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石豪:空天飛機(jī)、高音速武器或太空戰(zhàn)斗機(jī)?別再迷信美國(guó)X-37B了
迄今為止,X-37B總共執(zhí)行了6次任務(wù),全部是軌道飛行任務(wù),時(shí)長(zhǎng)從半年到兩年不等。從X-37B的別稱“軌道測(cè)試飛行器”(Orbital Test Vehicle, OTV)也能看出端倪——X-37B是為軌道飛行準(zhǔn)備的,而非臨近空間高超音速飛行。
最后,從波音X-37B的總工程師Arthur Grantz于2011年發(fā)表的文章來看,X-37B及其原型機(jī)的設(shè)計(jì)初衷,是由于航天飛機(jī)的軌道飛行時(shí)間只有10天左右,無法完成許多需要長(zhǎng)時(shí)間留軌并返回地面的試驗(yàn)。隨著航天飛機(jī)退役,聯(lián)盟號(hào)飛船在搭載宇航員后的額外運(yùn)載能力有限,這種能力缺口變得尤為明顯。
在X-37B的設(shè)計(jì)中,研究人員也將其與航天飛機(jī),而不是高超音速飛行器對(duì)比:
X-37B是一種很好的熱防護(hù)驗(yàn)證平臺(tái) | 圖片來源:Arthur Grantz@Boeing
因此可以說,X-37B確實(shí)不是一種高超音速武器。
問:X-37B真是太空戰(zhàn)斗機(jī)嗎?
要回答這個(gè)問題,我們先要看一看太空戰(zhàn)斗機(jī)與大氣層內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)的區(qū)別。
說起戰(zhàn)斗機(jī),我們首先想到的,可能是殲-20或者F-22這樣的飛機(jī),它們擁有卓越的氣動(dòng)設(shè)計(jì),澎湃的動(dòng)力,先進(jìn)的飛控,強(qiáng)大的雷達(dá),還能夠像鬼魅般在敵方雷達(dá)體系中潛行。
F-22戰(zhàn)斗機(jī) | 圖片來源:Rob Shenk
這樣的戰(zhàn)斗機(jī),能夠輕易改變自己的飛行軌跡和飛行姿態(tài),在戰(zhàn)斗中搶占先機(jī)。
但太空戰(zhàn),是一個(gè)完全不同的領(lǐng)域。
在地球軌道上,任何物體的軌道都可以大體看做與地球引力中心的“二體問題”,會(huì)有各種小擾動(dòng),但是大差不差。航天器的地球軌道可以用六個(gè)軌道根數(shù)完全表征,又叫軌道六要素。
圖片來源:彭成榮@中國(guó)空間技術(shù)研究院
看起來很復(fù)雜,其實(shí)對(duì)太空戰(zhàn)斗機(jī)來說,核心只有一個(gè):太空作戰(zhàn)有自己的軌道,活動(dòng)范圍在幾千到幾萬千米,想要改變軌道就要付出很大的代價(jià)。
與此相比,大氣層內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)的活動(dòng)范圍只有幾十到幾百千米,還可以充分利用大氣層產(chǎn)生升力。
大氣層內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)是戰(zhàn)術(shù)武器,而太空戰(zhàn)斗機(jī)的活動(dòng)范圍,是戰(zhàn)略級(jí)別的。
自由是要付出代價(jià)的。
物理定律將太空戰(zhàn)斗機(jī)自由機(jī)動(dòng)、自由改變每一個(gè)軌道根數(shù)的代價(jià)都標(biāo)好了價(jià)格。
這個(gè)價(jià)格就是ΔV——速度增量。每一次獲得速度增量,都會(huì)根據(jù)太空戰(zhàn)斗機(jī)的質(zhì)量轉(zhuǎn)化為推進(jìn)劑消耗,并最終累加到發(fā)射成本上。
對(duì)于改變軌道高度,改變?cè)谲壍烂鎯?nèi)位置等常規(guī)操作而言,太空戰(zhàn)斗機(jī)和普通衛(wèi)星并沒有差別。
而對(duì)于改變軌道面與地球赤道面夾角——軌道傾角,則需要很大的速度增量,只能在大氣層外飛行的普通衛(wèi)星就要消耗巨量的推進(jìn)劑。
也許太空戰(zhàn)斗機(jī)可以飛入大氣層,巧妙利用大氣阻力完成軌道傾角的轉(zhuǎn)變?
我國(guó)科學(xué)家曾經(jīng)專門對(duì)此進(jìn)行了模擬仿真,用的就是X-37B的氣動(dòng)模型。
圖片來源:左光(等)@北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心
結(jié)果,大氣變軌所需的速度增量反而比普通衛(wèi)星還多。
圖片來源:左光(等)@北京空間技術(shù)研制試驗(yàn)中心
當(dāng)然,根據(jù)美國(guó)的文獻(xiàn),在傾角改變量大于10度時(shí),氣動(dòng)變軌是可以優(yōu)于傳統(tǒng)衛(wèi)星的沖量變軌的。
圖片來源:Anil V. Rao(等)@University of Florida
但仔細(xì)一看,氣動(dòng)變軌所需的速度增量依然在1000m/s以上,這對(duì)于X-37B的小身板來說,實(shí)在是太難為它了。
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本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)。
- 責(zé)任編輯: 朱敏潔 
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