x-40计划的发展与未来

x-40计划的发展与未来

u3000x-33b试验2012年6月16日上午8点45分，第2架x-37b轨道试验飞机（ov）成功运行469天，并在美国范登堡的美国航空基地进行了安全运行。X-37B是美国研制的一种垂直发射、水平着陆的无人天地往返航天器。该航天器是继航天飞机之后,美国研制发射的又一种可重复使用的航天器,也是目前美国军方唯一的可返回航天器。但X-37B并非最终的定型机,也不是用于型号定型的试验机,其主要任务是进行可长期在轨运行的轨道飞行器的天地往返技术演示验证试验,故沿用美国“X”系列试验机的编号。迄今,美国已发射并返回了两架X-37B轨道试验飞行器(OTV-1和OTV-2)。1u3000型超声速航天器和x-33b长期以来,美国军方一直致力于可重复使用空天飞机和跨大气层飞行器的发展,希望通过利用空天飞机,满足美国军方对按需发射、降低运行成本、改进空间管理、保持空间优势等方面的迫切需求。早在20世纪50~60年代,美军就已开展跨大气层高超声速飞行器概念研究,例如“动力高飞”(Dyna-Soar/X-20)高超声速飞行器、X-15高超声速飞行器和X-24升力体飞行试验项目等。这些项目取得了一系列研究试验成果和经验,为X-37B的发展奠定了基础。20世纪90年代中期,美国军方提出了“军用空天飞机”(MSP)体系概念,并将其视为未来20~30年最重要的武器发展方向之一。X-40计划便在这样的背景下应运而生,X-40计划在发展之初便以“空天飞机”为目标,旨在发展采用航天飞机或一次性运载火箭发射,能够将小型有效载荷送入轨道,可在轨运行12个月,最终自主再入大气层并水平着陆的可重复使用的飞行器。但由于多种原因,最终仅在低空低速条件下完成了一系列试验机进场和着陆试验。此后的X-37计划又进行了多次高空投放试验,但X-37与X-40实施的都是无动力投放,飞行器在飞行阶段均为自由滑翔式飞行,旨在验证返回末段的自主进场与着陆技术,并不能模拟轨道飞行器在大气再入阶段所经历的高马赫数飞行及其所处的严酷气动力、热环境。X-37B便是在上述技术试验成果基础上发展的用于演示验证长期在轨运行技术、自主轨道返回技术并以其为天基平台开展新技术试验的原型机。1.1itbt试验X-40计划中研制的第一个飞行器称为“集成化技术试验台”(ITTB),由波音公司于20世纪90年代中期开始研制,采用升力体构形,带有V型尾翼,无动力,装有前三点起落架装置和GPS/惯性导航系统。ITTB最早作为美国空军空间机动飞行器(SMV)的90%缩比样机,主要开展SMV从空间返回地面过程最后阶段的低速进场和着陆试验。1997年ITTB定名为X-40A,1998—2001年美国空军和NASA采用直升机吊装方式成功地进行了7次X-40A低空低速空中投放飞行着陆试验。全尺寸的SMV(即X-40B),增加了液体燃料火箭推进系统等空间操作系统,但美国空军中止了X-40B研制计划,其技术由X-37A吸纳。1.2x-33项目的独立运营在X-40研究成果的基础上,NASA、美国空军和波音公司联合出资启动了X-37技术验证器项目,主要用于在轨技术试验验证,为NASA的轨道空天飞机项目提供支持。然而,在2004年布什政府宣布启动“太空探索新构想”计划后,NASA将主要精力放在了载人重返月球、为载人登火星做准备上,研究重心转向地球低轨道以及载人系统的研制,导致其主导的空天飞机项目被迫停止。同年,NASA将X-37项目移交给美国国防高级研究计划局(DARPA)和空军继续发展。X-37项目包括两个子项目,进场与着陆试验飞行器(X-37A/ALTV)和X-37轨道飞行器(X-37OrbitalVehicle)。前者实际上是X-40A的120%比例放大型,但全部按空间飞行任务要求装备,包括轨道机动的火箭发动机、先进可重复使用的热防护系统、有效载荷舱和导航/飞行控制系统,主要用于验证飞行器的气动性能和进场、着陆技术。2005年6月,X-37A/ALTV由白色骑士(WhiteKnight)载机首次携带飞行。2006年4月进行了高空投放自由滑翔飞行试验,实施了自主进场与着陆试验。此后,在2006年9月前又进行了多次高空投放试验,但DARPA没有披露具体试验情况。X-37轨道飞行器主要进行自主轨道运行、大气再入和水平着陆技术验证,虽然没有开展工程建造,但其设计成为了美国空军X-37B轨道试验飞行器项目的基础。1.3x-33bot美国空军在2006年接手X-37项目,并宣布将在X-37A的基础上继续发展X-37系列,即X-37B轨道试验飞行器。X-37B在外形上与X-37A变化不大,但结构上做了较大改进。根据美国空军办公室的声明,X-37BOTV的目标是:降低可重复使用空间飞行器的技术风险,开发和试验操作概念,以支持长远发展目标。目前,X-37B计划在美国国防部部长和负责采办、技术与后勤的副部长的指导下,由空军负责实施。X-37B的运行管理由空间创新与发展中心(SIDC)第3空间试验中队负责。X-37BOTV-1于2010年4月22日发射,采用宇宙神-5运载火箭发射升空,主要验证热防护系统、先进机体技术、电子设备和自主导航系统,在轨运行225天后安全返回。OTV-2于2011年3月5日发射,同样采用宇宙神-5运载火箭发射入轨,在轨运行469天。2x-37b的设计方案和特点2.1b计划的发射方案X-37B飞行器机身长8.9m,高2.9m,翼展4.5m,发射质量4990kg。X-37B的气动外形源自航天飞机的升力体设计方案,尺寸约为航天飞机的四分之一,二者具有相近的升阻比。X-37B计划运行在近地点高度200~300km,远地点900~1000km的轨道上,设计在轨运行时间为270天,周转时间(再次发射间隔)72h,以支持快速响应。X-37B采用模块化机体设计,背部设载荷舱,机体内部设有GPS/惯性导航系统、自动返回着陆系统、推进系统、轻型起落架等。X-37B最初计划搭载航天飞机发射,由于哥伦比亚号发生事故,以及航天飞机高昂的发射成本,后改由一次性运载火箭发射。OTV-1返回地面后,美国空军技术人员通过分析相关数据,确定OTV-2无需进行大的改动。但是由于OTV-1在着陆过程中发生了爆胎,因此设计人员将OTV-2起落架的胎压较OTV-1降低了15%。2.2新型防热材料1)采用了新型防热材料,满足重返大气层的要求,实现重复使用。X-37B主体结构使用轻质复合材料,机翼前缘采用新型耐高温材料——强化单体纤维抗氧化陶瓷瓦,该材料能够承受再入大气层时约1650℃的高温,其性能超过航天飞机机翼前缘使用的碳/碳材料。X-37B还采用了强化单体纤维隔热瓦、可重复使用共形防热毡等新型防热材料。2)采用从载荷舱伸出的太阳翼和锂离子蓄电池的能源方案,而不是航天飞机采用的氢氧燃料电池,以支持长期在轨运行。3)尾部火箭发动机用于在轨期间的轨道机动和完成在轨任务返回前的离轨机动。出于降低风险的考虑,发动机燃料采用了技术成熟、安全性更高的四氧化二氮/甲基肼组合燃料方式,弃用了此前NASA在X-37A上使用的过氧化氢燃料。4)有效载荷舱尺寸1.8m×1m,可携带约250kg的试验设备,且每次飞行携带的载荷可根据不同的任务目标而定,同时支持情报、监视和侦察(ISR)、空间控制和空间技术试验验证等多项任务。5)由宇宙神-5一次性运载火箭发射,该火箭直径5m的有效载荷整流罩恰可容纳翼展4.5m的X-37B。6)可自主完成再入和着陆。此外,机上不采用液压系统,飞行控制与制动依靠机电作动器实现。3x-33bot-1X-37BOTV-1主要进行三个方面的技术演示验证:一是检验X-37B自身性能,确保满足设计指标要求,进行30余项有关机体、推进以及再入返回过程中的自主操作等技术的演示验证试验,并收集以马赫数25的速度进行大气再入的相关数据;二是将X-37B作为可重复使用的空间试验平台,开展包括卫星敏感器、分系统、部组件等技术的在轨验证;三是验证X-37B快速再次发射能力,减少地面维护工作量和时间,降低运行和维护成本。美国空军对该飞行器的轨道参数、具体任务严格保密,但国外航天爱好者经过持续的跟踪观测,确定X-37BOTV-1并未运行在原计划的椭圆轨道上,而是运行在高度400~450km,倾角为40°的圆轨道上。在整个轨道运行期间,X-37BOTV-1共进行了四次轨道机动操作,其中第一次发生在2010年8月9日,提升了轨道高度;后三次分别发生在10月6日,11月1日和11月12日,均降低了轨道高度。再入大气前,X-37BOTV-1的轨道高度已经降低到270~280km,轨道倾角仍为40°。美国空军对X-37BOTV-1搭载的有效载荷或试验设备以及进行的在轨操作采取严格保密措施,国外媒体和航天爱好者根据运行轨道,猜测该飞行器搭载了美国国家侦察局的试验载荷。2010年12月初,美国空军宣布X-37BOTV-1将返回地面,再入返回窗口是12月3日~12月6日,主着陆机场选定美国范登堡空军基地(最长跑道长度为4.5km),备降机场是同样位于加利福尼亚州的爱德华兹空军基地(最长跑道长度11.8km)。有国外媒体报道,由于范登堡空军基地现有的飞行跑道条件会损害X-37B的起落架轮胎,从而对安全着陆造成威胁,因此美国军方沿跑道中心线更换了600多块钢板,为X-37B的安全着陆做好了准备。根据设计方案,经过多次降轨的X-37BOTV-1首先收起太阳能电池阵,关闭有效载荷舱舱门,然后主发动机点火工作,进行再入前的减速制动,之后开始再入大气层。再入过程中,X-37BOTV-1采用无动力滑翔方式,依靠控制舵面提供控制力,并不断减速,进场着陆过程中接地速度约480km/h(通常战斗机接地速度为200~300km/h,航天飞机为350~400km/h)。最终X-37BOTV-1成功实现水平着陆,不过,降落过程中仍然出现了险些引起事故的重大问题,X-37B左起落架轮胎在接地瞬间爆胎,依靠可靠有效的控制系统,才确保该飞行器在滑跑减速中没有偏离跑道。此外,经过地面的初步检查,X-37BOTV-1的机体防热部分出现了7处破损,其中,爆胎后轮胎碎片对机体腹部造成了损害,还有一些则是空间碎片造成的,但是这些破损伤害并没有直接影响到X-37B的首次再入返回任务。美国空军曾表示将通过OTV-2飞行任务进一步评估X-37B的性能,包括扩展飞行包线、增强横向机动、在更强侧风条件下着陆等;同时还将对X-37B的先进防热系统、能源系统以及自动着陆系统等开展持续的测试。此外,OTV-2任务还将对应用于未来卫星的新技术进行测试,但具体任务载荷依旧保密。国外媒体猜测OTV-2搭载的任务载荷包括:先进技术试验载荷、侦察卫星敏感器以及其它研究测试载荷。根据美国忧思智库公布的数据,OTV-2运行在高度327~331km,倾角42.8°的轨道上。2012年4月,美国空军航天司令部司令威廉·谢尔顿公开表示:“X-37B取得了惊人的成果,对其工作非常满意”。OTV-2在轨运行时间比设计时间超出了三分之二以上,其原因可能有:一是计划在轨实施的试验任务未能按期完成而拖延了进度,造成最终所需的在轨试验时间增加;二是长期在轨运行作为OTV-2的一项设计能力,在能源、控制等系统可支持的情况下适当延长运行时间是合情合理的。4x-33b任务能力分析到目前为止,美国军方没有发布关于X-37B任务的明确说明,国外一些研究机构和媒体进行了研究,结合目前掌握的材料数据,初步分析判断:X-37B的任务能力基本上可以划分为5个主要领域———技术试验验证、空间力量增强、空间控制、空间支持和空间力量运用。考虑到美国现有军事航天力量的任务和能力,X-37B尽管具备执行以上5个领域中多种不同任务的能力,但美军发展X-37B的主要目的应该是技术试验验证,而非作战任务,具体分析见表1。5x-37b规划与发展分析5.1u3000美国难以重复使用空间机动航天器美国的“军用空天飞机”概念于20世纪90年代中期提出,军方将其视为未来20~30年最重要的武器发展方向之一。“军用空天飞机”是一个天地往返可重复使用空天飞行器体系,主要由三部分组成:空间作战飞行器(SOV)、空间机动飞行器(SMV)以及模块化入轨级系统(MIS)和通用宇航运载器(CAV)等一系列军事应用载荷。其中,SMV是一种具有高机动性能的可重复使用飞行器,主要用于力量增强、空间控制以及空间运输等任务,可有效丰富美军空间系统能力,增强空