太空梭的殘響—解析神秘航天器X-37B的前生今世

科技 05-10

主頁菌說

2017年5月7日，在太空飛行

長達717天20小時

的X-37B空天飛機在格林尼治標準時間12:00降落在肯尼迪航天中心的太空梭降落跑道上，正式結束代號為OTV-4的任務。此次是第二架X-37B的第二次飛行，

打破了可返回航天器在軌紀錄的同時，也是卡角肯尼迪航天中心那4572米長的水泥跑道在太空梭退役後首次迎接太空的歸客

。外加上熟悉的兩次短暫間隔音爆，X-37B的降落彷彿又把卡納維拉爾角航天基地，這個美國乃至全世界航天發射的聖地，帶回了已逐漸淡忘入回憶的太空梭時代。今日就讓我們不從神秘的軍事載荷角度，而是從X-37B技術本身，回顧下太空梭的無數殘響。

著陸過程視頻

不管從外觀還是降落流程，X-37B都充滿了太空梭的既視感。唯一的不同在於X-37B僅5千克的發射質量，不到太空梭軌道器的四分之一，因而宇宙神V火箭最簡單的501構型再配合半人馬座上面級便可輕鬆入軌。外觀上的相似其實並不是偶然，

X-37B是波音幻影工廠X-40試驗機的120%放大版，而X-40則是NASA「軌道太空飛機項目」的試驗機，現在大家熟知的「追夢者」空天飛機也是此項目的產物

。其實看名字便能知道此項目致力於研發太空梭的替代品，X-37B某種意義上來說完全可以視為縮小版太空梭II，NASA夢寐以求卻無法得到的次世代太空梭。

此次X-37B降落時，直播畫面中已經退役的太空梭出現在背景中，新人來舊人去，不禁讓人唏噓不已

X-37B構造和大小對比

從左到右：X-37，X-40A，X-34

這一切還要從太空梭誕生時說起。早在馮卡門的「火星計劃」里，便有了可重複使用太空梭的構想。當尼克松決定把NASA的重心放在近地軌道基礎設施建設上後，太空梭便成了不二之選。

嚴格意義上來說，太空梭這一稱呼並不準確，太空運輸系統STS（Space Transport System）才是其本名

，整套系統由燃料箱（俗稱的橙罐），固體火箭推進器和軌道器組成。那怕按照英文里的Space Shuttle翻譯，也應叫做太空梭。太空梭這一稱呼其實是包括STS，X-37B和蘇聯暴風雪號等在內的所有通過無動力滑翔返回地面的航天器。

STS設計的不斷更改

事實上早在1970年設計STS時，設計師們根本沒有想到這套系統會用30年，更沒想到能用到2011年。在那個連彩色顯示屏電腦都少有的年代，

STS最關鍵的可重複使用軌道器，其氣動設計完全由風洞測試數據和筆紙勾畫而成，看似簡單的大弧形曲面三角翼設計可謂是非電腦模擬超高音速氣動設計的極致

。不過這一切都隨著電腦技術的飛速發展而迅速過時，STS卻因各種原因未能搭上電腦技術這班順風車，以至於到21世紀，軌道器使用的飛控電腦RAM容量仍然只有1MB，放到現在連一張高解析度照片都放不下。

由於沒有電腦模擬，軌道器再入時的溫度數據是通過電子束打擊風洞模型計算出來的。

軌道器所用的

RAM高達1MB

的電腦

（本文中有5幅圖片容量超過1MB，所以這個空間有多大請自行想像）

早在1986年挑戰者號事故前，NASA便已在里根總統的支持下開始名叫Space Shuttle II（太空梭II）的計劃用以研究在2000年替代STS的航天載具。挑戰者號事故加速了此計劃，和STS相比，新版用複合材料製造的太空梭更輕，同時位於前端的成員艙還可在發射失敗時與航天器整體分離。太空梭II更強調人員運載能力，預計最大載荷從STS的25噸減為10噸，但卻能支持11位宇航員長時間活動。計劃中比STS使用的RS-25更強大的STME引擎（Space Transportation Main Engine）和比STS固體燃料火箭更強大的STBE助推引擎（Space Transportation Boost Engines）將會把太空梭II連同燃料箱一起送入近地軌道，而後通過STME引擎的二次點火，讓太空梭II成為一款具備深空探測能力的太空梭。

太空梭II發射構型，內側橙罐為燃料罐，外側橙罐為液體燃料助推火箭。挑戰者號事故後固體燃料火箭安全性受到嚴重質疑，導致在太空梭II設計中沒有出現。

略微奇葩的貨艙打開方式

成員發射／在軌逃生系統

發射上太空梭II也要比STS簡單。軌道器，助推火箭，燃料罐，貨物和人員均

採用水平整合後運輸到發射台再豎起

，省去STS垂直整合設施所需的龐大輔助人員。在飛行性能上，由於燃料罐質心，助推火箭質心與軌道器質心三點在同一垂直面，

太空梭II發射時不會像STS發射時那樣在扔掉助推火箭後整體質心向軌道器方向傾斜

，因而可省去發射後的向右滾轉動作。同時太空梭II在扔掉助推火箭和燃料箱後整體質心會向前移，提升向前飛行動量。

太空梭II的軌道器，因燃料罐和助推均裝於機身後部，拋棄後質心前移利於繼續飛行。

STS在拋棄燃料罐後整體質心會後移，不利於繼續飛行。

對太空梭II的研究一直持續到90年代中期，不斷升高的預計研發製造費用和STS在挑戰者事故後的穩定表現，讓太空梭II這個理論上更加安全強大的替代品只能停留在設計圖和概念模型上。NASA開始認為STS可以至少使用到2010年，X-40的製造者波音甚至在2001年時公布了將STS延壽到2030年的計劃。儘管如此國際空間站的建造還是維持了對可重複使用載具的需求，

太空梭II從NASA一家的苦心研究變成了由諸多航空航天巨頭公司發展測試的「軌道太空飛機項目」，X-37B的歷史至此開始

。

可望卻不可及的太空梭II

然而計劃永遠改不上變化，2003年哥倫比亞號的事故讓所有STS延壽計劃都化為泡影。不願意再冒風險的小布希總統聽從了哥倫比亞號事故調查委員會的建議，宣布在2010年國際空間站建造完畢後STS將全部退役，替代品「星座計劃」中的「戰神」火箭將回歸傳統的返回艙設計。不過諷刺的是，波音公司並沒有浪費對STS的升級科技，而是將它們移植到了X-37B上，造就了這款像極縮小版太空梭卻又集合無數太空梭殘響的太空飛行器。

裝在宇宙神V火箭整流罩里的X-37B

X-37B採用全複合材料製造，在機體壽命，強度和耐熱性上遠超STS軌道器

，更加優化的氣動設計使其重返大氣速度達到25馬赫，高於發現號22.68馬赫的最快紀錄。更快的速度使X-37B可在200千米至925千米德高度之間飛行，遠高於STS軌道器600千米的極限高度。不過作為一款無人機，

X-37B最大的特點是採用了精準度極高的導航系統與自動著陸系統，使其能自動返航降落至跑道

。STS常被人詬病的原因之一便是軌道器無法自動降落，也就是說不管發射什麼都必須要帶至少兩名宇航員（

這也是太空梭不得不在首飛中就冒險載人的原因之一

），無形中增加了發射價格。波音延壽計劃中STS軌道器要改裝X-37B所用的航電替代那1980年代只有1MB的電腦，改裝後諸如發射衛星任務便可無人完成，給國際空間站送貨升軌也可省去生命維持系統的空間和質量，提升輸送量降低價格。若真如此，STS軌道器的數量便不會止步於3架。

X-37B重返大氣模擬，所用隔熱瓦片與STS軌道器一致。

另一方面，作為加壓空間達74.3立方米的「可回收空間站」STS軌道器，其在軌時間卻出奇的短，最長的STS-80任務也僅17天15小時。為何攜帶有充足燃料和強大軌道調整引擎的軌道器卻無法長時間在軌停留？答案在軌道器的供電方式上。

STS軌道器燃料電池

STS軌道器採用燃料電池供電，及通過氫氧進行氧化還原反應，把氫燃料中的化學能轉換成電能的發電裝置。每架軌道器攜帶3枚燃料電池，每枚獨立工作產生28伏直流電為軌道器上所有電器供電，作為副產品的水則收集後飲用，或當作補給送給國際空間站。

由於這是軌道器上唯一的電力來源，所以真正限制在軌時間的是電池剩餘的燃料量。

燃料電池發電原理

深知此限制的NASA其實考慮過其他的電力來源。出於近地軌道和載人安全性的考慮，軌道器上不可能安裝放射性同位素熱電機，剩下的唯一選擇便是安裝太陽能電池板。由於軌道器貨艙艙門內壁已用來安裝散熱器，STS延壽計劃中軌道器的太陽能電池板將會伸出貨艙外展開，再入前摺疊收入貨艙或直接拋棄。哥倫比亞號事故後此改裝計劃亦取消，改為安裝在國際空間站上的SSPTS裝置（Station-to-Shuttle Power Transfer System），在軌道器與空間站對接時把空間站的電輸送給軌道器。不過此裝置在2006年的STS-116任務時才完成安裝，次年的STS-118任務時首次投入使用，且只有發現號和奮進號兩架軌道器具備受電能力。對於已在退役路上的STS來說，SSPTS並沒有從根本上解決電力供給問題，更多的是為了延長和國際空間站的對接時間。

奮進號上的SSPTS裝置

有趣的是，STS延壽計劃中的貨艙外摺疊太陽能電池板，恰好是X-37B的在軌供電方式。這套「縮小」版的太陽能電池板鋰電池供電裝置，是X-37B能完成接近兩年在軌時間的最大功臣。試想一下，沒有電池燃料量的限制，STS軌道器可以不用頻繁再入，也就省去了每次重返大氣層後高昂的檢查維修費用。而軌道器因通用對介面可互相對接，無人軌道器因此可以為載人軌道器補給物資，如此一來STS的軌道器將會是名副其實的可回收太空空間站。