关注｜航天飞机的残响——解析神秘航天器X-37B的前世今生
2017年5月7日，在太空飞行长达717天20小时的X-37B空天飞机在格林尼治标准时间12:00降落在肯尼迪航天中心的航天飞机降落跑道上，正式结束代号为OTV-4的任务。此次是第二架X-37B的第二次飞行，打破了可返回航天器在轨纪录的同时，也是卡角肯尼迪航天中心那4572米长的水泥跑道在航天飞机退役后首次迎接太空的归客。外加上熟悉的两次短暂间隔音爆，X-37B的降落仿佛又把卡纳维拉尔角航天基地，这个美国乃至全世界航天发射的圣地，带回了已逐渐淡忘入回忆的航天飞机时代。今日就让我们不从神秘的军事载荷角度，而是从X-37B技术本身，回顾下航天飞机的无数残响。
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着陆过程视频
不管从外观还是降落流程，X-37B都充满了航天飞机的既视感。唯一的不同在于X-37B仅5吨的发射质量，不到航天飞机轨道器的四分之一，因而宇宙神V火箭最简单的501构型再配合半人马座上面级便可轻松入轨。外观上的相似其实并不是偶然，X-37B是波音幻影工厂X-40试验机的120%放大版，而X-40则是NASA“轨道太空飞机项目”的试验机，现在大家熟知的“追梦者”空天飞机也是此项目的产物。其实看名字便能知道此项目致力于研发航天飞机的替代品，X-37B某种意义上来说完全可以视为缩小版航天飞机II，NASA梦寐以求却无法得到的次世代航天飞机。
此次X-37B降落时，直播画面中已经退役的航天飞机出现在背景中，新人来旧人去，不禁让人唏嘘不已
X-37B构造和大小对比
从左到右：X-37，X-40A，X-34
这一切还要从航天飞机诞生时说起。早在冯卡门的“火星计划”里，便有了可重复使用航天飞机的构想。当尼克松决定把NASA的重心放在近地轨道基础设施建设上后，航天飞机便成了不二之选。严格意义上来说，航天飞机这一称呼并不准确，太空运输系统STS（Space Transport System）才是其本名，整套系统由燃料箱（俗称的橙罐），固体火箭推进器和轨道器组成。那怕按照英文里的Space Shuttle翻译，也应叫做太空梭。航天飞机这一称呼其实是包括STS，X-37B和苏联暴风雪号等在内的所有通过无动力滑翔返回地面的航天器。
STS设计的不断更改
事实上早在1970年设计STS时，设计师们根本没有想到这套系统会用30年，更没想到能用到2011年。在那个连彩色显示屏电脑都少有的年代，STS最关键的可重复使用轨道器，其气动设计完全由风洞测试数据和笔纸勾画而成，看似简单的大弧形曲面三角翼设计可谓是非电脑模拟超高音速气动设计的极致。不过这一切都随着电脑技术的飞速发展而迅速过时，STS却因各种原因未能搭上电脑技术这班顺风车，以至于到21世纪，轨道器使用的飞控电脑RAM容量仍然只有1MB，放到现在连一张高分辨率照片都放不下。
由于没有电脑模拟，轨道器再入时的温度数据是通过电子束打击风洞模型计算出来的。
（本文中有5幅图片容量超过1MB，所以这个空间有多大请自行想象）
早在1986年挑战者号事故前，NASA便已在里根总统的支持下开始名叫Space Shuttle II（太空梭II）的计划用以研究在2000年替代STS的航天载具。挑战者号事故加速了此计划，和STS相比，新版用复合材料制造的太空梭更轻，同时位于前端的成员舱还可在发射失败时与航天器整体分离。太空梭II更强调人员运载能力，预计最大载荷从STS的25吨减为10吨，但却能支持11位宇航员长时间活动。计划中比STS使用的RS-25更强大的STME引擎（Space Transportation Main Engine）和比STS固体燃料火箭更强大的STBE助推引擎（Space Transportation Boost Engines）将会把太空梭II连同燃料箱一起送入近地轨道，而后通过STME引擎的二次点火，让太空梭II成为一款具备深空探测能力的航天飞机。
太空梭II发射构型，内侧橙罐为燃料罐，外侧橙罐为液体燃料助推火箭。挑战者号事故后固体燃料火箭安全性受到严重质疑，导致在太空梭II设计中没有出现。
略微奇葩的货舱打开方式
成员发射／在轨逃生系统
发射上太空梭II也要比STS简单。轨道器，助推火箭，燃料罐，货物和人员均采用水平整合后运输到发射台再竖起，省去STS垂直整合设施所需的庞大辅助人员。在飞行性能上，由于燃料罐质心，助推火箭质心与轨道器质心三点在同一垂直面，太空梭II发射时不会像STS发射时那样在扔掉助推火箭后整体质心向轨道器方向倾斜，因而可省去发射后的向右滚转动作。同时太空梭II在扔掉助推火箭和燃料箱后整体质心会向前移，提升向前飞行动量。
太空梭II的轨道器，因燃料罐和助推均装于机身后部，抛弃后质心前移利于继续飞行。
STS在抛弃燃料罐后整体质心会后移，不利于继续飞行。
对太空梭II的研究一直持续到90年代中期，不断升高的预计研发制造费用和STS在挑战者事故后的稳定表现，让太空梭II这个理论上更加安全强大的替代品只能停留在设计图和概念模型上。NASA开始认为STS可以至少使用到2010年，X-40的制造者波音甚至在2001年时公布了将STS延寿到2030年的计划。尽管如此国际空间站的建造还是维持了对可重复使用载具的需求，太空梭II从NASA一家的苦心研究变成了由诸多航空航天巨头公司发展测试的“轨道太空飞机项目”，X-37B的历史至此开始。
可望却不可及的太空梭II
然而计划永远改不上变化，2003年哥伦比亚号的事故让所有STS延寿计划都化为泡影。不愿意再冒风险的小布什总统听从了哥伦比亚号事故调查委员会的建议，宣布在2010年国际空间站建造完毕后STS将全部退役，替代品“星座计划”中的“战神”火箭将回归传统的返回舱设计。不过讽刺的是，波音公司并没有浪费对STS的升级科技，而是将它们移植到了X-37B上，造就了这款像极缩小版航天飞机却又集合无数航天飞机残响的太空飞行器。
装在宇宙神V火箭整流罩里的X-37B
X-37B采用全复合材料制造，在机体寿命，强度和耐热性上远超STS轨道器，更加优化的气动设计使其重返大气速度达到25马赫，高于发现号22.68马赫的最快纪录。更快的速度使X-37B可在200千米至925千米德高度之间飞行，远高于STS轨道器600千米的极限高度。不过作为一款无人机，X-37B最大的特点是采用了精准度极高的导航系统与自动着陆系统，使其能自动返航降落至跑道。STS常被人诟病的原因之一便是轨道器无法自动降落，也就是说不管发射什么都必须要带至少两名宇航员（这也是航天飞机不得不在首飞中就冒险载人的原因之一），无形中增加了发射价格。波音延寿计划中STS轨道器要改装X-37B所用的航电替代那1980年代只有1MB的电脑，改装后诸如发射卫星任务便可无人完成，给国际空间站送货升轨也可省去生命维持系统的空间和质量，提升输送量降低价格。若真如此，STS轨道器的数量便不会止步于3架。
X-37B重返大气模拟，所用隔热瓦片与STS轨道器一致。
另一方面，作为加压空间达74.3立方米的“可回收空间站”STS轨道器，其在轨时间却出奇的短，最长的STS-80任务也仅17天15小时。为何携带有充足燃料和强大轨道调整引擎的轨道器却无法长时间在轨停留？答案在轨道器的供电方式上。
STS轨道器燃料电池
STS轨道器采用燃料电池供电，及通过氢氧进行氧化还原反应，把氢燃料中的化学能转换成电能的发电装置。每架轨道器携带3枚燃料电池，每枚独立工作产生28伏直流电为轨道器上所有电器供电，作为副产品的水则收集后饮用，或当作补给送给国际空间站。由于这是轨道器上唯一的电力来源，所以真正限制在轨时间的是电池剩余的燃料量。
燃料电池发电原理
深知此限制的NASA其实考虑过其他的电力来源。出于近地轨道和载人安全性的考虑，轨道器上不可能安装放射性同位素热电机，剩下的唯一选择便是安装太阳能电池板。由于轨道器货舱舱门内壁已用来安装散热器，STS延寿计划中轨道器的太阳能电池板将会伸出货舱外展开，再入前折叠收入货舱或直接抛弃。哥伦比亚号事故后此改装计划亦取消，改为安装在国际空间站上的SSPTS装置（Station-to-Shuttle Power Transfer System），在轨道器与空间站对接时把空间站的电输送给轨道器。不过此装置在2006年的STS-116任务时才完成安装，次年的STS-118任务时首次投入使用，且只有发现号和奋进号两架轨道器具备受电能力。对于已在退役路上的STS来说，SSPTS并没有从根本上解决电力供给问题，更多的是为了延长和国际空间站的对接时间。
奋进号上的SSPTS装置
有趣的是，STS延寿计划中的货舱外折叠太阳能电池板，恰好是X-37B的在轨供电方式。这套“缩小”版的太阳能电池板锂电池供电装置，是X-37B能完成接近两年在轨时间的最大功臣。试想一下，没有电池燃料量的限制，STS轨道器可以不用频繁再入，也就省去了每次重返大气层后高昂的检查维修费用。而轨道器因通用对接口可互相对接，无人轨道器因此可以为载人轨道器补给物资，如此一来STS的轨道器将会是名副其实的可回收太空空间站。
X-37B货舱唯一确认的载荷便是可折叠太阳能电池板
两架STS轨道器在轨对接想象图
然而这两项能改变STS命运的技术，却因各种原因未能实用，STS最终在2011年7月21日结束了共计1322天19小时21分23秒的飞行生涯，拥有这两项技术的X-37B成为现役航天飞机这一概念的唯一继承者。STS退役后美国和世界失去的，不仅是批量载人航天的能力，还有太空卫星维修和从太空带回大质量大体积物体的能力，而后者又对未来从太空批量送回开采原料至关重要。迄今为止现役的所有太空返回载具中，只有SpaceX的龙飞船具备可观的返回货物运送能力，不过最高3吨货物质量和11立方米的空间限制，远不及STS轨道器15吨货物质量和18米长4.6米宽的货舱。
拉长版X-37B（右上）和增粗版X-37B（右下）
在NASA“轨道太空飞机项目”的宣传画中，依然可以看到两款神似拉长增粗版X-37B的载人航天飞机。由于X-37B现在已由美国空军负责，发射则完全承包给ULA，“轨道太空飞机项目”早已不被NASA关注，航天飞机这一理念的发展现已全部交由私人企业和军方管理。如今航天飞机只剩下X-37B和追梦者这两款，实际轨道飞行的则只有X-37B这一只独苗。波音虽然已在2011年公布正在研究可能的预计运载6名宇航员的X-37C，但随着波音另一项载人飞船CST-100如火如荼的研发，X-37C到底有无足够研发人员和经费离开概念设计图，依然是一个巨大的问号。
X-37C大小对比，左数第三个是已经退役的航天飞机
两种可能的X-37C内部构造
在返回货物运载量和重复使用性上都完胜常规飞船的航天飞机，究竟能否再次重返航天世界呢？
感谢作者“Saturn V”的精彩撰文
本文转载自“航天爱好者”微信公众号
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