X-37B在軌780天后成功返回

2019-03-14 06:13:34

無人機 2019年12期

航空工業(yè)成都飛機設(shè)計研究所，四川省成都市 610091

X-37B項目前后一共經(jīng)歷了5次在軌飛行試驗,飛行時間逐次增加。作為美國機密的無人駕駛軌道試驗飛行器驗證項目，X-37B的軍事任務(wù)至今仍是一個謎。

X-37B項目發(fā)展進程

X-37項目是由NASA在上世紀90年代末提出的，由于缺乏資金，于2004年移交給了DARPA。當時建造了一架X-40A小型進場著陸試驗飛行器，空軍采用了該設(shè)計，這就是波音X-37B空天飛機的原型。X-37B空天飛機長29ft，翼展為14ft，發(fā)射重量為11000lb(4990kg)，由“宇宙神”5(Atlas V) 501火箭運載。

X-37B空天飛機于2010年4月首次發(fā)射升空，截至目前共發(fā)射了五次，第五次(OTV-5)已于近日返回著陸，第六次任務(wù)(OTV-6)預(yù)計將于明年發(fā)射。該軌道試驗飛行器首次任務(wù)于2010年4月22日發(fā)射升空，任務(wù)編號OTV-1，224天后降落在加利福尼亞州范登堡空軍基地。第二次任務(wù)(OTV-2)于2011年3月5日升空，469天后降落在范登堡空軍基地。第三次任務(wù)(OTV-3)于2012年12月11日發(fā)射升空，執(zhí)行本次任務(wù)的X-37B與2010年發(fā)射的OTV-1為同一架，共飛行675天，并于2014年10月17日在范登堡空軍基地著陸。第四次任務(wù)(OTV-4)于2015年5月20日發(fā)射，使用的飛行器與第二次任務(wù)(OTV-2)為同一架，并在軌道上停留了718天。OTV-4首次降落在佛羅里達州，即該空天飛機目前所處的基地。第五次任務(wù)于2017年9月6日發(fā)射，完成了為期780天的近地軌道秘密任務(wù)后，于2019年10月27日黎明前降落在NASA位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心，美空軍尚未明確OTV-5任務(wù)使用的是哪架飛行器。

該項目由美空軍快速能力辦公室(AFRCO)管理，該機構(gòu)也負責管理諾斯羅普·格魯門B-21“突襲者”隱形轟炸機項目。美空軍宣稱，X-37B是美國“最新型、最先進”的再入式航天器，這一地位只有內(nèi)華達山脈公司的“追夢者”可以挑戰(zhàn)。

OTV-4完成718天的神秘飛行任務(wù)后返回

2017年5月7日，由波音公司制造的美空軍X-37B可重復使用空天飛機在太空飛行了718天后首次降落在佛羅里達州，而非加利福尼亞州。其著陸標志著該軌道試驗飛行器第四次飛行任務(wù)宣告結(jié)束。這也是X-37B首次降落在美國太空海岸，即NASA的肯尼迪航天中心航天飛機著陸場。

2015年5月20日，這架空天飛機從卡納維拉爾角搭乘聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟(ULA)的“宇宙神”5(Atlas V)火箭發(fā)射升空，進入近地軌道飛行，并攜帶了多種保密的技術(shù)實驗結(jié)果。返回地球時它從高超聲速減速，直到平穩(wěn)地降落在傳統(tǒng)跑道上。美空軍發(fā)言人稱，空軍研究實驗室(AFRL)、空間和導彈系統(tǒng)中心(SMC)以及空軍快速能力辦公室使用X-37B研究一種試驗性推進系統(tǒng)。

和其他飛行任務(wù)一樣，美空軍也公布了這次著陸，但沒有對過去近兩年來它在太空開展的活動做出任何解釋。媒體上經(jīng)常流傳著關(guān)于X-37B進行攝影偵察或者攜帶武器的猜測，例如太空軌道動能武器鎢桿彈。

美國空軍沒有確認或否認這些可能性，但表示X-37B通常用于新的太空技術(shù)的在軌測試。已證實的技術(shù)有用于測試洛克希德·馬丁公司先進極高頻(AEHF)衛(wèi)星系統(tǒng)上使用的洛克達因公司的XR-5霍爾效應(yīng)推力器。

X-37B項目經(jīng)理羅恩·費倫中校在一份聲明中稱，OTV-4的著陸標志著X-37B項目和美國的又一次成功，此次飛行任務(wù)再次創(chuàng)造了在軌續(xù)航時間記錄，并標志著該飛行器在佛羅里達州的首次著陸。項目方對其表現(xiàn)非常滿意，搜集到的數(shù)據(jù)可用于支持科學界和航天界的研究。第45太空聯(lián)隊司令韋恩·蒙蒂斯準將稱，該軌道試驗飛行器再次突破障礙，這次在佛羅里達的著陸已經(jīng)醞釀了幾年。

此前的三次飛行任務(wù)都是在加利福尼亞州范登堡空軍基地降落的，也是在那里發(fā)射的，加利福利亞州正好地處美國的另一端，而在佛羅里達州著陸可能會縮短再次出動時間。美空軍快速能力辦公室主任蘭迪·沃爾登稱，從同一地點著陸、改裝和發(fā)射的能力進一步增強了該軌道試驗飛行器快速集成和驗證新的空間技術(shù)的能力。

OTV-5在軌飛行780天后著陸

美空軍X-37B空天飛機完成了為期780天的近地軌道秘密任務(wù)，并于2019年10月27日降落在NASA位于佛羅里達州的肯尼迪航天中心，事先官方并未公開此消息。OTV-5于2017年9月7日搭載SpaceX公司的“獵鷹”9火箭發(fā)射升空，并于美國東部時間凌晨3點51分降落在航天飛機曾使用過的著陸跑道上。

美空軍快速能力辦公室主任蘭迪·沃爾登在一份聲明中稱，作為世界上唯一可重復使用的航天器，這一項目不斷挑戰(zhàn)極限。X-37B此次成功著陸意味著它完成了迄今為止時間最長的飛行，并成功地完成了所有任務(wù)目標。

X-37B由可展開的太陽能電池板供電，配備4ft乘以7ft的有效載荷，可選裝機械臂。主要作為軌道試驗臺，用于美空軍感興趣的新技術(shù)、儀器和有效載荷的試驗，項目的細節(jié)是保密的。

蘭迪·沃爾登在10月24日的美空軍協(xié)會早餐會上稱，正在進行的實驗是為了降低風險，因為這些在太空中使用的物品可能非常昂貴，并對大額采購做好準備或者對航天器未來在太空中的運作有較好了解。

該型無人駕駛的軌道試驗飛行器旨在用于垂直發(fā)射到近地軌道高度開展長期的空間技術(shù)實驗和測試。接收到地面指令后，該飛行器可以自主再入大氣層，下降并水平降落在跑道上。

美空軍指出，X-37B是自NASA的航天飛機軌道器以來第一型能夠?qū)嶒灧祷氐厍蜻M行進一步檢查和分析的飛行器，而且X-37B的在軌時間為270天或更長，可以在太空停留的時間更長。

該項目正在測試的技術(shù)包括先進制導、導航和控制、熱防護系統(tǒng)、航空電子設(shè)備、高溫結(jié)構(gòu)和密封件、保形可重復使用絕緣材料、輕型機電飛行系統(tǒng)、先進推進系統(tǒng)、先進材料和自主軌道飛行、再入和著陸。

美空軍參謀長大衛(wèi)·戈德芬將軍在聲明中稱，該航天器打破了自身的在軌時間記錄并安全返回，是政府和工業(yè)界創(chuàng)新合作的結(jié)果。

材料科學家不知X-37B的軌道參數(shù)

NASA長期致力于評估太空環(huán)境對航天器制造材料的影響，參與研究的科學家樂于能得到美空軍X-37B秘密項目的幫助，但他們并未被告知波音公司制造的這型可重復使用空天飛機會把最新材料暴露試驗帶到何處。

馬歇爾太空飛行中心的一名材料工程師米拉伊·芬克納是空間材料暴露和技術(shù)創(chuàng)新(Metis)實驗的首席調(diào)查員，她表示并不知曉X-37B的軌道和高度情況，唯一知道的是會存在原子氧，所以推測在100～1000km范圍。

Metis實驗是國際空間站材料實驗(Misse)的延續(xù)，自2001年以來，Misse一直是國際空間站的主要研究內(nèi)容。公文包大小的托盤安裝在空間站的外部，隨著空間站在陽光和黑暗中運轉(zhuǎn)，大量的25美分大小的材料樣品暴露在原子氧、太陽紫外線輻射以及極熱和極寒的腐蝕作用下。

對于米拉伊·芬克納和她的同事們來說，與X-37B能夠提供的在太空中停留的時間相比，其軌道參數(shù)并不那么重要。正在進行的暴露實驗及其產(chǎn)生的計算機數(shù)據(jù)庫會提醒航天器設(shè)計者注意可能損壞昂貴硬件的材料缺陷。

她在分析暴露樣品的實驗室接受采訪時說，地球高層稀薄大氣層的原子氧作用于航天器材料類似于“加速生銹”。宇航員利用色碼來區(qū)分扶手和危險的禁區(qū)，但是紫外線輻射會把色碼變成統(tǒng)一、無用的棕色。航天器隔熱用的保溫層在太空中可能會變脆，用于將其固定的尼龍搭扣式鉤環(huán)緊固件在相對較短的暴露時間后會變質(zhì)為塑料塊。

米拉伊·芬克納的太空暴露實驗經(jīng)驗可以追溯到由航天飛機發(fā)射的長期暴露設(shè)施(LDEF)衛(wèi)星時期。據(jù)她介紹，20世紀80年代初，科學家以為掌握了聚四氟乙烯會被腐蝕的程度，所以在哈勃望遠鏡上加裝了保護層。LDEF返回后發(fā)現(xiàn)，因為大量紫外線照射，腐蝕量高出了一個數(shù)量級，然后在任務(wù)接近尾聲時，大量的原子氧就有機可乘將其幾乎完全破壞了。

這些變化是由太陽經(jīng)歷其最小——最大周期時空間環(huán)境的變化引起的。在太陽極大期，大氣層會膨脹，所以長期的實驗可以幫助工程師們根據(jù)飛船將要遇到的太空天氣來選擇材料。超出近地軌道(LEO)的航天器不受長時間暴露于原子氧的影響，但它們面臨輻射和其他危險，這些危險在LEO實驗中不能捕捉到，必須在地面上進行模擬。

據(jù)米拉伊·芬克納介紹，Misse的實驗還發(fā)現(xiàn)了因來訪飛行器推進器羽流和其他國際空間站外部部件排氣造成的材料磨損。對回收的樣品進行分析，實驗人員還能得知影響樣品的環(huán)境情況。因此，Metis的研究人員能夠在事先不知情的情況下提取原子氧水平、紫外線輻射，甚至樣品行進方向的數(shù)據(jù)。

隨著美國航天飛機的退役，X-37B任務(wù)提供了一個難得的機會，可從太空回收更多的樣品。米拉伊·芬克納透露，X-37B此次任務(wù)(OTV-4)將攜帶一個回收的Misse陣列執(zhí)行空軍宣稱將持續(xù)200多天的任務(wù)。貨運清單上還有一個洛克達因公司為洛克希德·馬丁公司A2100衛(wèi)星制造的霍爾推力器電推進系統(tǒng)。

米拉伊·芬克納認為，X-37B有剩余空間，因此在尋找其他對飛行實驗感興趣的組織，但口口相傳的結(jié)果演變成，只要能把東西裝載到該飛行器上，X-37B就可以將其帶入太空。

X-37B軌道試驗飛行器

X-37B軌道試驗飛行器改型計劃揭曉

在為近地軌道商業(yè)貨運和載人操作的關(guān)鍵驗證作準備期間，波音公司透露了對可重復使用的X-37B軌道試驗飛行器進行類似小型航天飛機的增大改型的研究，這些改型返回時可在跑道著陸。

波音公司表示，研究更大的改型用于向國際空間站(ISS)運送物資和人員，目前該型別的飛行試驗為更雄心勃勃的增大型奠定了基礎(chǔ)。然而，NASA似乎對該改型計劃心存疑慮，稱之為測試NASA是否感興趣的“試驗氣球”。

在X-37B的成功基礎(chǔ)上，X-37增大型長度將達到47ft。該研發(fā)計劃的目標是研發(fā)一個更大的貨運飛船，作為波音公司的CST-100載人宇宙飛船的備份，以及一個可能的長期使用的載人飛船。這一概念的提出是基于美空軍正在進行的X-37B軌道試驗飛行器的驗證試驗。

威廉·葛斯坦邁亞是NASA人類探索和操作部門的副局長，負責該機構(gòu)的商業(yè)載人航天發(fā)展計劃(CCDev)。他認為商業(yè)化的X-37只是一個時機尚未成熟的想法。據(jù)他透露，已有兩家貨運飛船供應(yīng)商取得了良好進展，在載人方面也進步很大，因此在取得成效之前不會偏離這些方向。他認為，因整個政府的資金有限，X-37增大型只能算是一種試驗氣球，試探一下政府是否對此方面感興趣，觀察一下是否還能打開其他市場。

葛斯坦邁亞在2011年南非開普敦舉行的國際宇航大會(IAC)閉會期間接受《航空周刊》采訪時說，使用X-37向國際空間站運送物資或人員唯一可能的情況是“緊急情況下”而其他商業(yè)發(fā)射方案進展都不順利。根據(jù)CCDev協(xié)議，該機構(gòu)只能在供應(yīng)商違約或停止工作的情況下才會尋求替代方案。他表示，這些公司的項目價值分析實際上是基于它們擁有的良好的市場份額，該項目需要向國際空間站運送物資，因此需要20公噸的運力，如果放棄這個項目，會削弱運送能力，這樣并不好。

NASA已經(jīng)與波音公司簽署了一項CCDev協(xié)議，建造具備7座鋁制太空艙的CST-100載人太空飛船，并將搭載“宇宙神”5(Atlas V)火箭進入太空。負責這項工作的波音公司官員表示，隨著CCDev工作的推進，波音公司將憑借該太空艙繼續(xù)進入商業(yè)載人領(lǐng)域。

波音防務(wù)、空間與安全集團副總裁兼太空探索總經(jīng)理約翰·埃本稱，X-37B顯而易見是個貨運飛船，要把它用作載人太空飛船，還有很多工作要做。在考慮將X-37B作為載人太空飛船時，是采用太空艙還是基于X-37的帶翼飛行器，波音公司內(nèi)部做出了權(quán)衡。對固定價格環(huán)境下研發(fā)帶翼飛行器和簡單太空艙相關(guān)的風險進行了比較后，最終選用了太空艙。

約翰·埃本指出，X-37B發(fā)展研究小組作為供應(yīng)商之一，支持美國內(nèi)華達山脈公司制造一種升力體載人太空飛船。但這項工作與CST-100工作無關(guān)，也與波音的CCDev項目無關(guān)。和葛斯坦邁亞一樣，約翰·埃本也認為X-37是一個貨運飛船的備份，以備在SpaceX公司和軌道科學公司無法研制出其貨運飛船的情況下使用。埃本稱，基于貨運飛船供應(yīng)商的情況，X-37可能會是將物資運送至空間站的一個真正的短期解決方案。

X-37B的發(fā)展研究可以追溯到NASA未用于軍用之前的軌道試驗飛行器原型，設(shè)想分三個階段構(gòu)建。第一階段為29ft長的飛行器，用于飛往國際空間站的驗證飛行。按照目前的配置，X-37B裝載于帶5m(16.4ft)整流罩的“宇宙神”5火箭內(nèi)發(fā)射，能夠運載龐大的物品，例如空間站的控制力矩陀螺儀、電池放電和泵組件。

第二階段將研發(fā)165%尺寸的增大型，約47ft長，空間也足夠大能將較大的外場可更換單元(LRU)運送到空間站。增大型將驗證進出國際空間站的操作，為第三階段的載人型別奠定基礎(chǔ)。波音X-37B項目負責人阿特·甘茨表示，載人型別將能夠運送“5到7名宇航員”。

阿特·甘茨在加利福尼亞州長灘舉行的美國航空航天學會(AIAA)2011年空間會議上稱，下一步是研制一種更大的貨運飛船，可以運載和運回國際空間站的大型外場可更換單元，同時消除航天員自主往返近地軌道的風險。