神龙见首不见尾的中国X-37

晨枫

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9月4日，长征2F将“可重复使用航天器”送入太空
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3 K4 @' [( q. G. ?$ b一般认为，“可重复使用航天器”是指中国的X-37，在概念上近似图中的美国X-37，好比小型航天飞机
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用长征2F发射是因为相比通常的卫星或者飞船来说，载荷翼展超宽，这里依然是美国X-37

9 h; P- [, x1 R% R9月4日，中国在酒泉卫星发射中心用长征2F运载火箭成功地发射了一型可重复使用的试验性航天器。试验性航天器将在轨运行一段时间后，返回国内预定着陆场，期间将按计划展开可重复使用技术的验证，为和平利用太空提供技术支撑。这是长征二号F运载火箭第14次执行发射任务。
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据称这是中国的X-37，有可能是神秘的“神龙”计划的一部分。一般认为，这是小型无人航天飞机，具有广泛的军事用途。不同寻常的是，长征2F一般专用于载人航天发射，这是第一次用于无人航天器的发射，一般认为是因为“可重复使用航天器”具有较大的翼展。

航天飞机是航天史上的很有意义的一段弯路。本意是分两步走，在不能水平起飞、水平降落的情况下，首先实现垂直起飞、水平降落，通过航天飞机的可重复使用来提高空间发射的经济性。但航天飞机的成本实际上高于一次性使用的运载火箭，“挑战者”号的失败进一步削减了发射数量，使得用发射数量来摊薄成本的设想都做不到了。“哥伦比亚”号的失事则最终锁定了航天飞机的下马命运。

7 Y) K/ ^* u6 Z3 M3 i1 L- H- L但航天飞机开创的诸多先进技术留下深远影响，X-37可以看作无人化和小型化的航天飞机。但这不仅仅是低成本航天飞机那么简单，更重要的是，X-37的重点是探索空气动力辅助变轨能力。

在没有空气的轨道上，只有启动变轨火箭发动机喷出高速燃气，用抛射的动量形成反动量，才能实现变轨。卫星就是这么做的，也因此只有有限的变轨能力，星载燃料是有限的。X-37携带的燃料也是有限的，但具有大气层边缘的高超音速气动控制能力后，这就不一样了。


航天飞机是“坐进”大气层的，而不是一头“扎入”大气层的
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+ g; i+ S2 n# u2 n再入时的气动状态很复杂，但更复杂的是激波形状和热力学管理

航天飞机返回的关键技术是通过再入姿态和再入角度实现热防护。航天飞机既不能下降过快而造成机体温度急剧升高，也不能滑翔时间过长而造成热量堆集，这两种情况都会造成机体过热烧毁。另外，航天飞机的实际再入姿态是头朝上、尾“拖地”，是“坐进”大气层，而不是一头“扎入”大气层。这个姿态用坚固的机体承受大部分气动负荷和热负荷，航天员的座舱也处于相对“荫凉”的背面。为了控制下沉率，航天飞机必须周期性地左右摇摆，在横滚中丧失升力，以便及早降低到较低的高度，所以实际轨迹是S形的下降。

但如果在大气层边缘的气动控制不是用于控制下沉率，而是用于控制再入姿态，结果就不一样了。航天飞机在再入前，要首先尾冲前，启动火箭发动机，将速度降低到轨道速度以下，利用重力自然下降，然后再调转姿态到头冲前，准备再入。如果在再入时刻适当加速，辅以较浅的迎角，可以利用大气层边缘的空气密度差打出水漂。石片打水漂就是利用空气与水的密度差界面。大气层边缘的密度差界面没有那么分明，所以航天飞机打水漂时是有一定的“下探”的，但最终密度差造成的动压和浮力还是会把航天飞机“托起”反弹，形成水漂。奥妙在于，如果再入时左右不是水平的，而是左高右低，则会在形成向上的反弹力的同时，形成向右的侧力，使得水漂带右转。左低右高则相反。在打水漂的时候，也可以这样打出带拐弯的水漂。实际上，用石片打水漂的时候，侧倾角度太大的话，石片在水面上只是划一下，然后直接沉入水里了。由于大气层边缘的密度差更加渐变，打出带拐弯的水漂反而相对容易些，但这也只是相对的，在那样的速度下，没有什么事情是容易的。


适当控制石片的左右倾角，可以打出带拐弯的水漂
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再入-拉起也是差不多的原理，在飘起阶段加速，可以较容易地重新入轨；如果带一点横倾角度，那就可以在打水漂的同时带拐弯

然而，在打出带拐弯的水漂后，航天飞机的轨迹就完全变了，再度加速入轨，就完成了变轨。由于已经处于亚轨道的高度和速度，再度入轨的燃料消耗并不大，因此借助空气动力变轨所需要的燃料消耗比在轨道上直接变轨要低得多。当然，减速到再入速度和重新加速入轨还是要消耗燃料的。有说法空气动力辅助变轨只需要消耗常规变轨0.5%的燃料，这是太乐观了，但节约依然是很显著的。与常规的卫星变轨相比，这简直是具有“无限变轨”能力了。这也不再是只能可控返回的航天飞机，而是轨道飞机了。

轨道飞机的这个“无限变轨”能力在军事上非常重要。

侦察卫星是现代军事大国的基本侦察手段。同步卫星对地球是“凝视”的，但距离太远了。为了抵近侦察以获得最高的清晰度，侦察卫星一般都在低轨道运行，对地球表面周期性扫描。这就决定了侦察卫星不可能停留在目标上空保持观察，也具有较长而且相对固定的重访周期。因此，反卫星侦察的经典方法是掐时间，在卫星过顶的时候隐蔽起来，或者提前驶离侦察卫星的可见区。


侦察卫星好是好，但轨道固定，重访周期长，容易被对方掐时间反制

在轨道上，轨道飞机与卫星无异，但具有“无限变轨”能力后，轨道飞机可随时调整轨道，极大地缩短重访周期，或者2-3架轨道飞机配合，交替飞越，形成准实时监视，这对军事侦察具有极其重大的意义。这可以在战争期间对重点地区保持密集侦察，也可以近乎实时地跟踪敌方航母。中国一旦具有这样的能力，与无侦-8等高超音速侦察机相结合，西太平洋上的美国航母就形同裸奔了。变轨也可使得重访周期不可预测，使得反侦察几乎不可能。
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“无限变轨”也使得“太空战斗机”成为可能，X-37的测试项目之一就是“非合作汇合”。说得友善点，这可以是逼近和靠上失能卫星以修复或者带回；说得火爆点，这可以是抵近摧毁敌人卫星，敌方的空间站也是一样，甚至直接俘获敌人卫星，带回地球。
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6 O* |3 e0 S6 s8 M$ o但在可预见的将来，这个能力只可能针对低轨道卫星。从低轨道返回到大气层边缘，打水漂后变轨并重新入轨，这是做得到的。但从中轨道返回并再次入轨，燃料消耗可能就是不可接受的。高轨道的问题更大。

4 `- n5 V, [6 P6 W; a8 e, i高轨道一般是地球同步轨道，主要是通信卫星。中轨道主要是导航卫星、中继通信卫星和其他可接受较长重访周期的卫星。低轨道主要是侦察卫星、大地观测卫星等。即使只能对付低轨道卫星，军事意义依然巨大。
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0 {, Z5 w! I; h; ^7 t1 f但也不能光想好事。从航天飞机到X-37，这条路走了30年，X-37首次发射到现在也有10年了，并没有已经实现空气动力辅助变轨的报道。X-37计划始终笼罩在高度机密之中，但轨道上的X-37受到全世界无数天文和航天爱好者日夜跟踪，有这样的试验是无法掩人耳目的。恶魔就在细节之中，最大的恶魔就是高超音速飞行控制和热防护。


7 R; Q$ a! J# ^5 ~4 O: \乘波体可以比作滑水，飞行体造成的激波起滑水板的作用

  c/ k8 D) W% E轨道飞机在大气层内高超音速飞行时属于乘波体，升力并非来自机翼，而是来自飞行体产生的激波，就像水面上的滑水板一样。乘波体的难度在于：这不仅是空气动力学问题，更是空气热动力学问题。激波不仅是空气高度压缩形成的现象，激波本身也是传热体，激波前后的热力学现象更是高度复杂。这使得气动控制也不再只是气动控制了，所以“带角度的打水漂”只是高度简单化的描述。

带角度的打水漂也只是转向，变轨还涉及到再次入轨，不仅要对准方向，还要站对起点，瞄对角度，算好速度。这一切都使得空气动力辅助变轨技术高度复杂，需要有深厚的高超音速飞行的技术功底。这是航空航天的前沿，而中国恰好处在领导地位。没错，在高超音速方面，中国领先世界，包括美国。

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美国倒是在同步研究旋成体和乘波体高超导弹，但乘波体的HTV-2下马了，只剩旋成体的AHW

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" G5 ~5 j, G9 Q- e' |0 R8 d中国已经列装的东风-17则是如假包换的乘波体
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就高超音速飞行体技术而言，旋成体是初级阶段，乘波体是高级阶段。美国正在发展的高超音速导弹基本上都在旋成体阶段。不一定是简单锥体，可以是双锥体，但还是跳不出锥体的大框架。这是因为锥体是轴对称的，空气热动力学处理比较简单，气动控制也比较简单，增加的小型弹翼也相对好处理。但旋成体的升阻比较低，滑翔性能不好。扁平的箭簇形乘波体更好，但乘波体的技术难度也更高。美国的乘波体HTV-2没有取得预想结果，已经下马，现在集中力量退而求其次，先把旋成体的AHW搞定。X-37是比HTV-2更加复杂的乘波体，更不容易搞定。在HTV-2失败的情况下，X-37久久没有试验关键的空气动力辅助变轨技术就不奇怪了。

另一个问题是热防护。轨道飞机在最终返回的时候，热防护问题与航天飞机一样。在打水漂的时候，气动加热时间较短，热防护问题较小。但每一次空气动力辅助变轨都是一次气动加热的过程。一次性的热防护问题相对好解决，只要坚持到落地就是胜利，大不了每次重新起飞前大修，航天飞机就是这样的，也因此而发射费用远远超过预期。但轨道飞机就没有这个可能了，必须能经受住反复的气动加热，然后才谈得上最后返回。在理想情况下，最后返回也应该不需要大修就能再次出动。这是高得多的热防护要求。
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% q# s% G3 ]4 m- r; V. `打水漂造成的气动过载对结构也是严峻的考验，不能打了几次水漂后，结构弱化甚至散架。
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中国的东风-17是世界上第一种达到实战状态的高超音速导弹，射程更大、技术更先进的高超音速导弹也时有所闻。这是助推-滑翔弹，采用先进的乘波体，长时间的高超音速滑翔首先需要解决的就是热防护问题，所以中国在这方面的技术和经验世界领先。


典型的助推-滑翔弹有一个明显的跃起-扎猛子-拉起改平的过程
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2 l, w3 V1 A6 T. P5 j但中国的助推-滑翔弹采用先进的大气层内直接起滑技术，在高层大气达到滑翔高度的时候，火箭发动机关机，利用重力自然低头，然后发动机再次点火，水平加速至起滑速度。传统的助推-滑翔有明显的跃起-扎猛子-拉起改平，有外大气层段和再入问题，中国的大气层内直接起滑与之截然不同，从轨迹上看，几乎就是爬升到滑翔高度后直接改平起滑，弹道更地平，轨迹更飘忽，也更难探测和拦截。但这是与轨道飞机的浅再入-飘起不同的。
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2 r' X% n; |$ @' c但跃起-扎猛子是东风21D和东风26C的基本功，这些反舰弹道导弹都不是简单再入，而是带气动控制的机动再入，具有有限的高超滑翔能力，否则就谈不上反舰了。所以中国在再入-拉起方面也有深厚的技术功底。
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将这些技术整合起来，并在再入控制上更上一层楼，中国X-37就水到渠成了。但胖子不是一口吃成的。首先需要测试、验证的是自主水平返回和快速再出动技术，这相当于航天飞机本来应该达到的目标。在轨道上的常规变轨也是必须测试和验证的，再次入轨技术是常规变轨的深度发展。在长期使用中，火箭发动机反复、可靠地再次启动也是需要验证的。然后就轮到验证空气动力辅助变轨及相关的可重复使用热防护、可重复使用高抗过载结构等关键技术了。

X-37在轨道上创造了722天的记录，这其实没有听上去那么了不起。只是在轨道上绕圈子的话，更长时间都没有问题。中国在1970年4月24日发射的“东方红一号”卫星现在还在轨道上继续转圈子。如果不担心成为轨道垃圾的话，无人化和采用太阳能供电后，轨道寿命只受变轨机动次数和携带燃料量的限制。
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航天飞机是能释放卫星的，也能回收卫星，但对较小的轨道飞机来说，这不是主要目的，也缺乏实用价值
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作为载具在轨道上释放卫星也不是主要目的。卫星是“有去无回”的。用长征2F那样的大型运载火箭，承受着整流罩内大量空间被浪费的代价，就为了轨道飞机在轨道上释放卫星，还不如运载火箭直接入轨释放卫星，可携带的卫星的数量、重量和体积更大，一箭多星也是早就成熟的技术。事实上，可回收的运载火箭助推级对降低卫星发射的成本更加有用，美国空间探索公司的“猎鹰”系列火箭已经证明了这一点。轨道飞机变轨后远距离相继释放卫星也需要消耗燃料，同样可由运载火箭直接做到。轨道飞机在轨道上等候时机再释放卫星也不是理由，真有这个需要的话，运载火箭最后入轨释放卫星的载荷级自己就可以成为轨道飞行体，到时候按指令释放卫星。

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, S) y* D' L$ w# |6 \% F4 b' C“锁眼11”侦察卫星在装配车间里，X-37的小身板根本不可能回收这样级别的卫星，但小卫星的回收又没有多少价值

. U0 ~. q. _, m9 s8 a载人发射则是必须有去有回的，用航天飞机作为可返回的载人载具是合理的，但无人化后，水平返回都不是最主要的优点。从空间带回卫星并不是很大的需求，真正昂贵的、有价值回收的卫星的体积很大，在太阳能电池板收回状态下，“锁眼”侦察卫星长达19.5米，直径3米，X-37的货舱只有2.1米长度，1.2米宽度，差远了。要能回收“锁眼”级别的卫星，航天飞机的货舱都不够，航天飞机的货舱也只有18.3米长、4.6米宽，回收作业是必须要留有空间，不可能刚好能塞进去。把X-37B放大到航天飞机的尺度就失去意义了，航天飞机就是因为太大而发射成本太高，也因此在技术上无法做到无大修的快速再发射。
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用X-37在空间发射反舰或者对地导弹其实是古老的想法。还在弹道导弹研发的初期，就有部份轨道武器的设想，就是把导弹打上去，在轨道上待命，在需要的时候按命令再入攻击。这在技术上不难实现，也使得导弹预警几乎不可能，但违反外层空间非军事化的国际条约，也根本不需要用到X-37。
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' [# x0 W8 a; ]7 t% j# }用X-37反卫星也一样，如果没有轨道飞机的变轨能力，X-37不比反卫星更有效，反卫星本来就是在轨道上紧贴对方卫星伴飞的杀手卫星，在需要的时候按命令最后变轨，实施非合作汇合与引爆。这是苏联时代就成熟的技术，用运载火箭打上去同样比用X-37量大价低。当然，这也是违反外层空间非军事化条约的，所以苏联并没有真正部署，至少从来没有承认过。

( C5 d- H) I! z6 B, s4 d轨道飞机之所以存在的最大理由是通过空气动力辅助的“无限变轨”能力。X-37还没有做到，就看中国的了。有意思的是，新闻通稿中说到的是“技术验证”，而不是“科学研究”。这一般是指实用化前的最后验证阶段，实用化指日可待。一旦成功，这将是中国空间军事技术的里程碑级的成就。当然，对和平利用太空也是有用的。

6 `" E8 j& ]5 H6 ^" I歼-20的图片首先在网上流传时，正式型号并未公布，人们以“黑丝”代称。现在更惨，人们连样子都没有看见，而且只能以中国的X-37代称。太低调了有时候真使人抓狂。但见首不见尾的神龙有朝一日披露真容的时候，定会带来惊喜。
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阿迪

晨大，您难道没看到过年初的科技进步特等奖的“太过先进不便展示”的成果么？

雨楼

侦查是次要的，在轨核威慑更重要。

dopplermaxgamil

已经降落回收了。实验飞行已经成功。

料理鼠王

这可是全球性的战略威胁和随时随地的远程打击。
都这样了，所谓的远程中程反导，完全是浮云。

有牙老虎

晨大，有没有可能携带燃料对高价值卫星加注以大幅度延长在轨寿命？

晨枫

有牙老虎 发表于 2020-9-6 21:03
晨大，有没有可能携带燃料对高价值卫星加注以大幅度延长在轨寿命？

0 d1 [: T/ P. g+ X有可能，但也需要量大才有意义。锁眼11中 17-19吨，X-37的最大起飞重量不到5吨，加注燃料可能还需要来回跑几趟呢，还是不大现实

akqj10

“说得友善点，这可以是逼近和靠上失能卫星以修复或者带回；说得火爆点，这可以是抵近摧毁敌人卫星，敌方的空间站也是一样，甚至直接俘获敌人卫星，带回地球。”

& u$ r8 d$ J4 a美剧space force 里面有这个桥段

马鹿

捕获卫星, 一听就让人激动

赫然

料理鼠王 发表于 2020-9-6 19:37
& P3 O% @5 ^" O+ ?9 j& t  p" C这可是全球性的战略威胁和随时随地的远程打击。
& S$ s8 O1 ^) z5 m都这样了，所谓的远程中程反导，完全是浮云。 ...

/ l) u9 ~2 T; F' F- _5 L0 F) z轨道轰炸机。。。。
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- T' d: r1 r& r# u美苏当年都搞过这个方案的、最后大家都觉得太疯狂了，1967年只好坐下来签Outer Space Treaty。。。

, o2 q5 x# W$ z5 o5 _不过，Outer Space Treaty只禁了核武器。。。没想到现在常规弹头的精度也这么高了。。。。

料理鼠王

赫然 发表于 2020-9-8 00:46
, O2 V6 Z) F2 i$ _8 Z轨道轰炸机。。。。
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美苏当年都搞过这个方案的、最后大家都觉得太疯狂了，1967年只好坐下来签Outer Spac ...

" j- P4 a% ], e" q& a美国佬总想着打造区域反导的盾，没成想出现更锋利的茅，自然吃瘪。
这不想在东亚部署中程导弹，吓得Abe君又退隐了。这种热山芋，怎么接都是民族的罪人。