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石豪:空天飞机、高音速武器或太空战斗机?别再迷信美国X-37B了
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。
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本文仅代表作者个人观点。
- 责任编辑: 朱敏洁 
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