【軍事博評】William:中美擁有小型無人穿梭機 太空軍事任務的最佳選擇?

2020-09-14 15:49:56
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

經過近三個半月的推遲,長征2F改進型火箭終於9月4日下午升空,及後中國航天集團證實是次發射是搭載可重複使用試驗太空載具升空。兩天後的9月6日,該可重複使用試驗太空載具降落在新疆東部羅布泊地區一處新建的大型跑道上。經由國內媒體的報道宣傳及外國專家評估,這載具幾乎肯定是一種類似美國X-37B的小型無人太空穿梭機。可以說,這是世上第四架可進行近地軌道往返的太空穿梭機,中國也成為世界上第三個有能力設計及發射類似航空器的國家。

過去由於小型穿梭機一直被認為比大型穿梭機具更強的軍事意義,而中美已擁有類近的載具,邏輯上似乎表示太空軍事競賽可能進一步演變成近地太空戰爭。然而,這個說法是否合理?

X-20全尺寸模型,重約5.2噸,原則上是一種支援短期太空任務的軍用型穿梭機。其發射載體是泰坦系列洲際彈道導彈及相關的運載火箭,基於泰坦當時是現役洲際彈道導彈及運輸火箭,X-20的快速準備及發射能力是無可置疑的。(波音防務圖片)

緣起:動力滑翔與螺旋

此前已提過,60年代開始美俄兩國就有各種更方便前往宇宙及返回、軌道工作能力更佳且更容易重複使用,且出勤率更高(當然、軍用性也更強)的穿梭機 / 航天飛機,這亦是之前提過、計劃宏大但某程度被登月競賽「耽誤」的X-20與螺旋計劃。

相對於蘇聯仍停留於技術構想的螺旋計劃,X-20則已漸具計劃初型。其始於1958年美國空軍與NACA(即後來的NASA)簽署發展的Dyna-soar(動力滑翔)計劃,旨在發展一種同時具備太空軍事與運輸用途、由火箭發射入軌並以滑翔方式返回。美軍賦與的任務頗廣泛(或者說,沒有嚴格定義),包括軌道偵察、戰略核攻擊、攻擊蘇聯衛星、發射與維修衛星及運輸任務等,並計劃先建造10架試驗機。然而沒多久跟隨甘迺迪上任總統而繼任國防部長的麥納馬拉,不斷強調國防開發的成本效益及避免重叠發展,對於這個目標「空泛」的計劃加上機身能承擔任務的能力並不感冒,而且相關任務有其他更好的載台可以處理,最後還直接取消了事。之後由於潛心登月及著手進行穿梭機早期研發,即使對乘波體及升力體有進一步的深入研究,但小型航天飛機的研究基本上束之高閣。

螺旋50-50,由米格設計局設計,航空史上它是第一種正式進入設計階段的空天飛機,即可由機場直接起飛並進入太空,其主要配置為一架超音速母機,一節加速入軌火箭及一架可返回式子機。(網絡圖片)

相對地,螺旋方案卻在1970年代出現轉機:閃電設計局在發展暴風雪號太空梭時,再審視過螺旋方案,認為只要解決發射方法上的難題,在執行小型太空任務上有很大優勢,尤其在出勤率、小型發射任務、維修/收回中小型衛星(當時蘇聯衛星壽命普遍較低)、太空站小型補給上都有很大的成本優勢。於是他們將螺旋方案中的發射母機改為當時仍在發展中的超重型運輸機AN-225,再將入軌的穿梭機重新設計並自帶燃料箱升空。本機成員最多可達6人或搭載8.3噸貨物,只是剛開始原型機的建造工作,就因蘇聯解體而永久停止了,類似計劃再沒有在俄國航天復活過。而且由發展原因看來,這小型穿梭機軍事潛力很高,但仍是以宇宙工作機及衛星投放為主要任務。

本體只有27噸、由閃電設計局建造的MAKS在蘇聯日常太空任務上可能比暴風雪號更重要,因為其體積及複雜度較小,易於建造,且可依靠火箭或AN-225發射母機發射,而且維修較簡單,載荷艙又可由人員艙變成補給艙、衛星貨艙或者工作艙,必要時甚至可以有武器艙,適合各類型的軍事、民用航天與太空站補給任務,並可自帶可拋式燃料箱(右上圖)由母機直接發射上太空。蘇聯解體時,剛開始建造的機身(右下圖)及已經完成建造的燃料箱(右上圖)就此打住,直到今天再也沒法恢復了。中下大圖是其發射及返回步驟,其發射方法已接近空天飛機的程度了。(網絡圖片)

X試驗機中的X-30(左)及X-33(右),是NASA 1990年代最具野心的單級入軌研究項目(前者為機場起飛,後者是發射台垂直起飛),不過事實證明相關的吸氣超燃速衝壓引擎及線性氣尖引擎技術當時幾無實用化的可能(其實至今也未能實現),最後連模型機階段也沒有達成。(網絡圖片)

X-37B:最容易發展之路?

可以說,受困於穿梭機遠較初期估計高的維護要求以及令人失望的出勤次數,NASA及美國空軍在90年代初期看上小型穿梭機更大的軍民任務彈性,以及更寄望日後可以實現空天飛機飛行任務(SSTO,即單級入軌),一系列的X系飛機便被設計出來,包括X-30、X-33、X-34、X-37、X-38、X-40A與X-41,不過以上各類飛機最多只做過大氣層投放實驗,一架都沒有飛出太空就是了,最後能完成「飛天夢」的,就是2004年由NASA「過繼」給空軍、最小且技術上最為容易,並被賦與更多軍事性質的X-37B軌道試驗飛行器(Orbital Test Vehicle / OTV)。

X-37是X-40A氣動驗證機放大大約20%、及加入任務載荷艙而成。左為早期NASA利用白騎士號進行駄運空投的X-37A試驗機;右為第三次飛行任務(OTV 3)完成後返回的X-37B穿梭機。X-37B暫只造了兩架,並於十年內進行了五次飛行,現進行第六次。(網絡圖片)

必須指出的是,X-37B雖被(美)國國內外媒體標誌為太空戰機的開始,但就現在其太小且全備重量只有五噸而言,燃料及貨物載荷太少,令其工作效率並不理想,實際上更像架技術展示與測試機多點。其全重減空重,只有大約1.5噸餘量可用來裝載燃料、250公斤貨物/任務載荷及其他額外器材等,扣去機身死重,其效能和一般兩、三噸軍用偵察衛星相差無幾(純粹的衛星,效率反而更高),而且作為衛星投放手段,成本高也非常沒效率(如你要發射那麼輕的衛星,使用一支運力一噸而發射價格便宜的固燃運載火箭,可更便宜呢),唯一優點是任務周期完結後可降回地球修理,並更新裝備再次送上太空。故此,X-37B暫時都只有兩部機而已其要達到更佳果效,至少要造到如MAKS般達到18噸左右:波音的X-37C就是類似計劃,只是暫時還沒有任何研發資金而已。

2007年出現的神龍驗證機,單由影像判斷只有很小的垂尾/沒有垂尾,約4米長,主翼較窄且已接近機尾處,除垂尾不同外,比較接近穿梭機的構形。(網絡圖片)

神龍-純粹X-37B的炒襲?

南華早報引述某些知情的所謂「軍方」人士消息,指新發射的多次重返大氣層載具外形可「參照」X-37B。當然,這份報紙的所謂「內地軍聞」,個人認為近似「戰略忽悠局」分支而已,並不特別可信。必須指出的是,由於今次是航天部門首次發射及試驗這種返回式飛行器,幾乎肯定是個測試平台。過去:中國在2005年開始神龍計劃時,幾乎是從頭做起,也只做過高空空投測試,所以這次航天飛機試驗,幾乎肯定以試驗任務為主,甚至是純粹的重返大氣層及自動控制系統的測試而已。若考慮到經驗及數據缺乏,更可能是測試平台並收集相應數據、測試自動控制系統等,至少都現時而言還未有長期在軌測試的準備。這亦可能是該機只是在軌測試兩日,就重返大氣層的主要原因了。

內地媒體繪製的圖普遍都參照X-37B,這除了傳聞中的性質相近,可能也和現成的CG資源有關。然而,現時在公開或內部展覽上展示過、有明確官方來源的構形,至少有四至五種,最右側那種依靠大型發射母機發射,相信和2030年後才實用化的騰雲工程有關。(網絡圖片)

關於神龍計劃及更早期的氣動、風洞模型研究,資料仍很少,但現時中國航天科技部門展示的跨大氣層飛行器實物,除神龍那種幾乎所有發展國家都採用的構形外還月好幾個構形,但就從來沒展示過類X-37B的構形(各種雜誌所見的,都是軍事雜誌編輯或軍迷的猜想,或是論文對各種構型的模疑研究結果),故今次飛行器的構形異於X-37B的可能性絕對不低;另方面,由現火箭載荷艙罩大小判斷,今次測試也很可能是種大後掠角飛行器。

已知發射X-37B的ALTAS V和長征2FT幾乎一樣高,而ALTAS V的第二節火箭金牛座是塞進大型載荷艙內;長2FT的第二節則完全在載荷艙外,故載荷艙內實用空間更大更長。另外由懷疑長征2FT改進型(最右與最左)圖片看來,長2FT的持殊型的載荷艙沒更長更高,仍然是近12米,反而是更闊,但又不到ALTAS V的5米直徑,基於內部空間所需冗餘,載荷有可能比X-37B更長但更窄,是大後掠翼飛行器的機會也不低。(網絡圖片)

相對而言,X-37B的超長航時(任務為期半年至兩年)看來就有似乎更有軍事實用性,這事因為美國在研發X-37B前,早已研發航天飛機多時且已有成品(即大型化的太空穿梭機),同時亦研究多種小型有人或無人穿梭機其至可直接入軌的空天飛機,雖然大部分都是中途夭析或只達到原型機空中投射試驗階段,但已有不少經與數據,直到X-37B這種當中體型最小且有一定軍事應用色彩的,才得到空軍注意並注資,並試行執行多用途的太空任務,所以才一開始就被賦與那麼長的飛行時間(當然,長時間在軌也可能有訓練機上可能裝載AI的電腦,讓學習如何控制穿梭機的任務)。

除軍事偵察用途外,跟蹤或用多種手段干擾在軌衛星,可能就是現時小型無人穿梭機的軍事手段。圖為國防部與航天部門公開過的一種捕獲、掃除大型在軌碎片的小型機械臂。(網絡圖片)

迷思:軍事價值有多高?

這種軍用太空梭,若只保持現有體型及大小,即如上面所說,很適合作為定時回來更換載荷並維修的多用途衛星。然而其他媒體所聲稱的軍事用途,就可能有點問題了。

機型太小及載荷低,除跟縱監視其他衛星外,很難有更大載荷可進行更多軍事任務,這點在上面已曾討論過;另外,現時這種小型無人穿梭機,還是有5至8噸重,基本上無法由現役的洲際彈道導彈或快速發射的固體燃料火箭搭載,連運力最強的俄國R-36M洲際彈道導彈都無能為力。亦即是說,除發展快速發射甚至已預備好在發射陣位的大型固體燃料火箭運載系統,或者使用類似AN-225等發射母機系統發射,可由機場直接起飛,否則一次出擊任務至少需要一兩個星期時間安排火箭升空,失卻任務的應急性。

此前公開過偵察任務載荷艙完全展開狀態的CG,及後有愛好者以大型望遠鏡拍攝在軌X-37B的影像,基本外形和CG乎合。暫時不知道這個載荷有什麼用途。(網絡圖片)

其次,即使已有穿梭機在軌道上待命,但「手頭上」的設備未必適合任務之用,而且在軌的無人穿梭機,軌道亦是常受監察,再加上每次變軌亦需要一至數小時方能完成,其實給予對方更多時間預警,在短時間內觀察到並提高警覺、微調其他在空衛星的軌道以作規避,甚至發射反衛星飛彈加以還擊;再講,基於軌道及燃料量,這類穿梭機要對付更高軌道甚至同步軌道那些更具價值的通訊中繼及導航衛星,會非常困難。

美方認為中俄衛星太空戰的一些攻擊手法。基本上美國自己也是這樣做法,不過就現時技術及無人穿梭機的大小而言,大約只有動能、干擾或致盲雷射等近距離方法可用,效率也很難算得上高。(網絡圖片)

至於有人稱可作軌道核轟炸機,變成新核子三位一體手段......這似乎是只會不明白核威懾理論的人的幻想。核威懾除靠大當量核武的破壞力外,更重要的是載具的隱閉性與突然性,兩者皆可對應在戰略核攻擊及核反擊兩個層面上,但這兩點幾乎都不能體現在無人穿梭機身上。這種類似60年代軌道轟炸機的概念其實也有共通弱點-相當於一個有固定軌道載核彈頭、但容易受攻擊的低軌道衛星!平日地面觀察都可留意到它的軌道和行動,那就失去了隱閉性與突然性;更重要的是,並沒有任何人在迴路的核武投射機,比起有人控制及監測的系統,其實存在程式故障而誤投彈的危險性,更有甚者,該機有可能被人入侵系統而造成嚴重後果!

後記:

需要指出的是,現時美國與中國的無人小型穿梭機雖然已達到不同階段的勝利,但其大小、過小的載荷及過於「漫長」的出擊準備仍嚴重影響其靈活運用性,單項性能比起同類型用途單一的軍事衛星(如殺手衛星或大型偵察衛星)都要弱得多。如沒有更大的體型與載荷,以及有類似發射母機這種反應更快速的發射方法(如超重型運輸機或超音速發射母機),則其效果實和普通衛星沒有大區別......

部分X系列飛機的CG。若單就構形及所用載荷艙空間而言,今次發射的小型太空穿梭機可能更接近最前面的X-34實驗機。(網絡圖片)

發佈於 軍事博評
By 2020-09-14

手機分享本文: