小火箭聊X-37B空天飛行器

小火箭出品

本文作者：邢強博士

隨著美國空軍X-37B空天飛行器第4次成功返回的消息得到公開，國內外媒體對這款飛行器的關注程度又突然提高。小火箭趁著這幾天熱度下降之後，終於覺得有機會來細細說一說X-37B了。

X-37B空天飛行器是美國空軍中少有的從立項到多次測試都處於極度保密狀態下的一種飛行器。這也就導致了各方人士對其猜測不斷，多種說法也就充斥新聞界，無論是「陰謀說」還是「雞肋說」，彷佛都有根有據，但細想又難免流於猜測。小火箭在本文力圖回歸飛行器技術本身，通過分析和計算來與大家一同探討。畢竟跳出技術領域來談所謂的戰略，基本上都算是空想了。

本文主要和大家一起探討以下幾個問題：

第一：X-37B項目的由來；

第二：X-37B的總體設計；

第三：X-37B的4次飛行試驗的細節；

第四：X-37B項目的未來；

由來

如果追溯X-37B空天飛行器的技術發展脈絡的話，我們能夠追溯到冷戰期間的美國空天戰鬥機計劃，甚至能夠一直探尋到第二次世界大戰期間的德國。

1957年10月24日，美國空軍和波音公司正式提出了X-20空天戰鬥機的計劃。該計劃要研製一種由洲際彈道導彈以垂直的姿態發射到太空，並且能夠在太空執行完偵察、戰鬥、維護或者摧毀衛星、攔截空間飛行器等任務後，安全返回地面，水平降落在軍用機場跑道上的飛行器。

這種飛行器能夠在大氣層外執行任務，而其本身具有的高超聲速飛行的特點使其在大氣層內極難被傳統戰鬥機所攔截，而且能滑翔很遠的距離。聽起來是不是很像是小火箭的「黑科技」系列文章中的二戰德國設計的「銀鳥」呢？

實際上，空天戰鬥機計劃背後還真的有德國工程師在力推。

推動美國空天戰鬥機項目的其中一個重要的工程師就是瓦爾特·多恩伯格。上圖為多恩伯格和馮·布勞恩等德國工程師被盟軍俘虜時的照片。（前排左邊，頭戴禮帽、左手拿煙、右手插兜、淡定微笑的那個，就是多恩伯格。前排中間左手打著石膏的是馮·布勞恩。）

瓦爾特·多恩伯格是現代火箭武器的開拓者之一。他畢業於柏林工業大學，後來進入庫默斯多夫實驗室研製火箭。二戰期間被調入佩內明德，成為V-1導彈和V-2導彈的核心研發人員。1945年，被盟軍俘虜後，囚禁在英國監獄。1947年，美國設法將其從英國帶出，並直接帶到美國空軍的實驗室參與研究工作。1950年起，開始擔任貝爾公司高級顧問，後任X-20空天戰鬥機驗證機首席科學家。後來，他得以返回德國老家。

這是冷戰時期，美國空軍與波音公司提出的用大力神洲際彈道彈道導彈與X-20空天戰鬥機相結合的運載方案。（左側和中間的是亞軌道方案，右側是近地軌道方案。）

小火箭帶大家跳過這段歷史（有關這段歷史，詳見小火箭的公號文章《追夢者：冷戰空天戰鬥機技術逐夢私人航天》），直奔X-37相關項目立項的時候：

1996年，美國國家航空航天局（NASA）提出了Future-X計劃，該計劃分為了兩個子計劃，其中的「探險者」計劃即成為了X-37計劃。1999年，NASA與波音公司簽署協議，進行一項為期4年的X-37驗證機項目，總投資為1.73億美元，其中波音公司投資了6700萬美元與價值1600萬美元的實物。

其後，美國空軍也加入進來，同時投資了1800萬美元。上圖為1999年X-37立項的時候的概念圖，現在看來，如今生產出來的X-37空天飛行器比較忠於原始設計。

從立項經費的角度來看，X-37項目是NASA牽頭，波音主承包，美國空軍參與其中的一個型號。

四大關鍵技術：

從NASA的計劃來看，X-37空天飛行器的研製目的在於進一步摸索可重複使用天地往返載具的技術，（尤其是垂直起飛水平自主著陸技術、空間變軌技術、與非配合目標的對接技術、高超聲速飛行器再入防熱技術這4大關鍵技術）。

1.總體

X-37的項目款並未直接用於X-37飛行器本身的開發，而是走了一條循序漸進的道路：先發展縮比型號以積累寶貴的試驗數據，再在此基礎上逐漸放大機身，做出正規型號。這個路子還是值得借鑒的。

這個縮比型號就是不太為人所知的X-40技術驗證飛行器。

X-40A驗證飛行器的尺寸是X-37空天飛行器的80%，主要用來驗證飛行器在亞聲速飛行階段的氣動特性和慣性導航/GPS導航融合演算法與自主著陸技術。注意上圖的X-40A技術驗證飛行器的塗裝，美國空軍、波音、NASA三家機構的字樣都出現了。

1998年8月11日，一架UH-60黑鷹直升機將唯一的一架X-40A技術驗證機吊上高空，開始準備空投試驗。（注意，此時NASA還沒有和波音、美國空軍正式簽署X-37項目合同。這次試驗屬於NASA自己的技術驗證項目，其密級還不算高。）

X-40A技術驗證飛行器自主著陸成功。（實際上，過程還是蠻艱辛的，期間出現過在Ma 0.4速度的一段俯仰不穩定的情況，後來通過調整質心位置和修改制導控制係數才解決。）

無論是追夢者空天飛行器，還是X-40A，都是機翼極小化設計理念的產物。小火箭在美國航空航天學會交流時，經常聽到的一個描述這類飛行器的說法，其英文原文是fat-bodied, short-winged，也就是「肥碩機體，短小機翼」飛行器。此類飛行器的升阻比較小（如上圖所示），原本是為高速飛行，尤其是再入大氣層的高超聲速飛行設計的，因此，其亞聲速飛行狀態的著陸飛行段要特別小心。

2001年，X-40A技術驗證飛行器自4月4日到5月19日期間，又由CH-47直升機吊載升空後，陸續進行了7次滑翔和自主著陸試驗。5月底，X-40A技術驗證飛行器達到設計目的，整理完飛行數據後，該機當即退役。

2002年，美國空軍停止了投資，而波音公司找到NASA繼續簽訂了3.01億美元的合同，正式開啟了X-37A飛行器的研製。

這是在波音公司廠房內正在總裝的一架X-37A。（實際上，總共也就生產了這麼1架X-37A）。

小火箭要在這裡指出的是，X-37A和X-37B的區別：X-37A是用於進一步驗證自主著陸技術的飛行器，X-37B則是軌道飛行器，主要用於空間試驗。先研製X-37A再研製X-37B，同樣是遵守了循序漸進的原則。

X-37A的個頭和重量比X-40A大多了，因此直升機是不行了，NASA借用了白色騎士飛行器來幫忙。（曾經想過用B-52，但後來機緣巧合，還是選擇了配色和X-37A比較搭的白色騎士。）

這是白色騎士帶著X-37A飛上天空的場景，此時已經是2005年6月21日了。

時間如白駒過隙，轉眼到了NASA的新預算時期。由於經費有限，而且NASA已經決定將重點集中在月球以遠的目標上，重返月球、登陸小行星、載人登火星這3大目標讓經費在這個時代顯得捉襟見肘的NASA一咬牙，放棄了對X-37項目的堅持。

X-37項目被整體交給DARPA（美國國防高等研究計劃局）。（這個部門還是挺猛的，互聯網、新型彈道導彈制導技術、新型半導體、個人電腦圖形操作界面、激光器、高超聲速飛行器等事物的誕生都能跟這個部門找到聯繫。）

2006年，DARPA正式接手後，整個X-37項目的密級也就提升到了最高級。X-37的種種測試從此也就淡出了公眾的視野。

注意上圖飛行器機身後部的DARPA標誌。某項目一旦帶上這個標誌，其各種細節就逐漸被籠上迷霧了。不過，這不影響小火箭在這裡對X-37的介紹。

具有長時間軌道飛行能力的X-37B擁有碩大的一甲基肼/四氧化二氮貯箱，其姿軌控系統也得到了太空梭的真傳。基本上算是一個1/4尺寸的太空梭。

X-37B變粗的後段機身內就是碩大的燃料貯箱（X-37B採用一甲基肼/四氧化二氮燃料，X-37A採用JP-8煤油/過氧化氫燃料）。X-37B周身覆蓋有新型防熱瓦（這個小火箭準備專門為此寫一篇文章講防熱瓦技術的發展）。

X-37B的尺寸比太空梭小，而且其減速發動機沒有太空梭主發動機的推力大，因此其再入速度相當高，這就使其再入過程的氣動加熱比太空梭嚴重得多。

小火箭計算後，認為：X-37B空天飛行器再入大氣時，其機頭駐點、機翼前緣的最高溫度高達1652℃。這對整機的防熱系統的設計和製造的確是個很大的挑戰。

考慮到X-37B需要在軌長期運行（1年以上），因此其並沒有採用類似太空梭的電池系統，而是自帶太陽能帆板，同時在機體內有大容量可多次充放電的鋰電池組。入軌後，帆板展開，X-37B就開始扮演一顆人造地球衛星的角色了。

在X-40A技術驗證飛行器上進行過試驗的機翼設計成功地應用在了X-37B上。

小火箭對X-37B的機翼做了精細建模，發現其在前緣鈍度約束條件下，通過適當的設計，使其整體氣動性能滿足了設計條件，保證了X-37B在Ma 0.78至Ma 1.52之間的升力係數斜率不小於0.0249的條件，保障了X-37B的著陸安全。

X-37B的發射：

原本X-37B的設計是計劃用太空梭攜帶進入太空的。但是，因為太空梭的種種問題，整個太空梭系統面臨退役的風險（2006年的這個擔憂被言中了，在2011年7月太空梭全部退役。）

好在X-37B的翼展不是很大（4.57米），剛好可以塞入宇宙神運載火箭的大號整流罩（直徑5米）中。

小火箭通過建模分析發現，X-37B空天飛行器的V尾設計既是氣動需要，也充分考慮了將要被塞進整流罩內的約束。V尾尖端與機身主軸線的距離與機翼翼尖與機身主軸線的距離一致。

宇宙神V 501運載火箭正在發射X-37B空天飛行器的場景。值得一提的是，宇宙神V運載火箭的第一級採用的是蘇聯RD-180火箭發動機。這其中的故事，詳見小火箭的公號文章《RD-170：世界上推力最大的液體火箭發動機》。

正在美國進行測試的蘇聯/俄羅斯研製的RD-180火箭發動機。

任務

迄今為止，X-37B空天飛行器總共製造了2架，其中每一架都執行了2次任務，共4次任務。雖然X-37B的任務細節迷霧重重，但是在小火箭好友的大力支持和小火箭的分析計算後，仍然能夠得出相當的信息甚至是結論，在此和大家分享。

第一次

世界標準時間2010年4月22日23點52分00秒，第一架X-37B發射升空。

根據小火箭好友提供的數據，其入軌的軌道參數為：

近地點：278.87千米；

遠地點：287.12千米；

軌道傾角：39.99791°

軌道周期：88.892分鐘。

X-37B的首次軌道飛行幹了些什麼事情？小火箭可以用一個詞來概括：上躥下跳。

這是人類首個可以在近地軌道非常任性地變軌調姿且長時間運行還能水平著陸在地面上的機場的飛行器。

雖然X-37B的這次軌道試驗的詳細參數不對外公開（其實所有X-37B的詳細軌道參數都不公開），但是通過世界各地天文愛好者偶然拍到的X-37B，再比對多方信息，小火箭力爭在本文重現了X-37B首次軌道試驗的情況。

整體來說，X-37B在首次軌道試驗中，連續進行了5次變軌機動。其變軌機動之複雜、軌道變動範圍之大、在軌持續時間之長均應當引起大家的注意。

這是首架X-37B空天飛行器的首次軌道試驗的第一次變軌後的情況。此時，其軌道參數為：近地點402.8公里，遠地點430.1公里。

在2010年8月中旬，X-37B空天飛行器憑藉自身動力，大幅抬升了軌道高度，進行了第2次抬升軌道高度的變軌機動。機動之後，其軌道參數變為：近地點433.2公里，遠地點444.3公里。

2010年10月7日，X-37B開始降低軌道高度。其軌道參數變為：近地點390.2公里，遠地點392.1公里。這個動作，相當於戰鬥機的高速俯衝（降低軌道的幅度超過了前2次抬升軌道高度的總和）。

2010年11月2日，X-37B又做了一次降低軌道高度的變軌機動。軌道參數變為：近地點315.4公里，遠地點328.2公里。

2010年11月13日，也就是不到2周的時間內，X-37B繼續做了一個俯衝，軌道高度驟降為281.5公里（遠地點為292.3公里）。

（X-37B的軌道高度比較低，5次變軌機動的軌道與地球本身的大小比起來，變化幅度還是比較小，因此在小火箭的5張示意圖上，需要眼力極好的同學才能看出差別。）

這次試驗，充分驗證了X-37B空天飛行器的變軌機動能力。不過，在著陸的時候，出了些狀況。

2010年12月3日，在太空中飛行了224天零9小時的第一架X-37B空天飛行器準備著陸。當時準備降落在美國范登堡空軍基地的跑道上（這條跑道長4.5公里）。不過，有工程師建議X-37B最好還是選擇在美國加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地著陸比較好。那裡的跑道足足有11.79公里長，可以穩妥一些。

然而，考慮到X-37B是首架飛行器進行首次軌道飛行試驗，且這200多天里幾乎沒有多少時間閑著，其動力系統負荷較大，不宜做大範圍橫程機動，也就選擇了范登堡空軍基地。

美國空軍的地勤人員聽取了NASA工程師的建議，對范登堡空軍基地跑道上的612塊鋼板進行了替換，以便適應X-37B的著陸情況（垂直速度分量大於任意一款在役飛機，NASA人員連說帶比劃，同時還手拿模型展示，終於讓地勤們明白了即將迎來的飛行器長得不像戰鬥機，也不像轟炸機，其著陸的衝擊力是很大的。可以在文末的小火箭視頻中看到X-37B著陸時的場景。）

雖然機場跑道做了精心準備，不過，還是出事兒了：

首架X-37B著陸瞬間還好，速度矢量與跑道中心線幾乎在同一平面內。但是，突然X-37B的左側起落架冒起了一縷青煙，隨後基地聲音感測器捕捉到了一聲爆響。

X-37B爆胎了！

姿態感測器報警，偏航角速度超預測值、滾轉角速度有突變、機頭指向突發左偏。

負責起落架系統的工程師聳了聳肩（果然還是出事了）。但是，正在消防人員開始啟動消防車準備撲滅或許瞬間就會燃起的大火時，這架X-37B在高速滑行中，微微晃動幾下後，維持在了跑道中線上，並最終安安穩穩地停在了范登堡空軍基地的跑道上。

如果說X-37B的首次變軌試驗獲得了預想中的成功的話，那麼其自主著陸系統在飛行器的其中一個輪胎突然爆胎之後，仍能自動將飛行器的快速滑跑穩定在跑道中線並最終停穩，這著實是取得了一個意料之外的成功：X-37B的制導控制系統的魯棒性在這次意外中得到了驗證。

另外，小火箭要提的是，X-37B的這次自主著陸使得美國成為了繼蘇聯之後，第二個掌握空天飛行器自主水平著陸技術的國家。

（1988年11月，蘇聯暴風雪太空梭自主著陸成功，是為第一次；2010年12月，也就是蘇聯暴風雪著陸22年後，美國的X-37B成為第2款能夠自主水平著陸的空天飛行器。）

1988年11月15日，暴風雪號太空梭進行了首次發射。

在用206分鐘繞地球飛行了2圈之後，暴風雪號太空梭自動降落在了拜科努爾航天中心的跑道上。（值得一提的是，當時降落的時候，正好趕上有17米每秒的側風，無人駕駛自主著陸的暴風雪號最後停下的位置僅比理論期望位置側向偏離3米，超前10米。）

暴風雪號太空梭是蘇聯研製可重複使用的空天運載飛行器的一次嘗試。圖為攝於1999年的茹科夫斯基試驗基地的暴風雪號太空梭。

第二次

2011年3月5日，世界標準時間22點46分00秒，第二架X-37B空天飛行器發射升空。

這第二架X-37B空天飛行器的任務引發了國內的猜測。其原因在於X-37B這次飛行的軌道參數：近地點278.5公里，遠地點289.3公里。變軌機動後，其近地點為361公里，遠地點為383公里。這個參數是不是很熟悉？

是的，這與我國天宮1號目標飛行器的某些軌道參數非常接近。不過，實際上，軌道參數有6個，只有2個接近，再近似也沒什麼可說的。上圖是X-37B與天宮1號軌道的示意圖。可以發現，二者軌道只在2個點有可能出現交集，即使有窺測之意，也只能是飛速一瞥。如果真的想要監視的話，小火箭認為應該飛一個繞飛軌道或者伴飛軌道比較好。但是，像X-37B這種可以在軌道上亂竄的飛行器，的確也是不得不提防著點兒。

2012年6月16日，第2架X-37B空天飛行器自動著陸成功。她在太空中共飛行了468天零14小時（遠遠超過了270天的設計在軌任務時長）。

噢，對了，得提一下X-37B的第2架相對於第1架的改進之處。

主要就是起落架輪胎的胎壓調低了15%。從第2次飛行以來，至今還沒出現過新的爆胎情況。

第三次

2012年12月11日，世界標準時間18點03分00秒，X-37B空天飛行器的第三次試驗飛行開始。

這是第1架X-37B空天飛行器第2次執行軌道飛行任務，也就是說，這是X-37B的首次重複使用。（之前有些人說的X-37B尚不能解決重複使用技術的說法是不對的。）

其入軌的軌道參數為：

近地點：320.1公里；

遠地點：333.3公里；

軌道傾角：43.504°；

軌道周期：90.931分鐘。

從軌道上看，X-37B的第3次試驗恰好飛過北京上空。

軌道高度高於100公里卡門線，雖然世界各國對於領空高度的定義各不相同，但是X-37B的這個高度確實也使其免遭侵犯領空之責。但是，在這個高度使用偵察衛星設備進行拍攝的話，效果會是極好的。因此，即使是X-37B不做其他空間試驗，僅軍事偵察這一項，就足以使其擺脫所謂的「雞肋」之稱了。

世界標準時間2014年10月17日16點24分，第1架X-37B在進行完她的第2次空間飛行任務後，成功著陸。（整個任務持續時間長達674天零22小時。）

X-37B著陸中的紅外成像圖像。可見其機頭還是比較燙的。

第四次

世界標準時間2015年5月20日15點05分，第2架X-37B（總共就造了2架）的第2次空間試驗任務啟動。空天飛行器搭乘宇宙神V運載火箭在卡納維拉爾角升空。（這就是X-37B的第4次試驗飛行）

這次飛行，使得第2架X-37B也得到了重複使用。

這次試驗任務中，一項重要的內容就是測試洛克達因公司的最新型霍爾推進器。有關霍爾推進器，小火箭在《離子發動機：星際遠征的重要動力》《有關電推進發動機的幾個設想》兩篇公號文章中都已進行過詳細分析，在此不再贅述。上圖為小火箭好友提供的即將裝入X-37B貨艙內的洛克達因公司研製的XR-5A霍爾推進器實物照片。這款推進器與美國先進衛星平台項目有關。

這是X-37B在這次任務中，飛到美國佛羅里達州坦帕市上空的場景。類似橢圓的這個區域就是X-37B能夠看到的地球表面的範圍。

這是日本天文愛好者Makksse拍攝到的X-37B掠過夜空的場景。

世界標準時間2017年5月7日12點，X-37B結束了第4次空間試驗，在當年太空梭的主廠區自主著陸成功，結束了其持續時間長達717天零20小時的太空飛行。身著防護服的地勤人員正準備將剩餘的一甲基肼燃料抽空。

未來

既然有X-37A和X-37B，那麼以後出來載人版的X-37C也或許並不那麼令人意外了。如今的計劃是要在兩種構型當中進行抉擇：載人艙的位置在機身後部，通過尾部艙門進出；載人艙的位置在機身前部，通過頂部艙門進出。

前一個方案的優勢在於可以在尾部使用已經計劃在追夢者空天飛行器上使用的通用對接艙門，方便和空間站進行對接。劣勢在於沒有前部舷窗，艙內人員視野受限。

後一個方案的優勢在於視野好，但對接難度比較大。

總之，小火箭在本文從X-40A講到X-37A再說到X-37B。從X-37B的總體設計、氣動、防熱、在軌運行等多個角度對其進行了淺析。X-37B共生產了2架，共執行了4次空間任務，其任務細節涵蓋了四大關鍵技術：垂直起飛水平自主著陸技術、空間變軌技術、與非配合目標的對接技術、高超聲速飛行器再入防熱技術。未來，X-37C的載人版計劃或許能夠得到實現。或者換個角度來看，即使X-37項目在今天戛然而止，其技術驗證的目的其實也已經實現了。

在X-37B空天飛行器的最近一次返回後，「X-37B實際並無大用」的雞肋之說突然開始盛行。這不禁讓小火箭想起十幾年前，還在讀博士的時候，民間流行的現代級驅逐艦是航母殺手以及航母無用論的說法。回到現在，中國已經擁有了自己的航空母艦，十幾年前的那些說法自然也就銷聲匿跡。驅逐艦大戰航母的學說反而在對岸開始大行其道。

反觀很多人對X-37B的看法，實際上也或許是出於同一個心理：外軍擁有而己方尚未明確表示擁有的武器裝備，必定是尚有漏洞、並非不可戰勝，註定是早被己方的戰略戰術所攻克。這是一種過度放大的自尊的表現。這種說法一旦盛行開來，難免不會影響到國內相關型號的研製和測試。要相信，別人有的，我們早晚也會有，而且會更好更先進。當然，如果全世界工程師能夠團結一致共同為人類的太空探索事業而奮鬥就更理想了。

小火箭認為，高超聲速飛行器，非但不是雞肋，反而是非常值得重視的一類飛行器，由此帶來的對熱防護設計、再入滑翔先進位導控制演算法、新材料、新型發動機等領域的發展會對整體的科學研究體系和工業體系有深遠的影響。

小火箭視頻：X-37B最新一次返回的場景（點開前建議調小音量）

小火箭出品，必屬精品！

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