文/ 黄志澄

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，从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地，由联合发射联盟公司的宇宙神5-501火箭顺利发射升空。这是X-37B的第6次飞行。

航天飞机(space plane) 是以火箭发动机为动力的，可以水平降落的航天运载器。美国研制的世界上第一种航天飞机名叫Space Shuttle，在我国译成“航天飞机”，实际上，它采用的是航天飞机中的一种在上升段由轨道器和助推器、外部燃料箱并联的构型，并不是一个具体的型号名称。空天飞机 (aerospace plane)是在上升段使用包括吸气式发动机在内的组合式发动机、能水平起飞水平降落的航天运载器。显然，X-37B不是空天飞机，而是一个用火箭顶推的小型军用无人航天飞机的试验样机。

虽然Space Shuttle 已退役多年，但在它基础上发展的X-37B这类航天飞机的成功和重复使用航天运载系统的发展动向，让我们感到航天飞机这种航天运载器类型，正在重出江湖，浴火重生。

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在这次任务中首次采用装到飞行器后部的一个服务舱，来装载实验设备，以扩展该航天器的能力，容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空军研究实验室提供经费，由美国空军学院研制的一颗重136千克的小卫星，被称为“猎鹰星-8”。卫星上装载5件科学载荷。X-37B上还携带两件美国宇航局的实验设备，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试验了把太阳能转换成可传输回地面的射频微波能量。

通过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），并已经成功进行了广泛的飞行器技术和有效载荷的试验。

▲ Axiom商业空间站设想图

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轨道倾角有较大改变的机动。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15度。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，让他们无法预测X-37B的轨道。”

4.可以重复使用，但目前最多可重复使用3次。它的地面维护细节不详。

5. X-37B由于有效载荷的重量不大，在轨机动能力有限等原因，它的功能和媒体上所说的“空天战斗机”相差甚远，更不可能一小时打遍全球。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），打下了技术基础。

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 千克，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272千克左右（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：

首先，Space Shuttle是载人的航天飞机，而X-37B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。在军事应用上采取无人的形式，也更加适宜。

其次，Space Shuttle在上升段由两个固体助推器和外部燃料箱，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。这种构型可以避免产生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的气动外形上的最大变化，是将Space Shuttle的中央垂直尾翼，改为两个侧垂尾。这样，既改善了X-37B的偏航性能，也缩小了全机的高度，使其可以放入运载火箭的整流罩内。

第三，X-37B采用了许多在Space Shuttle轨道器上已验证过的技术，但也采用了多顶新技术，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。

▲ X-37B在轨运行

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、导航与控制技术，航空电子系统，高温结构与密封技术，轨道机动技术以及可重复使用的隔热技术等。

▲ X-37B和运载火箭的构型

▲ 美国的Space Shuttle

▲ X-37B的防热系统

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1650摄氏度的高温气流损坏机体，在机体外要安装防热系统。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，其防热瓦一共有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%。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。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有所增大，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1627摄氏度，大面积的最高温度约为1316摄氏度。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美国宇航局阿姆斯研究中心研制的韧化整体纤维抗氧化复合材料（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。机体大面积采用韧化整体纤维的绝热材料（TUFI）。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。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公里/时，横向风速小于31公里/时。为了促使自主返回着陆技术的成熟，在美国宇航局和空军的联合组织下，从1998年到2006年，对X-37的缩比试验飞行器X-40，进行了多次高空投放试验。

航天飞机的新发展

上世纪70年代，为了与苏联的载人航天优势抗衡，美国国会于1972年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，美国第一架航天飞机“哥伦比亚号”终于飞上了太空,最后所有航天飞机于2011年退役。

▲ X-37B返回地面

▲ “追梦者”航天飞机

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，各有7名航天员魂留太空，让美国载人航天遭遇了巨大的挫折。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，造成了Space Shuttle具有技术复杂、发射费用和维修成本都很高等缺点。据悉，它每飞行一次费用高达5亿美元，让美国宇航局不堪重负。美国宇航局在研制成功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Space Shuttle退役后，美国只能租用俄罗斯的载人飞船来向国际空间站运送航天员。

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。一方面，它在国际空间站的建设安装中，发挥了不可替代的作用。另一方面，航天飞机在再入时因有较大的机动能力从而有较大军用价值，以及它的安全、精确和舒适的着陆性能，让航天飞机这种航天运载器类型不会退出历史舞台。

美国宇航局早在1999年就开始执行试验下一代航天飞机新技术的X-37计划。在决定重返月球后的2004年，将其交给了美国军方，用于发展军用航天飞机技术。X-37最初被设计为一种载人航天技术的试验飞行器，后来美国空军将其改成试验军事航天技术，因此显得有点先天不足。

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165%的构型X-37C方案，希望能够用其向国际空间站运送货物和航天员。由于美国宇航局已经决定支持波音公司研制CST-100载人飞船和内华达山脉公司的“追梦者”小型航天飞机，所以并未支持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，但它采用了美国宇航局开发的升力体构型。目前“追梦者”的研制工作比较顺利，有望在2021年执行向国际空间站运货任务。同时我们不难发现，太空探索技术公司正在研制的载人登月和载人登火星的“星船”,虽然目前的方案是垂直的顶推式发射和垂直的反推式着陆，但其再入大气层和Space Shuttle十分相似。目前各国正在研究的完全重复使用的航天运载器，无论是两级入轨的火箭飞机，还是两级入轨的空天飞机，其上面一级也都是带主动力的有翼轨道器。从上述动向来看，航天飞机这种航天运载器类型，正在浴火重生。

▲ “星船”航天器

X-37B的启示

上世纪80年代后期，我国航空航天界曾对我国载人航天是发展飞船还是小型航天飞机，进行过争论。首先，863计划航天领域专家委员会，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天地往返运输系统。为此，选取了5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。

经过多次评审，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；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。在对这两个方案进行深入对比分析后最终确定了“投资较小，风险较小，把握较大”的飞船方案，即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。对于未来的发展，建议瞄准两级水平起降的空天飞机。

实际上，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的再入横向机动距离，因此具有较大军用价值。应该说明，当时提出的小型航天飞机方案，十分相似于X-37B，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”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，特别是面对我国在太空安全方面的严重挑战，我们应呼唤我国的航天飞机能早日飞向太空，为我国航天发展和太空安全作出贡献。