據(jù)悉，美國天軍將于5月16日進行第六次X-37B軌道驗證飛行器飛行試驗。此次任務中X-37B將首次在尾部加裝服務艙，裝載比以往更多的試驗設備，攜帶發(fā)射空軍學院研制的獵鷹星-8小衛(wèi)星；將開展兩個NASA試驗項目，即評估空間環(huán)境對選定材料的影響和研究空間輻射對種子的影響；還將開展海軍研究試驗室的太陽能轉(zhuǎn)換為微波能量并傳回地面的試驗。
X-37B的每次飛行試驗都會引來外界的種種猜測，本文無法破解大家關心的所有“謎團”，僅從在軌機動能力角度對X-37B進行簡要粗略分析。
一、空間機動平臺的機動能力
在軌機動能力是空間機動平臺性能的重要表征之一。近年來，隨著航天技術的不斷發(fā)展，空間安全形勢變得日益嚴峻，對空間機動平臺的機動能力、任務靈活性等提出了新的要求，要求其具備更為精確的軌道機動性、靈活自主的空間操作性。作為航天大國，美國在空間機動平臺發(fā)展方面制定并實施了一系列演示驗證計劃，其空軍、海軍、國防部高級研究計劃局（DARPA）、國家航空航天局（NASA）等都參與其中。歐洲航天局也設立并實施了有關空間機動平臺的發(fā)展專項并開展了在軌試驗。
國際空間站貨運飛船基本上是在同一軌道面實施機動。目前大多數(shù)空間機動平臺多是在同一軌道面內(nèi)進行機動。如歐洲自動轉(zhuǎn)移飛行器（ATV）的軌道機動、日本H-2轉(zhuǎn)移飛行器的軌道機動都是在同一軌道面內(nèi)完成。歐洲ATV被發(fā)射進入的軌道高度是260千米圓軌道，軌道傾角為51.6°，日本H-2飛行器的軌道高度為350千米，軌道傾角也是51.6°。這兩個飛行器要交會對接的目標是國際空間站，國際空間站的軌道高度在400千米上下，軌道傾角是51.5°。ATV和H-2對接國際空間站的過程中最多只需進行0.1°的軌道傾角改變。
圖片來源于網(wǎng)絡
二、X-37B在軌機動能力理論分析
下面依據(jù)軌道機動動力學原理，以及美國馬里蘭大學、麻省理工學院、美國藝術科學院的物理學家合著的《太空安全物理學》中提出的空間機動平臺軌道機動所需速度增量、消耗的推進劑質(zhì)量、平臺質(zhì)量三者的關系，簡要分析X-37B的在軌機動能力。
軌道機動與所需速度變量的關系。空間平臺進行軌道機動所需的速度變量（ΔV）是需要消耗大量推進劑獲得的。所獲得的速度增量大小以及可機動次數(shù)的多少取決于所攜帶推進劑的質(zhì)量。一般來說，在同一軌道面內(nèi)，改變軌道形狀或高度所需的速度增量較小，而改變軌道傾角即改變軌道平面所需的速度增量較大。表1所示為空間機動平臺軌道機動所需的速度變量（ΔV）與軌道高度、傾角的關系，其中Δθ是軌道傾角的變化。
表1 空間軌道機動所需的速度變量
在低地軌道進行一次30°的軌道傾角改變需要4千米/秒的速度增量，相當于平臺從400千米近地軌道機動到36000千米高軌道所需的速度增量。
軌道機動與空間機動平臺質(zhì)量及推進劑質(zhì)量的關系。空間平臺進行一次機動需要為其提供一個速度增量ΔV，為了獲得ΔV需要消耗一定質(zhì)量的推進劑，設定需要消耗的推進劑質(zhì)量為Mp，衛(wèi)星干重（不包括Mp）Ms，三者之間的關系由“火箭公式”決定，見表2。
表2 在使用常規(guī)化學推進劑的情況下，ΔV與Mp/Ms的關系
要產(chǎn)生4千米/秒的速度增量，也就是在低地軌道進行一次30°的軌道傾角改變，空間平臺攜帶的推進劑與空間平臺質(zhì)量之比是2.8:1，即1000千克重的平臺需要攜帶2800千克推進劑才能在低地軌道實施一次30°的軌道傾角改變。表3列出了使用常規(guī)化學推進劑情況下，各種空間機動需要消耗的推進劑質(zhì)量和航天器干重的比值大小。
表3 空間機動所需要消耗的推進劑質(zhì)量和平臺干重的關系
值得注意的是，目前的空間機動平臺大多采用化學火箭發(fā)動機，而電推進、離子推進因產(chǎn)生的推力小，尚未作為X-37B等機動平臺的主動力。
三、幾種空間機動平臺的
軌道機動能力
下面具體分析幾種擁有在軌機動能力的空間機動平臺的機動能力。
試驗衛(wèi)星系統(tǒng)-11 采用化學推進，總質(zhì)量145千克，推進劑質(zhì)量15千克，即Mp=15、Ms=130。Mp與Ms的比值為0.115，能產(chǎn)生大約0.3千米/秒的速度變量。試驗衛(wèi)星系統(tǒng)-11可以在近地軌道完成一次從400千米軌道到1000千米軌道的軌道高度改變，改變傾角的能力極為有限。
軌道快車服務航天器 采用化學推進，平臺總質(zhì)量952千克，推進劑質(zhì)量136千克，即Mp=136、Ms=816。Mp與Ms的比值為0.167，能產(chǎn)生大約0.4千米/秒的速度變量。軌道快車服務航天器可完成軌道面內(nèi)數(shù)百千米的高度機動，能夠改變很小的傾角。
X-37B軌道驗證飛行器 總質(zhì)量4990千克，推進劑質(zhì)量1800千克，即Mp=1800，Ms=3190。其中X-37B需要進行離軌操作，還需要一定質(zhì)量的推進劑。在不考慮返回的情況下，Mp與Ms的比值為0.564，能產(chǎn)生的速度增量在1~2千米/秒之間。在近地軌道2千米/秒的速度增量能夠使飛行器軌道傾角改變15°，因此X-37B耗光全部推進劑也只能進行一次傾角不足15°的軌道機動。第六次飛行試驗中還要加裝尾部服務艙，攜帶更多試驗設備，Mp/Ms值可能更小，機動能力可能還會有所降低。
圖片來源于網(wǎng)絡
四、幾點思考
一是本文僅利用《太空安全物理學》中的相關公式和對應關系，對X-37B等空間平臺的機動能力進行了簡單計算。由于美國軍方一直對X-37B高度保密，是否應用了其他種類的推進系統(tǒng)不得而知。因此，目前得出的X-37B等平臺的在軌機動能力可能存在一定偏差。
二是在使用化學推進的前提下，X-37B等空間平臺的軌道機動主要集中在發(fā)射入軌的軌道面內(nèi)，具有有限的改變軌道傾角的能力。我們通常認為的機動還主要是“上上下下”的機動，想要在軌道上橫向游弋，對不同軌道面的敵方衛(wèi)星進行在軌操作具有較大難度。這與天文愛好者觀測到X-37B更多地進行軌道高度改變、軌道傾角改變很少的事實基本相符。
三是關于X-37B軍事用途的推測較多，美軍方在每次飛行試驗前都會說明要進行幾項試驗，但很少提及其在軌機動能力、在軌操作能力等，這更加引發(fā)了外界對其軍事用途的推測。美國軍方在其原有的軍事航天飛機計劃（MSP）中曾提出發(fā)展空間機動飛行器（SMV），攜帶通用氣動飛行器（CAV）在軌機動至敏感地區(qū)上空，實施天對地精確打擊。盡管MSP和SMV及CAV計劃已經(jīng)取消，但相關技術發(fā)展沒有停止，一直有分析認為X-37B是SMV的試驗飛行器。美國軍方越是保密越給人以想象空間，同時是不是也越發(fā)欲蓋彌彰呢？
