X-37B

X-37B调研报告1X-37B简介X-37B飞行器计划由美国空军领导实施，波音公司作为主承包商负责研制和建造，主要用于空间技术试验与验证。X-37B计划的目标是“对可重复使用的空间飞行器技术进行空间验证、风险降低、运行方案研发”。X-37B空间飞机的基本情况如下：1）长8.8m，高2.9m，翼展4.6m；2）发射质量约5t，搭载有效载荷能力为2000kg；3）轨道高度在204～926km；4）飞行试验任务周期为270d；5）空间飞机设有有效载荷舱，但没有装载机械臂；6）推进系统采用四氧化氮/肼燃料，使之具有更强的空间机动和离轨能力；7）空间飞机入轨后将打开有效载荷舱门，展开砷化镓太阳电池阵，由太阳电池阵给其供电；8）利用计算机控制自主再入返回，水平着陆，能在30～100km的临近空间中作超音速飞行，飞行速度为25Ma；9）采用“宇宙神-5”型一次性运载火箭发射。2X-37B特点2.1高速度X一37B装有一台火箭发动机，能产生3吨多的推力，在近地轨道上它能以25倍音速高速飞行。现代战争中，远程打击武器无外乎轰炸机和导弹，轰炸机远程飞行平均速度不会超过2倍音速，飞行10以刀千米至少需要6个小时左右，如果飞行更远的距离就需要更长时间，十几个小时容易遭到反导武器的拦截，再看看X一37B，整一个优良的超级战略打击平台，它每小时能飞行25000千米，也就是说它能在一小时内飞到地球上任何一个地方那么如果把它的任务载荷变成武器弹药甚至是核弹头，那不就是一种超级武器么？普通的弹道导弹容易被探测和拦截，而X一37B就没有这样的问题，你可以给它装上弹药发射到空中在轨道值班，一旦有需要就可随时激活，命令其机动变轨并攻击既定目标这样一来，敌人根本无法预测X一37B的攻击轨道，更不知道它会在何时从何方向发起攻击而这样的武器飞行10000千米，顶多需要20多分钟，敌人几乎没有反应时间，能够确保有效摧毁。2.2机动变轨能力贯穿X-37B项目的目标就是要制造能够在太空机动操作飞行的飞行器。X一37B有一个完善的轨道机动/反作用系统(OMS/ＲCS)，尾部有推力强大(29kN的推力)的主发动机和大容量的燃料箱，足以支持它大范围的机动变轨。它有伸展着的机翼，在大气中还可像飞机一样具有滑翔和横向飞行能力。图1是X-37B内部各分系统布局透视图。X-37B在太空的机动能力是由位于机尾部的轨道机动系统(OMS)主火箭发动机与位于机头和机尾的各一组反作用控制系统(ＲCS)推进器共同实现的，统称OMS/ＲCS系统。为了完成速度的演练，其中还包括加压、储存和分配推进剂燃料的设备。轨道机动的动力来自主发动机，它为飞行器进入轨道、轨道矫正、轨道转移、逼近其它飞行器，以及返回时脱离轨道提供推力。机动变轨时，ＲCS推进器组合调整控制飞行器姿态，保证主发动机将飞行器推向要求的目标轨道。从图1可见，飞行器前、后各有一个体积很大的燃料箱，分别储存JP-8和H2O2燃料。图1X-37B各分系统布局图2.3长时间续航能力X-37B设计的轨道寿命为9个月(270天)，OTV-1在轨道上工作只有226天，可是X-37BOTV-2在轨道上却停留了469天，比设计寿命延长了半年多。我们有理由做如下推测:1)机载燃料充足，X-37B三次都是用Atlas-5运载火箭发射的，这种火箭可以将8250kg的载荷推入地球低轨道。X-37B的起飞质量大约为5000kg，运载火箭的能力允许它将更多的燃料进入轨道，入轨前几乎没有开销燃料。返回时脱离轨道只有一次，所耗的燃料也有限，绝大部分燃料是进入轨道后供机动变轨用的。从图1可见，燃料箱所占体积几乎和飞行器载荷舱相等大小，可以保障多次变轨和延长在轨时间。2)轨道机动操控需要消耗燃料，设计轨道寿命270天，主要根据完成试验需要燃料能够支持多长时间估算的。X-37B的燃料箱体积足够大，首次飞行，根据那些试验要求飞行器做机动操作，计算需要消耗多少注入的燃料。有一点是肯定的，燃料箱并没有注满，226天过去了，剩下的燃料数量仅够飞行器脱离轨道时发动机必需的消耗，飞行器必须返回。3)在第一次飞行获得试验数据的基础上，OTV-2加注满燃料。按计划安排的各种试验在设计寿命期限270天内早已完成。还余下许多燃料，就可以把机动变轨飞行这项主要试验做得更充分，验证军方追求已久的1h以内达到地球表面任何位置上空的能力。2.4先进热防护系统2.4.1一体化机身防热结构X-37的机身采用一体化的石墨/聚酰胺构架，且减少了防热瓦和防热毡的使用量，如图2所示。相对于传统的金属(钢、钛、铝)构架，石墨构架大大降低了飞行器的质量，也提高了飞行器结构构架的整体防热能力。图2一体化的石墨/聚酰胺构架2.4.2一体化翼前缘防热结构与传统的高超飞行器相比，X-37B飞行器热防护系统最显著的特点是使用了薄层轻质的增韧单体纤维抗氧化陶瓷瓦(TUFROC)，所能承受的最高温度可达1700℃，但密度只是增强碳/碳材料(RCC)的1/4。该材料由NASA的Ames中心研制。TUFROC由两层轻质材料(密度为400kg/m3)组成，外层为经过处理的含碳耐高温抗氧化陶瓷隔热盖帽，内层为纤维隔热基体，如图3所示。含碳盖帽用高效钽基复合材料渗渍，形成一个坚固的梯度表面。这样，外层盖帽保证了外层模型线的空间尺寸稳定，而内层低导热率的隔热基体保护飞行器的结构。目前，TUFROC翼前缘可承受的最高温度比表面覆有增韧单体纤维隔热层(TUFI)的氧化铝增强型隔热层(AETB)可承受的最高温度高出182℃。图3电弧风洞中的TUFROC模型2.4.3迎风面上的防热结构在高动压、高温迎风面上采用的是波音公司负责研制的可重复使用绝热毡(CRI)，其表面覆以增韧单体纤维隔热层(TUFI)。共形可重复使用绝热毡的最大可使用温度高达1320℃；增韧单体纤维隔热层的材料组成中99．8%与高温重复使用表面隔热层的相同，密度仅为128kg/m3，它的涂层可渗入基体达30mm，且在界面形成密度梯度，因而比高温重复使用表面隔热层涂层的性能更好，寿命更长。增韧单体纤维隔热层也可用来取代高温重复使用表面隔热层，用在那些对耐用性能要求更高的区域。2.4.4体舵面的热结构X-37B轨道飞行器控制面不同部位采用的热结构不同，如图3所示，体襟翼结构采用的是碳/碳化硅陶瓷基结构，而襟副翼则采用碳/碳化硅和碳/碳陶瓷基结构，方向舵采用碳/碳陶瓷基结构。热结构控制面是下一代运载技术(NGLT)项目中的一个任务，目标是发展低维护和低成本的可重复使用热结构。重点是提高陶瓷基复合材料在结构上的力学可靠性和任务周期寿命。2001年6月，授予材料研究和设计公司的NGLT合同名为:陶瓷基复合材料控制面结构和连接技术的设计、制造和测试。主要目标包括两个方面:一是发展和验证与陶瓷基复合材料控制面分离部件连接有关的技术；二是陶瓷基复合材料体襟翼控制面的设计、制造和进行飞行性能测试。X-37B轨道飞行器是验证第二个目标所用的飞行器。陶瓷基体复合材料热结构控制面的特点是具有轻质薄层、热膨胀匹配好、强度和韧性好等一系列优点。