唐駁虎:中國新太空飛行器=全球打擊太空戰機?不是

中國9月4日在酒泉衛星發射中心成功發射的可重複使用試驗太空飛行器，在軌飛行2天後，於9月6日成功返回預定著陸場。

這次試驗的圓滿成功，標誌著中國可重複使用太空飛行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，想必大家都聽說了。而成果的意義，官方新聞通稿也寫的清清楚楚、明明白白：

標誌著中國可重複使用太空飛行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，還是要復用，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：利用飛行平臺發射太空梭，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公裡以上的大型載機，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公裡高度，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。

太空梭和迷你太空梭

較為現實的，仍然只有太空梭思路，也就是火箭垂直起飛+滑翔再入地球。

而此前成功發射太空梭的只有兩家：美國和蘇聯。

美國80年代開創的太空梭時代就不用說了，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、側掛式火箭動力太空梭、頂託式中型太空梭、頂託式小型太空梭、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，太空梭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年美國太空梭到期退役，似乎判了太空梭的死刑。

但美國第一代太空梭（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：大的太空梭太貴，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太空梭。在第一代太空梭還未完全退役時，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太空梭，噸位不到第一代太空梭的1/20。可承擔的軍事功能也極其有限——

如果說小小的X-37B就算「大殺器」的話，那麼比它大20倍以上，活躍了30年的第一代太空梭又算什麼？殲星艦？可人們都在嘲諷那是無用的大白象啊？

空天戰機？說這話的都是偽專家

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太空飛行器。

空軍快速能力辦公室和波音公司籤署合同，建造名為X-37B的新飛機，這才是真正的無人太空梭。

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——第一代太空梭是它的100倍。

由於美軍沒有公布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，第一代太空梭時代早就做了。

從公布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顆小衛星。

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，美軍未公布的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， 作為各種偵察衛星的新型傳感器太空試驗平臺，也包括對衛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，對改善偵察衛星和其他軍用衛星的壽命很有意義。

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——

作為全球打擊平臺，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。

作為反衛星平臺，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，毀傷或捕獲敵國衛星和其他太空飛行器。

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。

意味著新的超高聲速天基作戰平臺建立，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，不了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。

上了天就不要說什麼「強大的機動能力」

說這些話的人，可知X-37B只裝了一臺通信衛星所用的500牛（50公斤力）姿控發動機？用50公斤力去推5噸重的太空飛行器，本質上和一顆衛星沒啥大區別？

▎X-37B只裝了一臺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，太空飛行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，太空梭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」。也就差不多是太空飛行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太空飛行器，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衛星了。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衛星，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太空飛行器，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。

至於傳說中的先降速降高，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。

至於很多人想像的「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，太空飛行器就像被一根無形繩索——引力系住的風箏，環繞著地球高速飛行。

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，只有沿著軌道飄，才能維持得了飛行的樣子。

燃料不足是所有在軌太空飛行器的死穴

這是牛頓三定律、萬有引力定律、克卜勒三定律、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像不到的軌道世界。

當然，萬有引力定律與人造地球衛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太空飛行器總體質量，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，太空飛行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太空飛行器，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，第一代太空梭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。

這裡沒有什麼移形換影大法，因為天上沒有幾十倍的燃料。所以太空飛行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不是秘密飛行嗎？這些數據哪來的？

X-37B的秘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，軌道參數就沒有秘密可言。

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說了。

正因為近地太空飛行器都得沿著固定軌道走，只有極小的調整空間，所以所有的衛星都在各國的監控範圍下，隨時可以給你一發反衛星飛彈幹下來。

而從地面發射的反衛星飛彈，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。

所以說，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臺而已。

而早在2007年底就在網上曝光的中國「神龍」小型太空梭縮比模型，直到2020年才正式升空，比X-37B晚了10年，也比很多人的想像晚了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太空梭式太空飛行器，無疑更是一個巨大的突破。

正如官方通報所說，這是一型試驗太空飛行器，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。

試驗太空飛行器的屬性也說明了體量不太大，所以運載能力8噸多的長徵-2F火箭就能發射。未來的實用型號至少應放大至25噸，由長徵-5號發射。

至於非和平手段的高超音速武器，那是國慶閱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。