。

X-37B三視圖

2017年9月，X-37B在肯尼迪航天中心LC-39A發(fā)射工位由獵鷹-9運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入低地軌道，執(zhí)行X-37B第5次軌道飛行任務(wù)。據(jù)報(bào)道，飛行的一個(gè)實(shí)驗(yàn)是先進(jìn)結(jié)構(gòu)嵌入式熱擴(kuò)散器，以測量振蕩熱管的性能。第5次飛行任務(wù)在軌運(yùn)行779天19小時(shí)，于2019年10月27日降落在肯尼迪航天中心航天飛機(jī)著陸場。

2020年5月，X-37B在卡納維拉爾角SLC-41發(fā)射工位由阿特拉斯-5運(yùn)載火箭發(fā)射進(jìn)入低地軌道，執(zhí)行X-37B第6次軌道飛行任務(wù)。該次發(fā)射首次由美太空軍負(fù)責(zé)執(zhí)行，包括3項(xiàng)試驗(yàn)：一是負(fù)責(zé)評估NASA選定的材料對太空環(huán)境的反應(yīng);二是NASA負(fù)責(zé)研究環(huán)境空間輻射對種子的影響;三是評估由美海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）設(shè)計(jì)，將太陽能轉(zhuǎn)化為射頻微波能量，然后將這種能量傳輸?shù)降厍虻脑O(shè)備。第6次軌道飛行任務(wù)中釋放了美空軍學(xué)院和美空軍研究實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的USA-300小衛(wèi)星。

目前，X-37B的地面機(jī)庫位于肯尼迪航天中心的軌道器處理設(shè)施（OPF）1號、2號機(jī)庫、美空軍加州范登堡空軍基地和美空軍卡納維拉爾角的發(fā)射基地。在地面機(jī)庫，X-37B被裝上絕密的有效載荷，和其適配器一起被放入火箭整流罩內(nèi)，被運(yùn)送到發(fā)射場。

降落在美國各地的三個(gè)地點(diǎn)之一進(jìn)行：肯尼迪航天中心的航天飛機(jī)降落場、范登堡空軍基地或愛德華茲空軍基地。為了返回肯尼迪航天中心，X-37被放入有效載荷罐，并裝入波音C-17貨機(jī)。一旦到了肯尼迪，X-37就被卸下并拖到OPF，在那里為下一次飛行做準(zhǔn)備。

結(jié)構(gòu)能力解析

與早期X-37和X-37A不同，美太空軍X-37B經(jīng)過了大量的優(yōu)化改進(jìn)。X-37B長8.92米，翼展4.55米，高2.9米，最大起飛重量4.99噸，主發(fā)動機(jī)采用單臺洛克達(dá)因公司AR-2/3發(fā)送機(jī)，推進(jìn)劑采用高濃度過氧化氫/煤油，電力系統(tǒng)采用帶有鋰離子電池的亞化硅太陽能板。根據(jù)美空軍和美太空軍發(fā)布的官方信息測算，X-37B前部和后部燃料箱總?cè)莘e在2立方米左右，能夠容納1噸的燃料。

X-37B使用了諸多先進(jìn)技術(shù)，包括基于航空電子的自動離軌和著陸系統(tǒng);電動機(jī)械驅(qū)動的飛行控制和制動系統(tǒng);采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，摒棄了原來的鋁制結(jié)構(gòu)框架;新一代高溫機(jī)翼前緣和增韌耐火氧化陶瓷瓦;先進(jìn)可重復(fù)使用保形隔熱層。先進(jìn)的技術(shù)、總體布局和分系統(tǒng)，還有美國商業(yè)航天的快速發(fā)展使得X-37B擁有了諸多優(yōu)勢和能力。

X-37B結(jié)構(gòu)解析

第一，快速垂直發(fā)射和水平降落能力。目前，美太空軍擁有至少2架X-37B，并計(jì)劃發(fā)展X-37C型號，隨著商業(yè)運(yùn)載能力的提升，X-37B已經(jīng)選定聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟阿特拉斯-5運(yùn)載火箭和太空探索技術(shù)公司（SpaceX）獵鷹-9運(yùn)載火箭作為常用搭載平臺，常態(tài)化的發(fā)射技術(shù)保證了單架X-37B擁有少于7天的發(fā)射間隔，考慮多架X-37B，其發(fā)射周期將短于3天。

第二，長時(shí)在軌多次機(jī)動變軌能力。燃料艙能夠載有超過1噸的推進(jìn)劑，能夠維持至少700天以上的在軌運(yùn)行時(shí)長，第5和第6次軌道飛行任務(wù)在軌時(shí)間均超過了710天。

第三，搭載眾多空間傳感器和武器的能力。X-37B具有超過2立方米的容積，能夠搭載包括多種衛(wèi)星載荷、機(jī)械臂和天基武器在內(nèi)諸多載荷。在已經(jīng)完成5次軌道飛行任務(wù)，根據(jù)公開信息，X-37B已經(jīng)完成了6次衛(wèi)星軌道釋放任務(wù)和多次空間試驗(yàn)，其靈活性和運(yùn)載力圓滿達(dá)到了美軍的需求。

應(yīng)用場景解析

自2019年12月，美太空軍正式成立，美軍已經(jīng)加速太空軍事化和武器化進(jìn)程。目前，X-37B已經(jīng)轉(zhuǎn)由美太空軍負(fù)責(zé)，作為美太空軍的王牌，其擁有顛覆未來太空戰(zhàn)的潛力。

作為空天武器機(jī)動運(yùn)載平臺。作為太空武器平臺，X-37B具有機(jī)動變軌難以偵測的優(yōu)點(diǎn)，為美太空軍、空軍和情報(bào)界提供了一個(gè)非常靈活的、可重新配置的資產(chǎn)，其有效載荷可以返回到指定的安全地點(diǎn)，以進(jìn)行物理分析和科學(xué)研究。2019年7月，時(shí)任美空軍部長希瑟·威爾遜表示，當(dāng)X-37B處于橢圓軌道時(shí)，它可以在近地點(diǎn)利用稀薄的大氣層進(jìn)行軌道改變，防止一些觀察者暫時(shí)發(fā)現(xiàn)新的軌道，從而允許進(jìn)行秘密活動。2010年5月，太空問題專家湯姆·伯哈特在《太空日報(bào)》上指出，X-37B可能被用作間諜衛(wèi)星或從太空運(yùn)送武器平臺。

X-37B展開太陽能板和艙門，進(jìn)行充電和在軌任務(wù)

作為空間態(tài)勢感知機(jī)動平臺。X-37B自身可攜帶諸多空間傳感器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對敵空間在軌衛(wèi)星、空間站、星座等的有效監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)對陸地指定區(qū)域的有效預(yù)警，實(shí)現(xiàn)對己方有效資產(chǎn)的在軌維護(hù)、軌道轉(zhuǎn)移等任務(wù)。2014年10月，《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道了太空安全專家的說法，即X-37B被用來測試偵察和間諜傳感器，特別是它們?nèi)绾蔚钟椛浜推渌壍劳{方面。2012年1月，有人指控X-37B被用來監(jiān)視中國的天宮一號空間站，美空軍前軌道分析員布賴恩·威登后來駁斥了這一說法，強(qiáng)調(diào)兩個(gè)航天器的不同軌道排除了任何實(shí)際的監(jiān)視飛越。

作為先進(jìn)空間技術(shù)驗(yàn)證平臺。X-37B最初由NASA研發(fā)，后轉(zhuǎn)由美軍負(fù)責(zé)，其保有強(qiáng)大的科學(xué)研究和技術(shù)驗(yàn)證的能力。X-37B在第4次飛行中測試洛克達(dá)因公司的霍爾效應(yīng)推進(jìn)器系統(tǒng);第5次軌道飛行任務(wù)試驗(yàn)了先進(jìn)結(jié)構(gòu)嵌入式熱擴(kuò)散器;并在多次飛行任務(wù)中試驗(yàn)了包括先進(jìn)材料、農(nóng)業(yè)育種等多項(xiàng)科學(xué)研究與技術(shù)驗(yàn)證工作。

責(zé)任編輯：張傳良