普莱特装置(X-37B那点不能说的秘密)

Posted 2023-05-28

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普莱特装置(X-37B那点不能说的秘密)

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X-37B总体上继承和借鉴了航天飞机的成果，与航天飞机不同的是飞行器安装在运载火箭顶部，以运载火箭为动力、两级入轨，与发射卫星流程基本一致

X-37B气动外形与航天飞机相似，但几何尺寸大小只是航天飞机的1/4。2011年，波音宣布了X-37B的升级版本，称之为X-37C，后者尺寸为X-37B的165％至180％之间，在货舱中内置的加压舱可运输多达6名宇航员。

X-37B的整个飞行剖面大致分为起飞、上升、入轨、再入、末端能量管理及着陆阶段，其中包括亚轨道飞行和近地球轨道飞行。

入轨后的X-37B可在轨道上停留并等候攻击命令，执行任务的种类范围范围比传统的航天飞行器更广泛。

作为可重复使用运载器，它不仅具备大气层内飞行能力，也可以进入亚轨道或近地球轨道空间飞行，因此其在军民领域都有广泛用途。据制造商波音公司介绍，X-37B 轨道测试飞行器在距离地球表面177 千米至800千米的低轨道上运行。而X-37B 第三次任务的轨道高度比之前两次任务要低，约350 千米，轨迹覆盖从北纬43.5 度到南纬43.5 度之间的广大地区。

主发动机

X-37初始版本采用AR-2/3发动机，用于太空轨道机动和脱轨返回。后来，随着NASA转交X-37项目，转用更为成熟可靠，推进剂载荷更大的四氧化二氮/肼作为燃料的发动机，减少了新技术的使用，提高了可靠性。毕竟X-37主要是用来验证轨道飞行试验和先进再入技术，而非新燃料技术。

AR-2/3发动机使用过氧化氢作为氧化剂，使用高密度、高热值和安全经济的JP-8（一种特殊的航空燃油）作为燃料，二者热值高，易储存十分适合作为航天燃料。AR-2/3推力为39.34KN

采用AR-2/3发动机的X-37B原始设计结构图，硕大的过氧化氢储箱占据了相当大的地方。姿态控制发动机群RCS主要集中于机头和机尾两处

初始版本X-37B结构图，JP-8储箱与过氧化氢储箱隔离在载荷舱的两端，太阳能电池板阵置于载荷舱最上面一层，入轨后载荷舱门打开，先伸出太阳能电池板。JP-8储箱顶端放置天线

服役的X-37B放弃了使用无毒易储的过氧化氢和JP-8煤油，转而采用更加成熟的四氧化氮(青色)/肼燃料(红色)。发动机也由AR-2/3替代为R-4D

R-4D广泛作为卫星的姿控发动机，其326S的比重还是相当可观的，从这个角度而言，X-37B可以称作是可重复使用的返回式卫星

R-4D是Aerojet Rocketdyne在二十世纪六十年代为阿波罗登月而开发的姿态控制发动机。Rocketdyne中文翻译为洛克达因，正式名称为普莱特和惠特尼洛克达因有限公司（普惠的子公司），土星5火箭的F-1发动机和航天飞机的主发动机SSME就出自洛克达因之手

姿控发动机

飞机在大气中机动飞行依靠鸭翼、尾翼等提供力矩来实现，而太空是真空的，要实现航天器的机动则需要依靠姿控发动机点火产生的反推力实现空间姿态、位置调整

RCS能够通过消耗少量的专用燃料来提供一定的推力和扭矩，用以修正飞行器的在轨姿态。X-37B之所以能够在空间轨道上“上下翻飞”灵活变化轨道，得益于小巧紧凑的机体结构和强大的RCS，特别是在与其他航天器轨交会对接、脱轨重返大气层乃至在丧失主动力急需备用动力等情况下，都离不开RCS。

航天飞机轨道器的姿控发动机采用甲基肼和四氧化二氮为推进剂，单台发动机推力395KG，可重复启动50000次，累计工作时间20000S，像这样的发动机轨道器共有46组，同样主要集中在机头机尾（美国航天飞机详解：轨道飞行器1）

不幸的是，很多位置的姿态控制发动机喷口位置是固定的，比如机头的姿态控制发动机只能向下喷气，产生机头上升的力。为此就需要增设更多的姿控发动机实现轨道器在轨精确调整。上面两图中轨道器机头、机尾发动机同时开启，为轨道器提供俯仰力矩，实现在轨姿态调整

X-37B的姿控发动机主要分布于机头和V型垂尾下侧，提供偏航、滚转和俯仰力矩

弹道导弹战斗部也装备有姿控发动机，使得战斗部再入大气层时能再一次调整落点，提高打击精度

机头姿态控制发动机特写，X-37B 在轨机动能力一直是测试的重点内容之一。由于X-37B 需要对敌方航天器进行侦察、攻击，不仅需要不断变轨，而且还需要具备在不同高度的轨道机动能力。同时X-37B 也需要不断变轨进行自我防御，因为轨道上的太空垃圾实在太多，稍不留神就有可能被空间碎片击中而失效甚至解体。对于10厘米以上的空间碎片，美军的太空目标监视系统可以及早发现并发布预警信息，X-37B 可以进行机动规避；但一旦遇到小于10厘米空间碎片，X-37B 就只能靠幸运之神关照了。

热防护技术

　X-37B气动外形与航天飞机相似，但几何尺寸大小只是航天飞机的１/４。由于翼面积小，加之再入大气时速度高，气动加热比航天飞机更加严重，翼前缘温度高达1649℃以上，因此，对其热防护系统就提出了更高的要求。

为了满足X-37B的热防护要求，首先在外形设计上，X-37B的头部设计比航天飞机更加圆钝一些，从而降低了驻点加热；其次在热防护系统设计方面，采用了防隔热一体化设计和梯度化设计等技术。

X-37B的热防护系统由多种热防护瓦和防护罩组成。针对X-37B的鼻锥和翼前缘防热要求，NASA阿姆斯研究中心提出了防热结构的新概念，即摒弃防热与隔热各自独立设计的传统思想，将抗氧化烧蚀外层与高韧性隔热基体进行一体化设计，采用机械连接方式将具有优良抗氧化烧蚀性能的外层与具有良好抗冲击载荷性能的隔热基体有效组合，并统一进行涂层处理，简化了机身的隔热结构设计，实现了功能、防热、隔热一体化、模块化的设计。

机身采用复合材料结构，即一体化的石墨／聚酰胺构架，减少了防热瓦和防热毡的使用量，大大降低了飞行器的质量，提高了整体防热能力

续航

X-37B进入太空轨道后伸展开小型砷化镓太阳能电池帆板，使用小型太阳能电池和锂离子蓄电池组织供电方式提供工作能源，保证了在轨期间源源不断的电力供应，使其在轨时间从第一次的225天，第二次的469天，延长到了第三次的671天，第四次飞行更是长达718天，相比而言，航天飞机的主要电力则是由燃料电池提供，但由于携带燃料非常有限，航天飞机单次任务飞行最长才18天。累计飞行时间最长的“发现”号航天飞机，它一共执行过39次飞行任务，累计飞行365天。这一“纪录”在X-37B执行第二次试验飞行时就被轻松打破

载荷舱

X-37B 的有效载荷舱可携带227 ~272 公斤的试验设备，每次飞行可携带不同的有效载荷执行不同的任务

下面带您走一遍发射程序

受运载火箭整流罩尺寸限制，X-37B采用了全动倾斜Ｖ形尾翼布局，更好地平衡高尾翼与低位机翼，改善飞行器的偏航性能，也为在后机身上方设计减速板提供了空间。这是X-37B发射前在厂房进行总装测试时的照片，经过总装测试后的飞行器将被装入整流罩运往火箭发射塔。所有的卫星发射前都要经过这个程序

受航天器大小、结构以及运输工具限制，航天器往往被拆成数个模块运往发射场，然后在发射场进行组装、测试。总装测试过程包括了航天器组装、装入有效载荷、太阳能翻板的展开、信号调试以及推进剂的加注等环节

合入整流罩标志着总装测试阶段即将结束。机身上载荷舱的舱门缝隙依稀可见，它的设计原理也与航天飞机相同，X-37B入轨后舱门打开，伸出机械臂，张开太阳能电池板，部署有效载荷

机身尾部与V型垂尾根部交汇的地方安装了减速板（能够看到一个舱门），减速板主要用于末端能量管理和进场着陆阶段的阻力控制（减速和改变飞行路径）

机身标志涂有研制方美国空军的盾章和承包商波音公司标志

为了避免机翼影响助推火箭在发射飞行阶段的稳定性，专门研制一个大型整流罩容纳X-37B

整流罩合拢，等它再度打开时，已经是数千公里的高空了

为了能够运送庞大的整流罩载具而专门设计了牵引车，牵引车不但能够平稳地转送整流罩载具还能为载荷提供空调“服务”，左边伸出的白色“管子”就是空调送风管

将X-37B载具吊上发射塔与火箭对接，可以看到牵引车上的空调装置

X-37B载具与宇宙神5火箭对接，整个对接实在火箭发射塔中完成

Orbital Test Vehicle缩写为OTV，中文名称为轨道试验飞行器，第一次飞行的飞行代号为OTV1，第二次为OTV2，之后的任务以此类推，这类似于咱们国家的神舟飞船任务，第五次发射称为神舟五号，第十次发射称为神舟十号，实际上这是国际航天发射命名的普遍惯例，美国航天飞机发射任务命名就是以STS-1，SAS-2，SAS-3等来命名

对接、测试后的火箭被转送至发射区域进行推进剂加注与发射

待命发射阶段的宇宙神5，发射架最高处的是整流罩的空调送风管，用以保证在漫长的发射测试阶段整流罩载具环境具备良好的温度、湿度、酸碱度；二子级和适配段连接的是燃料加注管

涂有X-37B徽标的是整流罩载具。下面是宇宙神火箭的第二级——半人马座火箭（涂有美国国和ATLAS标志），半人马座火箭与宇宙神火箭第一级由中段适配器（涂有发射联盟ULA徽标和AV-012）连接，古铜色的那一段就是宇宙神火箭一子级了

发射场周围的白色的燃料罐，为安全起见间氧化剂和燃烧剂隔离在发射架两侧运送至发射区的火箭经过测试就可以加注推进剂、发射了

两台强劲的RD-180发动机十分给力，RD180发动机是美国俄罗斯技术的结晶，俄罗斯航天工业的宝石