唐驳虎:中国新航天器=全球打击太空战机?不是

眾博註冊:唐驳虎:中国新航天器=全球打击太空战机?不是

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2020年09月07日 18:07:13
来源:唐驳虎

文/凤凰新闻客户端荣誉主笔 唐驳虎

核心提示:

1、目前重复利用的太空往返方式包括垂直起飞+垂直回收、水平起飞+水平回收、垂直起飞+水平回收。分别对应马斯克回收火箭思路、钱学森空天飞机思路,以及更为现实的航天飞机思路。

2、中国论证载人航天方案时,航天飞机及空天飞机成为主流,但资金和技术限制选择了返回式飞船方案即“神舟”系列。中国的“神龙”标志着中国第一次拥有并完整试验了航天飞机式航天器,是一个巨大突破。

3、航天飞机最重要的问题在于既要载人又要货运,导致太大太贵。由此美国空军推出迷你级航天飞机X-37B,常被误称为“空天战机”。实际上只是执行一些基础科学实验。

4、近地航天器大幅改变轨道面耗能极大,所以在天上根本没有“强大的机动能力”。所谓“太空战”更是不切实际,因为相对地面发射的火箭,近地航天器都是跑不了的活靶子。

中国9月4日在酒泉卫星发射中心成功发射的可重复使用试验航天器,在轨飞行2天后,于9月6日成功返回预定着陆场。

这次试验的圆满成功,标志着中国可重复使用航天器技术研究取得重要突破,后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

这两天的大新闻,想必大家都听说了。而成果的意义,官方新闻通稿也写的清清楚楚、明明白白:

标志着中国可重复使用航天器技术研究取得重要突破,后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

这是中国在太空往返方式上取得的新突破。归根结底,要降低成本、降低往返难度,还是要复用,不论是运载器还是轨道器。

马斯克提出了火箭垂直回收,飞船再利用,这是垂直起飞+垂直回收的思路。

但更高明的还有另一条路:利用飞行平台发射航天飞机,也能够实现重复利用,这是水平起飞+水平回收的思路。

这也就是科学家们设想多年的空天飞机。最早提出这一概念的,就是大名鼎鼎的钱学森。

钱老1949年在纽约的美国火箭学会会议上,就提出把火箭与飞机结合起来,以实现洲际高速客机的设想。

但要达到这一点,需要造出6倍音速以上、飞行高度60公里以上的大型载机,才能与火箭动力实现合理衔接,做到尽可能节约能量。

迄今为止最接近这一点的飞机是SR-71,只能做到3倍音速、30公里高度,而且体量也只有理想规模的一半。

至于其他飞得更快更高的试验机X-15、X-43、X-51,背后都是火箭助推的结果。因此无论中国还是美国,距离这个水平的载机都还有至少15年的差距。

航天飞机和迷你航天飞机

较为现实的,仍然只有航天飞机思路,也就是火箭垂直起飞+滑翔再入地球。

而此前成功发射航天飞机的只有两家:美国和苏联。

美国80年代开创的航天飞机时代就不用说了,苏联解体前发射过一次的无人驾驶“暴风雪”号,也是苏联航天技术的集大成者。像无人驾驶返航这一点,技术含量其实就高于美国。

▎从左往右分别为:大型空中载机携带的中型空天飞机、侧挂式火箭动力航天飞机、顶托式中型航天飞机、顶托式小型航天飞机、载人飞船。

在1987年,中国各航天、航空院所在论证中国载人航天方案的时候,航天飞机乃至空天飞机的方案也成为了拟议的主流。

但由于资金、技术的现实限制,最后还是选择了最传统、技术难度相对最小的返回式飞船方案。这也就成了从1992年起步,2003年载人首飞的“神舟”号飞船。

2011年美国航天飞机到期退役,似乎判了航天飞机的死刑。

但美国第一代航天飞机(也包括类似构型的苏联)的问题,除了隔热瓦缺陷导致2003年“哥伦比亚”号返航失事,为节约成本不设弹射救生系统导致1986年“挑战者”号升空惨剧,更重要的问题还在于太大、太贵。

起因是设计时既追求6~8人的载人能力,又追求25吨级的货运能力,导致吨位过大(104吨),成本高昂。平均每次发射的成本达7.75亿美元(2010年美元价格)。

改进的思路也是很清晰的:大的航天飞机太贵,小的不就便宜了嘛!货运与载人分离,货运可以无人化。

这就有了美国空军的X-37B航天飞机。在第一代航天飞机还未完全退役时,实验性的X-37B就已经升空。

而由于X-37B承担军事项目的不透明,也就营造出了新一轮神话。

最典型的是中文世界对其最普遍的称呼——空天飞机、空天战斗机。但这显然是不对的。

X-37B本质上属于迷你级无人航天飞机,吨位不到第一代航天飞机的1/20。可承担的军事功能也极其有限——

如果说小小的X-37B就算“大杀器”的话,那么比它大20倍以上,活跃了30年的第一代航天飞机又算什么?歼星舰?可人们都在嘲讽那是无用的大白象啊?

空天战机?说这话的都是伪专家

1998年,NASA的马歇尔研究中心提出了Future-X计划,发展为后来的X-37。当时的定位是:

通过验证试验,最终获得一种可重复使用、长期在轨,而且具备返回地面后72小时内重新升空能力的太空飞行器。

1999年,NASA和美国空军让波音制造了一架无动力的X-40A滑翔模型,用于测试自主导航系统。

X-40A由直升机吊挂升空到5000米高度,然后释放滑翔,自主降落。X-40A在2001年进行了七次投放测试。

▎X-37滑翔模型(左)与X-40A

2004年,这个项目的主导从NASA转移到国防部的国防高级研究计划局DARPA。

波音又建造了放大20%的X-37滑翔模型,并换由特殊载机“白骑士”挂飞,2006年进行了三次投放测试。

下一步就是制造功能齐全、包括防热瓦和推进系统的航天器。

空军快速能力办公室和波音公司签署合同,建造名为X-37B的新飞机,这才是真正的无人航天飞机。

X-37B机身长8.9米,宽2.9米,翼展4.55米,空重3.5吨,起飞重5吨。

它的任务载荷舱尺寸2.1米×1.2米,可搭载250公斤载荷——第一代航天飞机是它的100倍。

由于美军没有公布X-37B在轨飞行试验的太多具体内容,引发外界诸多猜测。

但仅从任务载荷舱大小来看,X-37B承担不了什么像样的任务。要做的话,第一代航天飞机时代早就做了。

从公布的一些试验任务来看,总体上平淡无奇。

▎X-37B第四次任务进行了离子推进器电推进实验(左侧白色罩子)

第四次任务进行了离子推进器电推进实验,以及NASA的20多种航天材料太空暴露老化试验。

第五次任务携带了空军研究实验室的嵌入式热管散热实验,并释放了3颗小卫星。

第六次任务则包括海军研究实验室的将能量以微波形式发射回地球。

甚至还包括宇宙辐射对植物种子的影响。这种最传统的太空实验,已经被许多生物学家视为准“伪科学”。

真正的航天专家认为,美军未公布的X-37B载荷与实验内容,主要是承载了国家侦察办公室(NRO)的任务, 作为各种侦察卫星的新型传感器太空试验平台,也包括对卫星器材设备在太空中辐射老化的可靠性实验,这个结果需要带回地球评估,对改善侦察卫星和其他军用卫星的寿命很有意义。

至于各种媒体、自媒体、伪专家所营造出来的X-37B种种玄幻级神话——

作为全球打击平台,遂行天地打击。X-37B凭借其强大的轨道机动能力,可实施大范围变轨,快速抵达打击位置。

作为反卫星平台,通过大幅轨道机动和精确轨道控制技术,抵达目标附近发动攻击,毁伤或捕获敌国卫星和其他航天器。

强大的机动能力,可跨越空间、临近空间和空中3个空域实施作战行动,实施快速打击,成为真正的空天战斗机,太空战时代正式到来。

意味着新的超高声速天基作战平台建立,实施全球即时打击,将成为夺取制太空权、战争制胜权的重要砝码。

这简直是遇神弑神,见佛灭佛,万古至尊,谁莫能挡了。实在是太可怕了。

呵呵,不了解航天的普通人也就罢了,若是那个专家信了“强大的机动能力”,立刻可以判断:这是一个伪专家。

上了天就不要说什么“强大的机动能力”

说这些话的人,可知X-37B只装了一台通信卫星所用的500牛(50公斤力)姿控发动机?用50公斤力去推5吨重的航天器,本质上和一颗卫星没啥大区别?

▎X-37B只装了一台50公斤力主发动机

而且问题还不在于发动机推力大小,而在于航天尤其是地球近地轨道的本质是什么?

与科幻片中飞船随意穿梭的自由截然不同,航天器近地轨道是在速度、惯性和地球引力约束下,极其刻板地决定了轨道的大小、形状和空间、时间的方位。用“难以动弹”形容,并不为过。

在太空中,对于飞行器轨道的任何改变,都需要付出相应的燃料,然后产生所需的速度增量(ΔV)为代价。

转移前后的轨道在同一平面的,称为“共面转移”。共面转移只需要增减速度即可,所需能量很省。

例如,航天飞机或者飞船想要降低轨道返回地球,只需300米/秒甚至90米/秒的初始速度变化即可,剩下的交给气动阻力来办。

提升轨道所需的速度增量,一般也不超过1000米/秒。发动机持续工作一段时间便可实现。

而要改变轨道倾角/轨道面的,称为“非共面转移”。非共面转移所需要的速度增量就大了去了。

如图所示,仅仅是改变15°的轨道面夹角,就需要付出2000米/秒速度增量。如果想转移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从地面发射升空达到环绕地球要达到的速度。

而为了这个速度和抬升高度,火箭发射需要付出近50倍的燃料,才能将1个单位重量的物体送入近地轨道。

改变轨道面,吃力不讨好,非常耗能量。对于燃料充裕的火箭还好。对于已经送入近地轨道的航天器,少量的推进剂非常金贵。

实践中唯一需要大幅改变轨道面的,只有从非赤道发射场发射、最终要改到赤道面上的地球同步卫星了。这其中也是尽可能可利用火箭第三级、上升级的能量。

美国1964年发射首颗地球同步卫星,苏联直到1974年才有,其中的主要原因便是苏联发射场纬度高,改变轨道面付出的能量代价更大,需要强力火箭和巧妙轨道。

而对于已在近地轨道上的航天器,简单测算改变20°轨道面夹角,就需要付出占总重40%的推进剂。

X-37B一共5吨重量,只携带了不到1吨燃料(20%),因此这是不可能的任务。

至于传说中的先降速降高,到大气较稠密的下层轨道气动转身,再加速抬升轨道——降速加速的过程耗费的能量一样少不了。

▎ 图中是两个倾角相同但“升交点赤经”不同的轨道面,可见是迥然不同的位置。

以上还是简单地改变一个轨道面夹角,如果是想改变“升交点赤经”——轨道与赤道交界点、决定轨道面空间方位的另一个更重要参数,那就更不用想了。

至于很多人想象的“自由飞梭”,连什么轨道、轨道面、方向、高度都全然无视,想拐就拐,想漂移就漂移,那就是玄幻世界而不是现实宇宙了。

归根结底,近地空间受到地球引力的决定性作用,航天器就像被一根无形绳索——引力系住的风筝,环绕着地球高速飞行。

所以,大幅度改变轨道面这件事不要想了,航天飞行不是这么玩的。

自由航行是不可能的,这辈子都不可能的,只有沿着轨道飘,才能维持得了飞行的样子。

燃料不足是所有在轨航天器的死穴

这是牛顿三定律、万有引力定律、开普勒三定律、齐奥尔可夫斯基公式决定的物理世界,也是绝大多数普通人想象不到的轨道世界。

当然,万有引力定律与人造地球卫星现在已经是中学物理必修内容。但航天的最基础基石齐奥尔可夫斯基公式还不是。

所以,一般人理解不了在太空改变速度,要付出多少燃料代价。更理解不了仅仅是“稍微”变下轨道面,要花多少燃料。

齐奥尔可夫斯基公式如下:

v为获得的速度增量,ω为喷流相对火箭的速度,m0和mk分别为发动机工作开始和结束时的航天器总体质量,ln为比值的自然对数。

现在化学火箭的真空喷流速度一般为3500米/秒左右,因此如果速度增量要达到2000米/秒,航天器就要喷掉自身总重43.5%的燃料。

因此,对于已在近地轨道上的航天器,仅仅是改变20°轨道面夹角,就需要达成2000米/秒速度增量,进而要付出占总重43.5%的推进剂。

X-37B一共5吨重量,只携带了不到1吨燃料(不足20%),因此这是不可能的任务。

考虑到还需要减速返航,第一代航天飞机104吨,携带了10吨燃料(重量比例10%),只能改变2.5°轨道面夹角。

X-37B以5吨重量最多装载1吨燃料(20%),也就能改变5°轨道面夹角,微乎其微,聊胜于无。

这里没有什么移形换影大法,因为天上没有几十倍的燃料。所以航天器上的发动机与燃料都只能满足变轨、调整姿态的需求而已。

简单的物理定律决定了,人类现在做不出推力、燃料储备足以自由飞行的宇航器。

太空战发起的最佳位置,是地面

实际上在X-37B的六次飞行实践中,最大的改变量只有0.9°。

很多人就问了,X-37B不是秘密飞行吗?这些数据哪来的?

X-37B的秘密仅在于部分载荷和试验任务上,升了天,众目睽睽挂在天上,轨道参数就没有秘密可言。

很多航天爱好者都能追踪、监控甚至拍摄X-37B,至于能力更强大的大国就更不用说了。

正因为近地航天器都得沿着固定轨道走,只有极小的调整空间,所以所有的卫星都在各国的监控范围下,随时可以给你一发反卫星导弹干下来。

而从地面发射的反卫星导弹,燃料充足,目标明确,可以有针对性的指哪打哪,比起天上的活靶子自由太多了。

同样,所谓的“上帝权杖”“太空核弹”,想从天上就能随时随意往地上特定位置扔东西?

只要是略懂航天常识就知道,这要么是不可能,或者是成本极高、效费比极低的东西。因为经常天地空间错位,即使不错位所需速度变量也很大,燃料消耗极大。

所以说,太空战发起的最佳位置,是地面。对地面发射的火箭而言,天上的玩意都是跑不了的活靶子。

X-37B不是神话,中国的神龙却是进步

所以,美国X-37B不是什么了不起的东西,更绝对不是什么全球打击太空战机。它实际上就只是美军的一个小型实验平台而已。

而早在2007年底就在网上曝光的中国“神龙”小型航天飞机缩比模型,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。

但可以想见,这10年“神龙”可以改用很多更好的部件材料,比如防护性能更好的隔热瓦材料,更精确自动化的导航系统等等。

当然,中国终于第一次拥有并且完整试验了航天飞机式航天器,无疑更是一个巨大的突破。

正如官方通报所说,这是一型试验航天器,将按计划开展可重复使用技术验证,为和平利用太空提供技术支撑。

通报简明扼要,也如实通报了情况,并没有其他需要猜测的内容。

试验航天器的属性也说明了体量不太大,所以运载能力8吨多的长征-2F火箭就能发射。未来的实用型号至少应放大至25吨,由长征-5号发射。

至于非和平手段的高超音速武器,那是国庆阅兵所需要展示的东西,已经很多很全面了。没有必要误会对手,更没有必要误会自己。

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