唐駁虎:中國新航天器=全球打擊太空戰機?不是

唐駁虎:中國新航天器=全球打擊太空戰機?不是

2020年09月07日 18:07:13
來源:唐駁虎

文/鳳凰新聞客户端榮譽主筆 唐駁虎

核心提示:

1、目前重複利用的太空往返方式包括垂直起飛+垂直回收、水平起飛+水平回收、垂直起飛+水平回收。分別對應馬斯克回收火箭思路、錢學森空天飛機思路,以及更為現實的航天飛機思路。

2、中國論證載人航天方案時,航天飛機及空天飛機成為主流,但資金和技術限制選擇了返回式飛船方案即“神舟”系列。中國的“神龍”標誌着中國第一次擁有並完整試驗了航天飛機式航天器,是一個巨大突破。

3、航天飛機最重要的問題在於既要載人又要貨運,導致太大太貴。由此美國空軍推出迷你級航天飛機X-37B,常被誤稱為“空天戰機”。實際上只是執行一些基礎科學實驗。

4、近地航天器大幅改變軌道面耗能極大,所以在天上根本沒有“強大的機動能力”。所謂“太空戰”更是不切實際,因為相對地面發射的火箭,近地航天器都是跑不了的活靶子。

中國9月4日在酒泉衞星發射中心成功發射的可重複使用試驗航天器,在軌飛行2天后,於9月6日成功返回預定着陸場。

這次試驗的圓滿成功,標誌着中國可重複使用航天器技術研究取得重要突破,後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

這兩天的大新聞,想必大家都聽説了。而成果的意義,官方新聞通稿也寫的清清楚楚、明明白白:

標誌着中國可重複使用航天器技術研究取得重要突破,後續可為和平利用太空提供更加便捷、廉價的往返方式。

這是中國在太空往返方式上取得的新突破。歸根結底,要降低成本、降低往返難度,還是要複用,不論是運載器還是軌道器。

馬斯克提出了火箭垂直回收,飛船再利用,這是垂直起飛+垂直回收的思路。

但更高明的還有另一條路:利用飛行平台發射航天飛機,也能夠實現重複利用,這是水平起飛+水平回收的思路。

這也就是科學家們設想多年的空天飛機。最早提出這一概念的,就是大名鼎鼎的錢學森。

錢老1949年在紐約的美國火箭學會會議上,就提出把火箭與飛機結合起來,以實現洲際高速客機的設想。

但要達到這一點,需要造出6倍音速以上、飛行高度60公里以上的大型載機,才能與火箭動力實現合理銜接,做到儘可能節約能量。

迄今為止最接近這一點的飛機是SR-71,只能做到3倍音速、30公里高度,而且體量也只有理想規模的一半。

至於其他飛得更快更高的試驗機X-15、X-43、X-51,背後都是火箭助推的結果。因此無論中國還是美國,距離這個水平的載機都還有至少15年的差距。

航天飛機和迷你航天飛機

較為現實的,仍然只有航天飛機思路,也就是火箭垂直起飛+滑翔再入地球。

而此前成功發射航天飛機的只有兩家:美國和蘇聯。

美國80年代開創的航天飛機時代就不用説了,蘇聯解體前發射過一次的無人駕駛“暴風雪”號,也是蘇聯航天技術的集大成者。像無人駕駛返航這一點,技術含量其實就高於美國。

▎從左往右分別為:大型空中載機攜帶的中型空天飛機、側掛式火箭動力航天飛機、頂託式中型航天飛機、頂託式小型航天飛機、載人飛船。

在1987年,中國各航天、航空院所在論證中國載人航天方案的時候,航天飛機乃至空天飛機的方案也成為了擬議的主流。

但由於資金、技術的現實限制,最後還是選擇了最傳統、技術難度相對最小的返回式飛船方案。這也就成了從1992年起步,2003年載人首飛的“神舟”號飛船。

2011年美國航天飛機到期退役,似乎判了航天飛機的死刑。

但美國第一代航天飛機(也包括類似構型的蘇聯)的問題,除了隔熱瓦缺陷導致2003年“哥倫比亞”號返航失事,為節約成本不設彈射救生系統導致1986年“挑戰者”號升空慘劇,更重要的問題還在於太大、太貴。

起因是設計時既追求6~8人的載人能力,又追求25噸級的貨運能力,導致噸位過大(104噸),成本高昂。平均每次發射的成本達7.75億美元(2010年美元價格)。

改進的思路也是很清晰的:大的航天飛機太貴,小的不就便宜了嘛!貨運與載人分離,貨運可以無人化。

這就有了美國空軍的X-37B航天飛機。在第一代航天飛機還未完全退役時,實驗性的X-37B就已經升空。

而由於X-37B承擔軍事項目的不透明,也就營造出了新一輪神話。

最典型的是中文世界對其最普遍的稱呼——空天飛機、空天戰鬥機。但這顯然是不對的。

X-37B本質上屬於迷你級無人航天飛機,噸位不到第一代航天飛機的1/20。可承擔的軍事功能也極其有限——

如果説小小的X-37B就算“大殺器”的話,那麼比它大20倍以上,活躍了30年的第一代航天飛機又算什麼?殲星艦?可人們都在嘲諷那是無用的大白象啊?

空天戰機?説這話的都是偽專家

1998年,NASA的馬歇爾研究中心提出了Future-X計劃,發展為後來的X-37。當時的定位是:

通過驗證試驗,最終獲得一種可重複使用、長期在軌,而且具備返回地面後72小時內重新升空能力的太空飛行器。

1999年,NASA和美國空軍讓波音製造了一架無動力的X-40A滑翔模型,用於測試自主導航系統。

X-40A由直升機吊掛升空到5000米高度,然後釋放滑翔,自主降落。X-40A在2001年進行了七次投放測試。

▎X-37滑翔模型(左)與X-40A

2004年,這個項目的主導從NASA轉移到國防部的國防高級研究計劃局DARPA。

波音又建造了放大20%的X-37滑翔模型,並換由特殊載機“白騎士”掛飛,2006年進行了三次投放測試。

下一步就是製造功能齊全、包括防熱瓦和推進系統的航天器。

空軍快速能力辦公室和波音公司簽署合同,建造名為X-37B的新飛機,這才是真正的無人航天飛機。

X-37B機身長8.9米,寬2.9米,翼展4.55米,空重3.5噸,起飛重5噸。

它的任務載荷艙尺寸2.1米×1.2米,可搭載250公斤載荷——第一代航天飛機是它的100倍。

由於美軍沒有公佈X-37B在軌飛行試驗的太多具體內容,引發外界諸多猜測。

但僅從任務載荷艙大小來看,X-37B承擔不了什麼像樣的任務。要做的話,第一代航天飛機時代早就做了。

從公佈的一些試驗任務來看,總體上平淡無奇。

▎X-37B第四次任務進行了離子推進器電推進實驗(左側白色罩子)

第四次任務進行了離子推進器電推進實驗,以及NASA的20多種航天材料太空暴露老化試驗。

第五次任務攜帶了空軍研究實驗室的嵌入式熱管散熱實驗,並釋放了3顆小衞星。

第六次任務則包括海軍研究實驗室的將能量以微波形式發射回地球。

甚至還包括宇宙輻射對植物種子的影響。這種最傳統的太空實驗,已經被許多生物學家視為準“偽科學”。

真正的航天專家認為,美軍未公佈的X-37B載荷與實驗內容,主要是承載了國家偵察辦公室(NRO)的任務, 作為各種偵察衞星的新型傳感器太空試驗平台,也包括對衞星器材設備在太空中輻射老化的可靠性實驗,這個結果需要帶回地球評估,對改善偵察衞星和其他軍用衞星的壽命很有意義。

至於各種媒體、自媒體、偽專家所營造出來的X-37B種種玄幻級神話——

作為全球打擊平台,遂行天地打擊。X-37B憑藉其強大的軌道機動能力,可實施大範圍變軌,快速抵達打擊位置。

作為反衞星平台,通過大幅軌道機動和精確軌道控制技術,抵達目標附近發動攻擊,毀傷或捕獲敵國衞星和其他航天器。

強大的機動能力,可跨越空間、臨近空間和空中3個空域實施作戰行動,實施快速打擊,成為真正的空天戰鬥機,太空戰時代正式到來。

意味着新的超高聲速天基作戰平台建立,實施全球即時打擊,將成為奪取制太空權、戰爭制勝權的重要砝碼。

這簡直是遇神弒神,見佛滅佛,萬古至尊,誰莫能擋了。實在是太可怕了。

呵呵,不瞭解航天的普通人也就罷了,若是那個專家信了“強大的機動能力”,立刻可以判斷:這是一個偽專家。

上了天就不要説什麼“強大的機動能力”

説這些話的人,可知X-37B只裝了一台通信衞星所用的500牛(50公斤力)姿控發動機?用50公斤力去推5噸重的航天器,本質上和一顆衞星沒啥大區別?

▎X-37B只裝了一台50公斤力主發動機

而且問題還不在於發動機推力大小,而在於航天尤其是地球近地軌道的本質是什麼?

與科幻片中飛船隨意穿梭的自由截然不同,航天器近地軌道是在速度、慣性和地球引力約束下,極其刻板地決定了軌道的大小、形狀和空間、時間的方位。用“難以動彈”形容,並不為過。

在太空中,對於飛行器軌道的任何改變,都需要付出相應的燃料,然後產生所需的速度增量(ΔV)為代價。

轉移前後的軌道在同一平面的,稱為“共面轉移”。共面轉移只需要增減速度即可,所需能量很省。

例如,航天飛機或者飛船想要降低軌道返回地球,只需300米/秒甚至90米/秒的初始速度變化即可,剩下的交給氣動阻力來辦。

提升軌道所需的速度增量,一般也不超過1000米/秒。發動機持續工作一段時間便可實現。

而要改變軌道傾角/軌道面的,稱為“非共面轉移”。非共面轉移所需要的速度增量就大了去了。

如圖所示,僅僅是改變15°的軌道面夾角,就需要付出2000米/秒速度增量。如果想轉移60°,那就差不多是7900米/秒了。

7900米/秒,就正好是“第一宇宙速度”。也就差不多是航天器從地面發射升空達到環繞地球要達到的速度。

而為了這個速度和抬升高度,火箭發射需要付出近50倍的燃料,才能將1個單位重量的物體送入近地軌道。

改變軌道面,吃力不討好,非常耗能量。對於燃料充裕的火箭還好。對於已經送入近地軌道的航天器,少量的推進劑非常金貴。

實踐中唯一需要大幅改變軌道面的,只有從非赤道發射場發射、最終要改到赤道面上的地球同步衞星了。這其中也是儘可能可利用火箭第三級、上升級的能量。

美國1964年發射首顆地球同步衞星,蘇聯直到1974年才有,其中的主要原因便是蘇聯發射場緯度高,改變軌道面付出的能量代價更大,需要強力火箭和巧妙軌道。

而對於已在近地軌道上的航天器,簡單測算改變20°軌道面夾角,就需要付出佔總重40%的推進劑。

X-37B一共5噸重量,只攜帶了不到1噸燃料(20%),因此這是不可能的任務。

至於傳説中的先降速降高,到大氣較稠密的下層軌道氣動轉身,再加速抬升軌道——降速加速的過程耗費的能量一樣少不了。

▎ 圖中是兩個傾角相同但“升交點赤經”不同的軌道面,可見是迥然不同的位置。

以上還是簡單地改變一個軌道面夾角,如果是想改變“升交點赤經”——軌道與赤道交界點、決定軌道面空間方位的另一個更重要參數,那就更不用想了。

至於很多人想象的“自由飛梭”,連什麼軌道、軌道面、方向、高度都全然無視,想拐就拐,想漂移就漂移,那就是玄幻世界而不是現實宇宙了。

歸根結底,近地空間受到地球引力的決定性作用,航天器就像被一根無形繩索——引力系住的風箏,環繞着地球高速飛行。

所以,大幅度改變軌道面這件事不要想了,航天飛行不是這麼玩的。

自由航行是不可能的,這輩子都不可能的,只有沿着軌道飄,才能維持得了飛行的樣子。

燃料不足是所有在軌航天器的死穴

這是牛頓三定律、萬有引力定律、開普勒三定律、齊奧爾可夫斯基公式決定的物理世界,也是絕大多數普通人想象不到的軌道世界。

當然,萬有引力定律與人造地球衞星現在已經是中學物理必修內容。但航天的最基礎基石齊奧爾可夫斯基公式還不是。

所以,一般人理解不了在太空改變速度,要付出多少燃料代價。更理解不了僅僅是“稍微”變下軌道面,要花多少燃料。

齊奧爾可夫斯基公式如下:

v為獲得的速度增量,ω為噴流相對火箭的速度,m0和mk分別為發動機工作開始和結束時的航天器總體質量,ln為比值的自然對數。

現在化學火箭的真空噴流速度一般為3500米/秒左右,因此如果速度增量要達到2000米/秒,航天器就要噴掉自身總重43.5%的燃料。

因此,對於已在近地軌道上的航天器,僅僅是改變20°軌道面夾角,就需要達成2000米/秒速度增量,進而要付出佔總重43.5%的推進劑。

X-37B一共5噸重量,只攜帶了不到1噸燃料(不足20%),因此這是不可能的任務。

考慮到還需要減速返航,第一代航天飛機104噸,攜帶了10噸燃料(重量比例10%),只能改變2.5°軌道面夾角。

X-37B以5噸重量最多裝載1噸燃料(20%),也就能改變5°軌道面夾角,微乎其微,聊勝於無。

這裏沒有什麼移形換影大法,因為天上沒有幾十倍的燃料。所以航天器上的發動機與燃料都只能滿足變軌、調整姿態的需求而已。

簡單的物理定律決定了,人類現在做不出推力、燃料儲備足以自由飛行的宇航器。

太空戰發起的最佳位置,是地面

實際上在X-37B的六次飛行實踐中,最大的改變量只有0.9°。

很多人就問了,X-37B不是祕密飛行嗎?這些數據哪來的?

X-37B的祕密僅在於部分載荷和試驗任務上,升了天,眾目睽睽掛在天上,軌道參數就沒有祕密可言。

很多航天愛好者都能追蹤、監控甚至拍攝X-37B,至於能力更強大的大國就更不用説了。

正因為近地航天器都得沿着固定軌道走,只有極小的調整空間,所以所有的衞星都在各國的監控範圍下,隨時可以給你一發反衞星導彈幹下來。

而從地面發射的反衞星導彈,燃料充足,目標明確,可以有針對性的指哪打哪,比起天上的活靶子自由太多了。

同樣,所謂的“上帝權杖”“太空核彈”,想從天上就能隨時隨意往地上特定位置扔東西?

只要是略懂航天常識就知道,這要麼是不可能,或者是成本極高、效費比極低的東西。因為經常天地空間錯位,即使不錯位所需速度變量也很大,燃料消耗極大。

所以説,太空戰發起的最佳位置,是地面。對地面發射的火箭而言,天上的玩意都是跑不了的活靶子。

X-37B不是神話,中國的神龍卻是進步

所以,美國X-37B不是什麼了不起的東西,更絕對不是什麼全球打擊太空戰機。它實際上就只是美軍的一個小型實驗平台而已。

而早在2007年底就在網上曝光的中國“神龍”小型航天飛機縮比模型,直到2020年才正式升空,比X-37B晚了10年,也比很多人的想象晚了10年。

但可以想見,這10年“神龍”可以改用很多更好的部件材料,比如防護性能更好的隔熱瓦材料,更精確自動化的導航系統等等。

當然,中國終於第一次擁有並且完整試驗了航天飛機式航天器,無疑更是一個巨大的突破。

正如官方通報所説,這是一型試驗航天器,將按計劃開展可重複使用技術驗證,為和平利用太空提供技術支撐。

通報簡明扼要,也如實通報了情況,並沒有其他需要猜測的內容。

試驗航天器的屬性也説明了體量不太大,所以運載能力8噸多的長征-2F火箭就能發射。未來的實用型號至少應放大至25噸,由長征-5號發射。

至於非和平手段的高超音速武器,那是國慶閲兵所需要展示的東西,已經很多很全面了。沒有必要誤會對手,更沒有必要誤會自己。