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航天飞机成功飞行后,世界各国一直在推动新一代可重复使用天地往返系统(以下简称“可重复使用”)的研究和探索。X-37B一飞冲天,国内外舆论的反响可谓一石激起千层浪。X-37B因其尺寸仅为航天飞机的四分之一,被不少媒体称为小航天飞机,又因其高度机密的军事背景,被更多媒体称为太空无人战机。其实2010年4月22日所发生的一幕,是在技术铺垫和研发积累的“可重复使用”的发展背景下,X-37B迈出的轨道试验艰难的第一步,是在战略转型和双管齐下的“军事化应用”的发展背景下,X-37B迈出的太空多任务平台雏形的第一步。
技术铺垫和研发积累的
也许人们难以理解,航天飞机早在1981年就开创了部分可重复使用天地往返系统的先河,为什么迟至29年后的今天,才迎来新一代“可重复使用”继往开来的轨道试验的第一步。其实航天飞机成功飞行后“可重复使用”的发展,经过了无知无畏到有知有畏的历程。例如美国X-33计划的无畏挑战和探索实践,以12.68亿美元的代价提升了对“可重复使用”技术关键和风险的客观认知。29年来世界各国“可重复使用”的计划可谓层出不穷,随着一个个计划不断被推出展开,“可重复使用”的发展很快进入了相伴而生的有知有畏的阶段,一个需要冷静铺垫和积累的阶段,一个最能考验勇气和韧劲的阶段。因为从旁观者的角度看“可重复使用”,一方面“可重复使用”的研究和探索,因关键技术和经济性的难度而进展缓慢,甚至欲行又止;另一方面“可重复使用”的战略价值的愿景,始终持续推动新的研究探索而欲罢不能一唯恐因技术铺垫和研发积累的不足,在终将形成气候的“可重复使用”的航天领域,错失应有的强势地位。
“可重复使用”跨入实质进展阶段的门槛是轨道演示验证试验,这次X-37B价值就在于轨道试验机的第一次试飞。
X-37B轨道试验首飞日程的预告曾经“狼来了”三回,第一回预告是2008年初;第二回预告是2008年底,当时为给X-37B让道,月球探测卫星推迟至2009年初发射;第三回预告是2009年2月26日,不料过了预定日期却迟迟未见动静——究竟是好事多磨,还是另有隐惰,后航天飞机时代的“可重复使用”还“后继有机”吗;又隔了一年有余,才迎来了2010年4月19日试飞的第四回预告,颇为庆幸的是这次仅推迟了三天,X-37B终于于4月22日成功飞天,而且推迟的原因只是为确保发现者号航天飞机在肯尼迪航天中心顺利返航。
战略转型和双管齐下“军事化应用”发展背景
“基于威慑”转型为“基于能力”,即基于核威慑转型为基于强势的非核军事能力,是美国军事航天战略转型的重要理念之一。在确保核威慑绝对优势的前提下,有限削减现有核武器装备可以达到两个目的,一是诱导世人相信其推动无核世界的终极构想,二是集中财力和资源强化非核军事能力,包括太空非核军事能力的绝对霸主地位。
美国庞大的太空军事资产和难以逆转的太空武器计划,早已是既成事实,确立太空非核军事能力的绝对霸主地位,唯缺乏具有整合能力的太空多任务平台和柔性的发射能力。正如美国参议员鲍伯·史密斯所言,“谁控制了太空,谁就控制了地球的命运。美国缺乏太空控制的技术和能力,缺乏柔性的发射能力。”而可重复使用的航天器/太空多任务平台可以弥补美国所缺乏的太空控制的技术和能力,部分可重复使用的运载器可以弥补美国所缺乏的柔性的发射能力。
在美国军事航天战略转型的大背景下,美国空军正致力于“可重复使用”军事化应用的双管齐下的发展策略,同时研发在近期更现实可行的两大单元——可重复使用的轨道航天器/太空多任务平台和部分可重复使用的运载器。
美国空军可重复使用天地往返系统的军事化应用的原理如下:
部分可重复使用的运载器由可重复使用的助推器系统和一次性使用的上面级组成,助推器系统采用垂直发射的方式,到达亚轨道既定高度后自动分离,随即启动一次性使用的上面级,将可重复使用的航天器/太空多任务平台或其他有效载荷送入轨道。可重复使用的助推器系统自主机动返回,再入大气层和自动进场着陆,然后经过(转场)-检测-维护-清洗-复新-总装-测试-取证等过程,进入下一次发射的准备程序。可重复使用的航天器/太空多任务平台在完成指定时间段的军事任务后,再人大气层和自动进场着陆,然后经过(转场)-检测-维护-清洗-复新-测试-取证等过程,进入下一次军事任务的准备程序。
美国空军可重复使用天地往返系统的军事化应用的计划轮廓从2006年起开始清晰。
2006年美国空军从国防部高级研究计划局接手X-37计划后,即宣布将改变原美国宇航局的X-37A计划,成为注入新的军事生命的X-37B计划,并以可重复使用的军事航天器/太空多任务平台的发展模式,全力筹划称为X-37B的轨道试验机的第一次试飞。在部分可重复使用的运载器实际应用之前,X-37B由一次性运载火箭宇宙神-5发射升空。
2006年美国空军分别授予诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司、安德鲁斯航天公司和轨道科学公司,有关混合运载器(HLV)的研究合同,合同涉及部分可重复使用运载器的概念研究。2007财年国防授权法案,中止了与混合运载器相关联的(ARES)计划。
2010年美国空军不变初衷,重新明确规划了“可重复使用助推器系统”(RBS)技术演示验证的系列计划。作为部分可重复使用运载器的核心技术,“可重复使用助推器系统”与“混合运载器”在技术内涵上是一脉相通的。如进展顺利第一个用于演示验证的RBS“探路者”,将于2013年进行试验。RBS系列计划所设定的经济性目标为发射成本减半,其前提是年发射频度不低于8次。
X-37B迈出了太空多任务平台雏形的第一步
与其说X-37B是太空战机的雏形,不如说是具有潜在整合能力的太空多任务平台的雏形,因为军方所关注的已不是传统的战机的概念,而是能承担控制太空使命的多任务平台的战略价值。例如美国航天司令部2006财年及之后的战略主导计划,强调太空军事使命的四大领域:太空力量增强(SFE)、太空支持(SS)、太空对抗(CS)和太空力量应用(SFA)。在战略转型和双管齐下的“军事化应用”的发展背景下,X-37B迈出了太空多任务平台雏形的第一步。X-37B有可能通过以下潜在的整合能力成为承担控制太空使命的多任务平台:
侦察监视预警的整合能力——成为太空力量增强的平台
快速补充的整合能力——成为太空支持的平台
防御性对抗和进攻性对抗的整合能力——成为太空对抗的平台
敏捷全球打击的整合能力——成为太空力量应用的平台
X-37B确保首次试验成功的务实理念
X-37B计划吸取了航天飞机和X-33的经验教训,在发展策略上更讲究务实渐进和适度挑战。例如为确保首次轨道试验一举成功,X-37B的热防护系统(TPS),注重把握适度技术挑战和尽量采用成熟技术。X-37B的热防护系统的选材,全部采用先进成熟的美国专利技术。在头锥和翼面前缘等最高温区,采用增韧纤维增强抗氧化复合材料(TUFROC专利号:US7314648);在机体迎风面等次高温区,采用增韧纤维隔热涂层浸渍陶瓷瓦(TUFI/AETB专利号:US5079082);在机体背风面等较低温区,采用先进可重复使用保形隔热毡(CRI专利号:US6652950)。
其中最出乎意料的是次高温区由原来呼声较高的金属TPS(2003年美国宇航局在国会的有关听证词曾表明,X-37将演示验证多种先进的TPS技术,包括高温陶瓷基复合材料、耐久性隔热毡和金属TPS),改为航天飞机于上世纪九十年代升级的增韧纤维隔热涂层浸渍陶瓷瓦(TUFI/AETB),其特点是拥有2.5毫米厚的抗冲击表面,提高了陶瓷瓦的耐久性。1994年在执行STS-59飞行任务的航天飞机上首次安装TUFI/AETB新型陶瓷防热瓦,经试用后效果良好,而后在航天飞机的重要部位如主发动机的底座部分,局部换装TUFI/AETB。从图4可见经历三次飞行后,红线范围内两块TUFI/AETB陶瓷防热瓦的状态明显优于周边其他未升级的陶瓷防热瓦。
如今尚未知晓X-37B将在太空逗留多少时日(设计可达270天之久),更无法预测再入大气层和自动进场着陆的归途能否一路顺利;况且X-37B作为首架轨道试验机,仅仅是新一代“可重复使用”太空多任务平台的雏形而已,其潜在整合能力的概念,唯有通过逐步深入的技术验证,才能不断修正和渐次明晰。X-37B能否成为引领“可重复使用”进入实质进展阶段的标志,现在评价恐怕还为时过早。但是无论如何航天飞机后的新一代“可重复使用”,终于迈出了轨道试验的艰难的第一步,有了这实质性的第一步,“可重复使用”的实质进展阶段还会远吗。
技术铺垫和研发积累的
也许人们难以理解,航天飞机早在1981年就开创了部分可重复使用天地往返系统的先河,为什么迟至29年后的今天,才迎来新一代“可重复使用”继往开来的轨道试验的第一步。其实航天飞机成功飞行后“可重复使用”的发展,经过了无知无畏到有知有畏的历程。例如美国X-33计划的无畏挑战和探索实践,以12.68亿美元的代价提升了对“可重复使用”技术关键和风险的客观认知。29年来世界各国“可重复使用”的计划可谓层出不穷,随着一个个计划不断被推出展开,“可重复使用”的发展很快进入了相伴而生的有知有畏的阶段,一个需要冷静铺垫和积累的阶段,一个最能考验勇气和韧劲的阶段。因为从旁观者的角度看“可重复使用”,一方面“可重复使用”的研究和探索,因关键技术和经济性的难度而进展缓慢,甚至欲行又止;另一方面“可重复使用”的战略价值的愿景,始终持续推动新的研究探索而欲罢不能一唯恐因技术铺垫和研发积累的不足,在终将形成气候的“可重复使用”的航天领域,错失应有的强势地位。
“可重复使用”跨入实质进展阶段的门槛是轨道演示验证试验,这次X-37B价值就在于轨道试验机的第一次试飞。
X-37B轨道试验首飞日程的预告曾经“狼来了”三回,第一回预告是2008年初;第二回预告是2008年底,当时为给X-37B让道,月球探测卫星推迟至2009年初发射;第三回预告是2009年2月26日,不料过了预定日期却迟迟未见动静——究竟是好事多磨,还是另有隐惰,后航天飞机时代的“可重复使用”还“后继有机”吗;又隔了一年有余,才迎来了2010年4月19日试飞的第四回预告,颇为庆幸的是这次仅推迟了三天,X-37B终于于4月22日成功飞天,而且推迟的原因只是为确保发现者号航天飞机在肯尼迪航天中心顺利返航。
战略转型和双管齐下“军事化应用”发展背景
“基于威慑”转型为“基于能力”,即基于核威慑转型为基于强势的非核军事能力,是美国军事航天战略转型的重要理念之一。在确保核威慑绝对优势的前提下,有限削减现有核武器装备可以达到两个目的,一是诱导世人相信其推动无核世界的终极构想,二是集中财力和资源强化非核军事能力,包括太空非核军事能力的绝对霸主地位。
美国庞大的太空军事资产和难以逆转的太空武器计划,早已是既成事实,确立太空非核军事能力的绝对霸主地位,唯缺乏具有整合能力的太空多任务平台和柔性的发射能力。正如美国参议员鲍伯·史密斯所言,“谁控制了太空,谁就控制了地球的命运。美国缺乏太空控制的技术和能力,缺乏柔性的发射能力。”而可重复使用的航天器/太空多任务平台可以弥补美国所缺乏的太空控制的技术和能力,部分可重复使用的运载器可以弥补美国所缺乏的柔性的发射能力。
在美国军事航天战略转型的大背景下,美国空军正致力于“可重复使用”军事化应用的双管齐下的发展策略,同时研发在近期更现实可行的两大单元——可重复使用的轨道航天器/太空多任务平台和部分可重复使用的运载器。
美国空军可重复使用天地往返系统的军事化应用的原理如下:
部分可重复使用的运载器由可重复使用的助推器系统和一次性使用的上面级组成,助推器系统采用垂直发射的方式,到达亚轨道既定高度后自动分离,随即启动一次性使用的上面级,将可重复使用的航天器/太空多任务平台或其他有效载荷送入轨道。可重复使用的助推器系统自主机动返回,再入大气层和自动进场着陆,然后经过(转场)-检测-维护-清洗-复新-总装-测试-取证等过程,进入下一次发射的准备程序。可重复使用的航天器/太空多任务平台在完成指定时间段的军事任务后,再人大气层和自动进场着陆,然后经过(转场)-检测-维护-清洗-复新-测试-取证等过程,进入下一次军事任务的准备程序。
美国空军可重复使用天地往返系统的军事化应用的计划轮廓从2006年起开始清晰。
2006年美国空军从国防部高级研究计划局接手X-37计划后,即宣布将改变原美国宇航局的X-37A计划,成为注入新的军事生命的X-37B计划,并以可重复使用的军事航天器/太空多任务平台的发展模式,全力筹划称为X-37B的轨道试验机的第一次试飞。在部分可重复使用的运载器实际应用之前,X-37B由一次性运载火箭宇宙神-5发射升空。
2006年美国空军分别授予诺斯罗普·格鲁曼公司、洛克希德·马丁公司、安德鲁斯航天公司和轨道科学公司,有关混合运载器(HLV)的研究合同,合同涉及部分可重复使用运载器的概念研究。2007财年国防授权法案,中止了与混合运载器相关联的(ARES)计划。
2010年美国空军不变初衷,重新明确规划了“可重复使用助推器系统”(RBS)技术演示验证的系列计划。作为部分可重复使用运载器的核心技术,“可重复使用助推器系统”与“混合运载器”在技术内涵上是一脉相通的。如进展顺利第一个用于演示验证的RBS“探路者”,将于2013年进行试验。RBS系列计划所设定的经济性目标为发射成本减半,其前提是年发射频度不低于8次。
X-37B迈出了太空多任务平台雏形的第一步
与其说X-37B是太空战机的雏形,不如说是具有潜在整合能力的太空多任务平台的雏形,因为军方所关注的已不是传统的战机的概念,而是能承担控制太空使命的多任务平台的战略价值。例如美国航天司令部2006财年及之后的战略主导计划,强调太空军事使命的四大领域:太空力量增强(SFE)、太空支持(SS)、太空对抗(CS)和太空力量应用(SFA)。在战略转型和双管齐下的“军事化应用”的发展背景下,X-37B迈出了太空多任务平台雏形的第一步。X-37B有可能通过以下潜在的整合能力成为承担控制太空使命的多任务平台:
侦察监视预警的整合能力——成为太空力量增强的平台
快速补充的整合能力——成为太空支持的平台
防御性对抗和进攻性对抗的整合能力——成为太空对抗的平台
敏捷全球打击的整合能力——成为太空力量应用的平台
X-37B确保首次试验成功的务实理念
X-37B计划吸取了航天飞机和X-33的经验教训,在发展策略上更讲究务实渐进和适度挑战。例如为确保首次轨道试验一举成功,X-37B的热防护系统(TPS),注重把握适度技术挑战和尽量采用成熟技术。X-37B的热防护系统的选材,全部采用先进成熟的美国专利技术。在头锥和翼面前缘等最高温区,采用增韧纤维增强抗氧化复合材料(TUFROC专利号:US7314648);在机体迎风面等次高温区,采用增韧纤维隔热涂层浸渍陶瓷瓦(TUFI/AETB专利号:US5079082);在机体背风面等较低温区,采用先进可重复使用保形隔热毡(CRI专利号:US6652950)。
其中最出乎意料的是次高温区由原来呼声较高的金属TPS(2003年美国宇航局在国会的有关听证词曾表明,X-37将演示验证多种先进的TPS技术,包括高温陶瓷基复合材料、耐久性隔热毡和金属TPS),改为航天飞机于上世纪九十年代升级的增韧纤维隔热涂层浸渍陶瓷瓦(TUFI/AETB),其特点是拥有2.5毫米厚的抗冲击表面,提高了陶瓷瓦的耐久性。1994年在执行STS-59飞行任务的航天飞机上首次安装TUFI/AETB新型陶瓷防热瓦,经试用后效果良好,而后在航天飞机的重要部位如主发动机的底座部分,局部换装TUFI/AETB。从图4可见经历三次飞行后,红线范围内两块TUFI/AETB陶瓷防热瓦的状态明显优于周边其他未升级的陶瓷防热瓦。
如今尚未知晓X-37B将在太空逗留多少时日(设计可达270天之久),更无法预测再入大气层和自动进场着陆的归途能否一路顺利;况且X-37B作为首架轨道试验机,仅仅是新一代“可重复使用”太空多任务平台的雏形而已,其潜在整合能力的概念,唯有通过逐步深入的技术验证,才能不断修正和渐次明晰。X-37B能否成为引领“可重复使用”进入实质进展阶段的标志,现在评价恐怕还为时过早。但是无论如何航天飞机后的新一代“可重复使用”,终于迈出了轨道试验的艰难的第一步,有了这实质性的第一步,“可重复使用”的实质进展阶段还会远吗。