空天飞机六十年

源济

空天飞机六十年

原创 李昭辉 空军之翼 2020-09-10

　　译者注：本文原文发表在2020年7/8月刊的美国《空军》杂志（AIR FORCE Magazine）上，原作者是《空军》杂志的特约编辑约翰•科雷尔（John T. Correll）。科雷尔曾担任过18年的《空军》杂志主编，译文所配图片有改动。

　　“最终目标是从地球上起飞，执行太空任务，然后重返大气层，并降落在跑道上。”

艺术家笔下正在起飞的X-30试验飞行器的概念图，即所谓的“国家空天飞机”（NASP）。这幅画曾刊登在1986年6月刊的《空军》杂志的封面上

　　当X-15火箭动力飞机的飞行员们在60年前飞抵太空边缘时，他们一直抱有以下两个想法：一是他们会继续前进，二是他们的命运凌驾于一切之上。进入太空的想法对美国空军来说特别有吸引力，因为空军将“空天”这一领域视为靠近地球的空中行动的延伸，空勤人员有望飞入太空并在那里战斗。

　　当然了，可以理解的是，大气层内的空气动力学并不适用于深空领域，但距离地球表面1000英里（约1600千米）开外才是所谓的“强真空”，这就为在较低的地球轨道，即在距离地面60至300英里（约100至500千米）的高度开展活动留出了足够的余量。

　　“从技术上来讲，载人航天飞行在短短几年内成为常态是可行的”，美国空军参谋长托马斯•怀特（Thomas D. White）上将在1958年这样说道。“在不久的将来，有效的弹道导弹和真正的有人驾驶航天器将作为作战武器装备我们的部队。”

X-15火箭动力飞机首飞于1959年，1968年退役

　　怀特将军在1959年向国会作证时表示：“我们预见到，我们不仅将获得有人驾驶轰炸机和导弹，而且最终我们还会在将来把有人驾驶航天器用作战斗武器。”在此之前，美国空军前历史学家理查德•哈里恩（Richard Hallion）就表示：“通常的看法是，飞机本身会演变成有翼的太空飞船。”

　　首选的战斗飞行器将是“航天飞机”或“空天飞机”，美国空军将在剩下的半个世纪里追求这一理念。这类飞行器的一些衍生物有的有飞行员，有的没有。此类理念的复兴充斥着失败和下马。

　　事实证明，军方在太空中拥有许多重大利益，如通信、导航、监视、预警、气象等。不过，到目前为止，还没有确定在太空中是否有战斗任务需要执行，抑或是太空中是否有需要人类成员参与的军事任务。

美国的航天飞机于1981年首飞，2011年全部退役

　　到目前为止，除了航天飞机之外，其他所有的空天飞机性质的飞行器都还属于“X”编号系列的实验性飞行器。

登月

　　1958年的《国家航空航天法》规定，美国在太空中的活动应“致力于和平目的”，并创建了国家航空航天局（NASA），而且是美国国家航空航天局——而非武装部队——将引领美国进入太空的步伐。

1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机升空后不久发生爆炸，机上7名宇航员全部遇难

　　美国空军的“人类最早进入太空计划”被下马了，并代之以国家航空航天局的“水星”计划。同时被下马的还有“空天飞机”（Aerospaceplane，这是一个完整的单词，不是某个试验性的X验证机名称）项目——这是美国空军在1957年至1964年间进行的一系列较为松散的研究，有17家公司提交了方案。这一系列研究没有取得任何结果，并于1964年资金被取消时终止。

　　美国空军设法保留了一些载人航天项目，例如X-20“动力滑翔”（Dyna-Soar）航天飞机和有人轨道实验室，但考虑到国家航空航天局的“水星”“双子座”和“阿波罗”计划，美国空军的这些项目都蒙上了一层阴影，并最终被取消。

　　X-15火箭动力飞机一直飞行到1968年，该机依然保持着世界有人驾驶动力飞机所达到的最高速度纪录——4520英里/小时（约6.72马赫）。该机的最大飞行高度是67.0英里（约108千米）。当X-15的飞行高度超过50英里（约80千米）时，其飞行员会被授予宇航员才有的“翼徽”。

1961年9月，在完成了一次研究飞行之后，地勤人员正在检查这架X-15火箭动力飞机，地点是内华达州。用于发射这种特殊飞机的B-52空中发射母机正在很低的高度上从人们头顶上方掠过。在近10年的时间里，X-15总共进行了199次飞行，创造了一系列非官方的世界速度和高度纪录，并为“水星”“双子星”“阿波罗”和航天飞机项目做出了自己的贡献

　　登月完成之后，载人航天项目便失去了关注。对国家航空航天局来说，太空探索本身就是目的，除了科学和探索，没有其他真正的目标。最终，人们把重点放在了航天飞机上，航天飞机是相当有用的，但几乎完全不像怀特将军预言的那样是“太空战斗飞行器”。

升力体

　　X-15验证机那充满流线型的优雅设计被X-20的宽大机身和各种“升力体”的钝头结构所取代，这些无翼飞行器可以从轨道上以滑行的方式返回并降落在跑道上。飞行器在大气层内飞行时所需的气动升力由其本身的形状所提供。

　　其中一种“升力体”飞行器就是有人驾驶的X-24。该机可挂载在一架经过改装的B-52轰炸机的机翼下，在高空释放并自行从释放点爬升。在1969年至1970年间，该机进行了28次动力飞行，达到了1.6马赫的飞行速度和71400英尺（约21763米）的飞行高度。

　　美国空军对X-20“动力滑翔”航天飞机寄予了厚望，该机将搭载在一枚“大力神”运载火箭上发射升空，但以“有动力滑翔”的方式从轨道返回，并在无动力的状态下着陆。X-20在其前座舱中只有一名飞行员，其预计将执行多种任务，包括研究、侦察和武器投放。可以想象，该机可以在50英里（约80千米）的高度上从苏联上空飞过，其能以比卫星更快的速度提供情报图像，而且分辨率更高。

　　1962年，国防部长罗伯特•麦克纳马拉取消了X-20飞行器具备“武器能力”的计划。“动力滑翔”航天飞机从未实际飞行过，该机于1964年被彻底下马，下马前连第一架样机都未能完工。

绰号为“动力滑翔”的X-20验证机从未飞上过天空：在实际制造完工第一架该型飞行器之前，此项目便于1964年被彻底取消。该型飞行器在1962年被命名为X-20

　　大约在同一时间，美国空军推出了高空高速飞行的SR-71“黑鸟”战略侦察机，其设计像X-15飞机一样“时髦”。不过，SR-71是侦察机，而不是太空飞行器：它的最高速度仅为3.2马赫，最大飞行高度为16.4英里（约26.4千米）。

　　1969年，美国空军和国家航空航天局同意开发一种可同时满足民用和军用航天需求的可重复使用飞行器，这就是航天飞机。航天飞机具有巨大的价值，但本质上还是辆“卡车”。航天飞机并没有激发出“在充满荣耀的任务中穿越太空”的愿景，飞行速度也不是其研制时的主要考虑因素。

　　从1981年的第一次飞行到2011年的最后一次飞行，美国的航天飞机总共执行了135次太空飞行任务，如将人员和货物运送到轨道上，发射和修复卫星，以及与国际空间站进行对接。

“东方快车”

　　航天飞机相关概念机型中的皇冠上的明珠是“空天飞机”，这种飞行器从地球的跑道上起飞，单级入轨，以高超音速（5倍音速或更快的速度）进行跨大气层飞行，然后重返大气层执行任务，再进入太空，最后返回并降落在地球的跑道上。

　　其中，最雄心勃勃的计划是美国空军在1986年提出的X-30“国家空天飞机”（NASP），那一年的某期《空军》杂志的封面上就展现了X-30在跑道上启动并一飞冲天的景象。这一期的《空军》杂志中写道：“按照计划，空天飞机将能够以两种模式飞行——单级进入低地球轨道和以高超音速（从12马赫到25马赫）进行跨大气层巡航，飞行高度在10万英尺至35万英尺（约30.48千米至106.68千米）之间。”

预算削减导致X-30“国家空天飞机”计划于1994年下马

　　罗纳德•里根总统是该项目的坚定支持者，他在1986年的国情咨文中曾预测：“一种新的‘东方快车’可以在下一个十年的末期从杜勒斯机场起飞，并加速至高达25倍声速的速度，然后进入低地球轨道或是在两个小时后飞抵东京。”人们期望X-20可以扮演各种各样的角色：从携带卫星进入轨道到侦察，从全球遮断打击到在太空和空中拦截来袭力量等。

　　“它为战略力量提供了生存能力”，美国空军系统司令部的指挥官劳伦斯•斯坎策（Lawrence A. Skantze）上将这样说道。“（空天飞机）机队可以像B-52轰炸机一样保持警戒。我们正在谈论洲际弹道导弹的反应速度以及轰炸机的灵活性和可靠性，这些优点被集中到了一架飞行器上，它可以紧急起飞，进入轨道并改变飞行轨迹，从而使苏联方面无法获得足够准确的读数以便向它射击。”

　　饶是如此，到20世纪90年代，X-30的研发进度已经落后于时间表，预算则超支了500%。由于尚无明确的军事要求，再加上预算削减，迫使该项目于1994年终止。

太空中的“军事人员”

　　1983年，萨莉•赖德（Sally Ride，译者注：第一位进入太空的美国女性）作为航天飞机的一名机组成员进行了飞行，当时“太空中的军事人员”一词在美国早就是一个过时的词汇了。俄国人甚至更早地将女性送入了太空之中。饶是如此，“太空中的军事人员”（military man in space）这一短语还是继续被不时地使用着。

2003年2月1日，美国“哥伦比亚”号航天飞机在返回地球的途中解体坠毁，机上7名宇航员全部遇难。在美国开展过的数十个太空/空天飞机研究项目中，只有少数几个进入了实际飞行阶段，而航天飞机则是唯一最终去掉了实验性“X”代号的此类飞行器

　　1985年，在时任空军副部长（后很快成为空军部长）爱德华•奥尔德里奇（Edward Aldridge）的要求下，美国开展了“太空军事人员”项目。奥尔德里奇承认，到此时为止的努力尚未能确定太空军事人员的任务，但他决心继续进行尝试。不过，在接下来的几年中，研究和分析发现并没有这方面的需求，因此该项目在1991年逐渐被取消。无人的平台可以更好、更可靠地完成这方面的工作。

　　1990年，美军太空司令部司令唐纳德•库蒂纳（Donald Kutyna）将军发出了这样的疑问：“看看我们在太空中所做的事情的本质吧——通信、监视、预警系统、导航。大部分事情都是要回到地球上的，因此我们用不到人，所以为什么我们还要把人放到太空中去做这些事呢？”

　　库蒂纳将军指出，许多卫星运行在地球同步轨道上，距离地面22300英里（约3.6万千米），与“一开始就确保航天器（卫星）的可靠性”相比，建造“将古德温彻先生（Mr. Goodwrench）送入那些轨道”所需的轨道转移飞行器的花费要多得多（译者注：“古德温彻先生”是通用汽车公司的修理机械师品牌形象，在此指代进入太空从事维修任务的宇航员）；而且“我们所做的每项研究都告诉我们，要将可靠性融入航天器之中，因为一旦我们到达太空，我们可能就无法再对其进行修复”。

由于项目拖延和技术问题，X-33计划于2001年被取消

　　在20世纪90年代，美国国家航空航天局和美国空军赞助了针对可重复使用的地面发射航天器X-33“冒险之星”（VentureStar）的研究。这将是一款垂直起飞、然后水平降落的航天器，但对是否需要飞行员驾驶则没有给出明确的规定。由于项目拖延和技术问题，X-33计划于2001年被取消。

高超音速和超燃冲压发动机

　　早在20世纪50年代，美国就开始对高超音速飞行进行研究（根据科学惯例，高超音速运动被定义为5马赫或更高速度的运动）。不仅在飞机和航天器中，而且在导弹和武器中速度都具备固有的军事意义和价值。

　　“高超音速导弹可以抓住机会打击遥远甚至是正在远离的目标”，历史学家哈里恩这样说道，“在1分钟之内，一枚以6.5马赫飞行的高超音速导弹将飞行大约73英里（约117千米），这大约是传统亚音速巡航导弹的8倍。也就是说，其可以在10分钟之内与距离发射点700多英里处的目标交战并将其摧毁。”

X-43飞行器在第一次飞行中速度达到了6.6马赫，在第二次飞行中达到了9.6马赫——这一速度纪录保持至今

　　随着超燃冲压发动机或者说超音速燃烧冲压发动机在21世纪初的出现，高超音速技术出现了新的可能。对标准的冲压发动机来说，气流在与燃料混合并点燃之前就会在进气道中降至亚音速，而与之不同的是，超燃冲压发动机吸入的气流则是以超音速的巨大动压涌入进气道的。哈里恩说，超音速燃烧的巨大困难就好比是“在飓风中点燃一根火柴”。

　　普通冲压喷气发动机的工作速度范围为3马赫至5马赫，而超燃冲压发动机可使飞行速度提升至12马赫至15马赫。从初级动力源获得动力是必要的，以便将飞行器加速到超音速，然后超燃冲压发动机才开始工作。

　　2004年，美国国家航空航天局的X-43A技术验证机通过使用超燃冲压喷气发动机进行了两次成功的高超音速飞行，从而谱写了航空历史的新篇章。X-43A由一架B-52轰炸机在加利福尼亚州外海发射升空，并由一枚“飞马座”（Pegasus）火箭进一步助推爬升，然后由超燃冲压发动机接替工作。X-43A的第一次飞行达到了6.6马赫，第二次飞行更是达到了9.6马赫。

第二架X-43A高超音速研究飞行器安装在一枚白色的“飞马座”助推火箭上，这枚助推火箭挂载在一架B-52B空中发射载机的右侧机翼下

　　美国国防部高级研究计划局（DARPA）和美国空军在2010年共同合作研发了采用超燃冲压发动机的X-51A“驭波者”（Waverider）飞行器，该飞行器也是由B-52轰炸机在太平洋上空发射的，仅用了6分钟的时间就飞行了230多海里（约426千米），在坠入大海之前到达了5.1马赫的飞行速度。

　　真正的信徒们并没有完全放弃“空天飞机”的想法。2003年，美国国防部高级研究计划局和美国空军开始提议研制绰号为“黑燕”（Blackswift）的HTV-3X“高超音速巡航飞行器”。这将是一架战斗机大小的飞行器，没有飞行员，其将从跑道上起飞，以高达15马赫的速度飞行。该项目没有获得必需的资金，于2008年被取消。

HTV-3X是一架战斗机大小的飞行器，无人驾驶

助推-滑翔武器

　　美国国防部已经将高超音速技术列为关键现代化技术中的高度优先事项。在众多为这一目标而全力以赴的计划中，美军的各大军种都在对多种型号的高超音速导弹原型机进行广泛的测试，以期赶上并超越目前领先的俄罗斯和中国。俄罗斯方面声称，他们的“先锋”高超音速导弹可以飞到27马赫。

　　美国测试的原型弹大多是助推-滑翔武器系统，而不是采用超燃冲压发动机的武器系统。所谓“助推-滑翔武器系统”是指先通过火箭将武器送入高空并达到高超音速，然后武器系统利用其滑翔下降过程中获得的速度命中并摧毁目标。研制这种武器的优点不仅在于耗时相对较短，而且在于这种飞行器可以获得极大的射程。

X-51A“驭波者”飞行器在坠入大海之前到达了5.1马赫的飞行速度

　　对超燃冲压发动机的需求也正变得越来越迫切。“我刚投身于这项工作时认为，（我们的）超燃冲压发动机研制进度可能比助推-滑翔武器落后了一步，我现在可以很高兴地说我错了”，美国空军负责采购的主管威尔•罗珀（Will Roper）在2020年4月份这样说道。“超燃冲压发动机比我最初想象得要成熟得多，随时可以投入使用。”

　　在过去的几年中，美国空军多次表示要致力于研究高超音速技术，特别是在武器方面。2020年2月，美国空军宣布将继续研发“空射快速反应武器”（ARRW），这种武器将由轰炸机或战斗机携带着进入高空，然后滑翔体将释放，并由助推器加速至高超音速。

　　空天飞机的研发工作仍在继续，尽管其优先级较低，并且参与竞争者的阵容也已经缩小了不少。2020年1月，美国国防部高级研究计划局取消了XS-1“幻影快车”（Phantom Express）项目，这是一个自2013年以来一直在进行的实验性空天飞机项目，目的是研发一种可重复使用的发射装置，以便将中等大小的有效载荷送入近地轨道。

　　XS-1将是一架外观类似飞机的飞行器，可以垂直起飞，并在机身上部安装了一个消耗性的载物平台，以携带有效载荷。释放机身上部的载物平台后，亚轨道飞行器将滑翔返回并在跑道上降落。XS-1飞行器原本将以大约10马赫的速度进行亚轨道飞行。

轨道上的X-37飞行器

　　目前，对空天飞机的关注集中在美国空军的X-37B“轨道测试飞行器”上。X-37B飞行器始于1998年美国国家航空航天局的一个技术演示项目，并于2004年移交给美国国防部高级研究计划局，再之后于2006年被美国空军接管，美国空军在此基础上研制了自己的衍生型号，即无人驾驶的X-37B。X-37B飞行器由“宇宙神-5”型运载火箭垂直地发射至近地轨道，然后在地面的指挥下重返大气层，并水平地降落在跑道上。

　　美国空军拥有两架X-37B研究飞行器。自2010年以来，它们总共已经执行了5次太空飞行任务。这款航天器充满了神秘色彩，其已知的最令人震惊的特点是其滞空飞行时间。

　　在2010年首次发射时，美国空军预计的在轨时间为270天。到目前为止，在已经完成的5次任务中，有4次的滞空时间超过了这一数字。在完成了破纪录的780天的在轨飞行之后，X-37B于2019年10月降落并停放在了佛罗里达州肯尼迪航天中心的航天飞机停放设施之中。这次飞行已经获得了“科利尔奖”（Collier Trophy）的提名，这一奖项旨在表彰在航空航天领域取得的巨大成就。

在完成了破纪录的780天的在轨飞行之后，这架波音公司研制的X-37B轨道太空飞行器于2019年10月27日降落在了美国国家航空航天局下属的佛罗里达州肯尼迪航天中心

　　X-37B被戏称为“小号的航天飞机”。的确，它看上去确实与航天飞机很像，但尺寸更小，并且只有一个火箭发动机喷管，而不是航天飞机的三个。那两架X-37B可以容纳在航天飞机巨大的货舱内，而且它们也有自己的货舱，大约相当于皮卡车货斗大小。

　　美国空军对研发X-37B的目的只字未提，只是说它“正在测试未来航天器的技术”。官方否认这是一款被设计用来攻击或捕获敌方卫星的武器。

　　2019年，美国前空军部长希瑟•威尔逊（Heather Wilson）称X-37B“可以飞一条像鸡蛋的轨道，当它靠近地球时，它离大气层足够近，可以转向……这意味着我们的对手不知道接下来它将要飞向何方——而这一切将发生在X-37B和我们在地球上的对手相距甚远的那一端”。

美国太空军已于2020年成立。有人猜测，1998年至今的X-37B计划和整个空天飞机项目将被转移到这一新成立的军种麾下

　　哈佛-史密森尼天体物理中心的乔纳森•麦克道威尔（Jonathan McDowell）补充说：“进入大气层会导致（X-37B）下一次从头顶上方掠过的时间发生变化，因此，跟踪者预测的时间将会不准，（他们）必须重新搜索一次。”

　　自从美国太空军成立以来，一直有人猜测，X-37B和整个空天飞机项目将被转移到这一新成立的军种麾下，但是到目前为止还没有官方的迹象。