據(jù)悉，美國(guó)天軍將于5月16日進(jìn)行第六次X-37B軌道驗(yàn)證飛行器飛行試驗(yàn)。此次任務(wù)中X-37B將首次在尾部加裝服務(wù)艙，裝載比以往更多的試驗(yàn)設(shè)備，攜帶發(fā)射空軍學(xué)院研制的獵鷹星-8小衛(wèi)星；將開(kāi)展兩個(gè)NASA試驗(yàn)項(xiàng)目，即評(píng)估空間環(huán)境對(duì)選定材料的影響和研究空間輻射對(duì)種子的影響；還將開(kāi)展海軍研究試驗(yàn)室的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為微波能量并傳回地面的試驗(yàn)。
X-37B的每次飛行試驗(yàn)都會(huì)引來(lái)外界的種種猜測(cè)，本文無(wú)法破解大家關(guān)心的所有“謎團(tuán)”，僅從在軌機(jī)動(dòng)能力角度對(duì)X-37B進(jìn)行簡(jiǎn)要粗略分析。
一、空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力
在軌機(jī)動(dòng)能力是空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)性能的重要表征之一。近年來(lái)，隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，空間安全形勢(shì)變得日益嚴(yán)峻，對(duì)空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力、任務(wù)靈活性等提出了新的要求，要求其具備更為精確的軌道機(jī)動(dòng)性、靈活自主的空間操作性。作為航天大國(guó)，美國(guó)在空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)發(fā)展方面制定并實(shí)施了一系列演示驗(yàn)證計(jì)劃，其空軍、海軍、國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）、國(guó)家航空航天局（NASA）等都參與其中。歐洲航天局也設(shè)立并實(shí)施了有關(guān)空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的發(fā)展專項(xiàng)并開(kāi)展了在軌試驗(yàn)。
國(guó)際空間站貨運(yùn)飛船基本上是在同一軌道面實(shí)施機(jī)動(dòng)。目前大多數(shù)空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)多是在同一軌道面內(nèi)進(jìn)行機(jī)動(dòng)。如歐洲自動(dòng)轉(zhuǎn)移飛行器（ATV）的軌道機(jī)動(dòng)、日本H-2轉(zhuǎn)移飛行器的軌道機(jī)動(dòng)都是在同一軌道面內(nèi)完成。歐洲ATV被發(fā)射進(jìn)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(gè)飛行器要交會(huì)對(duì)接的目標(biāo)是國(guó)際空間站，國(guó)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(duì)接國(guó)際空間站的過(guò)程中最多只需進(jìn)行0.1°的軌道傾角改變。
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二、X-37B在軌機(jī)動(dòng)能力理論分析
下面依據(jù)軌道機(jī)動(dòng)動(dòng)力學(xué)原理，以及美國(guó)馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院、美國(guó)藝術(shù)科學(xué)院的物理學(xué)家合著的《太空安全物理學(xué)》中提出的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)軌道機(jī)動(dòng)所需速度增量、消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量、平臺(tái)質(zhì)量三者的關(guān)系，簡(jiǎn)要分析X-37B的在軌機(jī)動(dòng)能力。
軌道機(jī)動(dòng)與所需速度變量的關(guān)系。空間平臺(tái)進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)所需的速度變量（ΔV）是需要消耗大量推進(jìn)劑獲得的。所獲得的速度增量大小以及可機(jī)動(dòng)次數(shù)的多少取決于所攜帶推進(jìn)劑的質(zhì)量。一般來(lái)說(shuō)，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(jī)動(dòng)平臺(tái)軌道機(jī)動(dòng)所需的速度變量（ΔV）與軌道高度、傾角的關(guān)系，其中Δθ是軌道傾角的變化。
表1 空間軌道機(jī)動(dòng)所需的速度變量
在低地軌道進(jìn)行一次30°的軌道傾角改變需要4千米/秒的速度增量，相當(dāng)于平臺(tái)從400千米近地軌道機(jī)動(dòng)到36000千米高軌道所需的速度增量。
軌道機(jī)動(dòng)與空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量及推進(jìn)劑質(zhì)量的關(guān)系。空間平臺(tái)進(jìn)行一次機(jī)動(dòng)需要為其提供一個(gè)速度增量ΔV，為了獲得ΔV需要消耗一定質(zhì)量的推進(jìn)劑，設(shè)定需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量為Mp，衛(wèi)星干重（不包括Mp）Ms，三者之間的關(guān)系由“火箭公式”決定，見(jiàn)表2。
表2 在使用常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑的情況下，ΔV與Mp/Ms的關(guān)系
要產(chǎn)生4千米/秒的速度增量，也就是在低地軌道進(jìn)行一次30°的軌道傾角改變，空間平臺(tái)攜帶的推進(jìn)劑與空間平臺(tái)質(zhì)量之比是2.8:1，即1000千克重的平臺(tái)需要攜帶2800千克推進(jìn)劑才能在低地軌道實(shí)施一次30°的軌道傾角改變。表3列出了使用常規(guī)化學(xué)推進(jìn)劑情況下，各種空間機(jī)動(dòng)需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量和航天器干重的比值大小。
表3 空間機(jī)動(dòng)所需要消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量和平臺(tái)干重的關(guān)系
值得注意的是，目前的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)大多采用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，而電推進(jìn)、離子推進(jìn)因產(chǎn)生的推力小，尚未作為X-37B等機(jī)動(dòng)平臺(tái)的主動(dòng)力。
三、幾種空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的
軌道機(jī)動(dòng)能力
下面具體分析幾種擁有在軌機(jī)動(dòng)能力的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力。
試驗(yàn)衛(wèi)星系統(tǒng)-11 采用化學(xué)推進(jìn)，總質(zhì)量145千克，推進(jìn)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(yàn)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(chē)服務(wù)航天器 采用化學(xué)推進(jìn)，平臺(tái)總質(zhì)量952千克，推進(jìn)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(chē)服務(wù)航天器可完成軌道面內(nèi)數(shù)百千米的高度機(jī)動(dòng)，能夠改變很小的傾角。
X-37B軌道驗(yàn)證飛行器 總質(zhì)量4990千克，推進(jìn)劑質(zhì)量1800千克，即Mp=1800，Ms=3190。其中X-37B需要進(jìn)行離軌操作，還需要一定質(zhì)量的推進(jìn)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(jìn)劑也只能進(jìn)行一次傾角不足15°的軌道機(jī)動(dòng)。第六次飛行試驗(yàn)中還要加裝尾部服務(wù)艙，攜帶更多試驗(yàn)設(shè)備，Mp/Ms值可能更小，機(jī)動(dòng)能力可能還會(huì)有所降低。
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四、幾點(diǎn)思考
一是本文僅利用《太空安全物理學(xué)》中的相關(guān)公式和對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)X-37B等空間平臺(tái)的機(jī)動(dòng)能力進(jìn)行了簡(jiǎn)單計(jì)算。由于美國(guó)軍方一直對(duì)X-37B高度保密，是否應(yīng)用了其他種類(lèi)的推進(jìn)系統(tǒng)不得而知。因此，目前得出的X-37B等平臺(tái)的在軌機(jī)動(dòng)能力可能存在一定偏差。
二是在使用化學(xué)推進(jìn)的前提下，X-37B等空間平臺(tái)的軌道機(jī)動(dòng)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(rèn)為的機(jī)動(dòng)還主要是“上上下下”的機(jī)動(dòng)，想要在軌道上橫向游弋，對(duì)不同軌道面的敵方衛(wèi)星進(jìn)行在軌操作具有較大難度。這與天文愛(ài)好者觀測(cè)到X-37B更多地進(jìn)行軌道高度改變、軌道傾角改變很少的事實(shí)基本相符。
三是關(guān)于X-37B軍事用途的推測(cè)較多，美軍方在每次飛行試驗(yàn)前都會(huì)說(shuō)明要進(jìn)行幾項(xiàng)試驗(yàn)，但很少提及其在軌機(jī)動(dòng)能力、在軌操作能力等，這更加引發(fā)了外界對(duì)其軍事用途的推測(cè)。美國(guó)軍方在其原有的軍事航天飛機(jī)計(jì)劃（MSP）中曾提出發(fā)展空間機(jī)動(dòng)飛行器（SMV），攜帶通用氣動(dòng)飛行器（CAV）在軌機(jī)動(dòng)至敏感地區(qū)上空，實(shí)施天對(duì)地精確打擊。盡管MSP和SMV及CAV計(jì)劃已經(jīng)取消，但相關(guān)技術(shù)發(fā)展沒(méi)有停止，一直有分析認(rèn)為X-37B是SMV的試驗(yàn)飛行器。美國(guó)軍方越是保密越給人以想象空間，同時(shí)是不是也越發(fā)欲蓋彌彰呢？
