中国空天飞机轨道突升:X-37B四天前降低,两种飞行器究竟什么用途?

很久没有动静的中国空天飞机，在10月23日到24日间，轨道近地点突然提升了将近250千米，这个飞行器从8月5日发射升空以来已经80多天，而就在4天前，美国的空天飞机X-37B却刚刚降低轨道！

两种任务性质非常类似的飞行器，一个升轨，一个降轨，却从未公布过任务性质，究竟是干什么的，升轨和降轨的目的又是什么呢？

中国空天飞机：轨道突然升高

10月25日，微博航天大佬@PhilLeafSpace发布了一条博文称，鳖版的X-37B轨道变圆了，笔者留意到了这条博文，赶紧查了下数据，果然发现轨道数据已经出现了很大的变化，主要是近地点和远地点的数据，此前是351 x 591 千米，目前新的轨道数据是 597 x 608 千米，也就是说近地点和远地点都得到了不少的提升，并且近地点提升幅度更高，轨道已经从椭圆更接近正圆。

而且让人诧异的是，美国的X-37B则刚刚在4天前降低轨道，从之前的328 x 343千米的轨道降低到了294 x 274 千米，比此前的高度更低，为何这两个航天器能如此轻松调整轨道，这个轨道调整又有什么目的？

中国的空天飞机和X-37B到底算什么飞行器？

这架被称为中国版空天飞机传闻是类似于“神龙空天飞机”的飞行器，它的起飞方式是用CZ-2F（载人航天发射常用火箭）发射升空，这枚火箭的近地轨道载荷为8.8吨左右，假设这个航天器和X-37B同级别，也是5吨左右的飞行器，那么CZ-2F可以轻松的将其送入轨道而不再使用机载火箭。

入轨后，它可以利用自身的机载燃料与发动机在太空机动变轨，这种飞行器已经达到了绕地球运行的第一宇宙速度，可以在不使用任何燃料的情况下也可以在轨很久，比如X-37B的上一次发射是在2020年5月17日，到目前为止已经在太空两年多了。

而且在飞行过程中X-37B已经多次变轨，中国的版的空天飞机也同样在改变轨道，只是此前更像是维持轨道，而这次则是明显升轨，这就是利用了机载燃料和发动机改变运行轨道。从理论上来看，只要燃料允许，这俩飞行器可以在近地轨道上为所欲为。

任务完成后它们将返回地球，与航天飞机的形式有些类似，在轨道上调转机身尾部朝前开启发动机，向前推进减速，然后再调整到机头朝前，进入下降轨道，然后是再入、穿越大气层进黑障，再到40千米高度左右出黑障，寻找准备降落的机场，然后机动飞行到机场水平降落。

这种模式与航天飞机毫无二致，说得简单点就是一种小型版航天飞机，相同的是可以重复使用，不同的是大小相差很大，而且任务性质可能差别更大！

究竟有什么用途？

这两种类型的航天器都类似于飞机，除了控制系统、机翼以及发动机和燃料箱以外，飞行器还有一个机舱，需要装载的载荷可以在设置在机舱内，至于是什么载荷就各凭想象了，因为到目前为止，无论是中国还是美国都没有公开这两种飞行器的具体信息，我们不妨来猜测下其装载的载荷性质：

• 1、侦察为目的的光学、红外或者电子侦察设备等；
• 2、对非合作目标的捕获设备，比如机械手等；
• 3、在轨反卫星能量武器，比如激光与电磁波束武器等；
• 4、小型卫星携带并发射，包括立方星以及寄生星等；

这些载荷都是有可能的，比如光学或者红外为侦察目的，那么轨道降低有利于更高的分辨率对地观测，因为正常情况下很少会有航天器工作在300千米高度以下的轨道。

对于提升轨道之类的动作，如果是释放立方星等操作，由于这些卫星没有自身动力，那么必须要载机抵达这个轨道然后再释放，或者执行其他任务需要变更轨道等等。

这两款飞行器都非常神秘，对于用途也是只能瞎猜了，笔者猜测，美军的X-37B中很可能会安装激光或者其他反卫星的武器，毕竟美国在太空搞了那么多监视人家卫星的卫星，X-37B再去围观是不是太无聊了，所以升个级也是有可能的。

中国版空天飞机：或许还有这个用途

尽管中美官方都没有公开飞行器的资料，对其神秘用途也只能瞎猜，不过各位如果将另一个计划联系起来考虑的话，那么对这个航天器的用途可能会有一些深入了解！

腾云计划：真正的空天飞机来了

2016年9月13日，新华网报道了中国航天科工集团公司副总经理刘石泉日前在武汉举行的第二届商业航天高峰论坛上首次披露的“腾云工程”，从其描述的飞行特征来看，这才是真正的空天飞机：

• 1、飞行器从地面机场水平起飞，在大气层中加速爬升；
• 2、到达30至40公里高度时一二级飞行器分离，一级水平返回机场着陆；
• 3、二级继续爬升进入近地轨道，完成运输任务后再入大气层返回在机场水平着陆；

从上述飞行过程也能看出这是两架飞行器组成的组合式空天飞机，其中一级的任务是将二级驼到高空，并且利用吸气式发动机利用空气中的氧气，等达到高空和高超音速时再释放二级。而二级则开启火箭发动机直接送入轨道。

在这个组合飞行器中，不知道各位有没有发现二级其实就是类似于目前正在轨飞行的“空天飞机”，甚至只要加大号多装点燃料即可担任“腾云工程”的二级飞行器，所以航天爱好者都认为“空天飞机”是为腾云工程在探路。

不过这个组合飞行器中更重要的部分是一级飞行器，它的关键技术在于从水平起飞加速到高超音速，这个速度有多高呢？至少也得6~7倍音速以上，而且飞行高度要达到30~40千米，这种极端的要求有三种发动机可以实现：

1、涡轮与超燃冲压发动机的组合；

2、爆震发动机：脉冲爆震或者旋转爆震；

3、预冷式涡轮火箭发动机；

先来介绍下超燃冲压发动机，与它类似的发动机亚燃冲压发动机，两者的区别是燃烧室内的气流速度，亚燃冲压的速度亚音速，超燃冲压的速度超音速，普通的等压燃烧可能完全不能满足超燃冲压的需求，它的燃烧过程有些类似等容燃烧，否则燃烧传播速度都赶不上气流通过燃烧室的速度。

这两种发动机结构都非常简单，只是要求在超音速条件下点燃，而且冲压发动机最好能在亚燃和超燃之间无缝切换，因此需要一台涡轮发动机将其推至超音速甚至高音速以方便其点燃超燃冲压发动机。

脉冲爆震或者旋转爆震

爆震发动机是利用燃料与空气均匀混合后的爆炸推动的，无论是脉冲爆震还是旋转爆震都是如此，差别是脉冲爆震需要多管并联提高频率，否则单管爆震频率太低，不仅振动大而且推力有限，而多管并联可以解决这个问题。

旋转爆震则是一个环形燃烧室，爆震波沿着环形连续起爆，周而复始，频率比多管脉冲爆震要高，而且实用性也更好，目前则是突破的方向，2022年1月24日，清华航天测试的旋转爆震发动机就属于这一类。

预冷式涡轮火箭发动机

这种发动机的性能极端优秀，因为它只要一台发动机即可满足从零速度直接飞到太空，并且在低层大气层中飞行时可以使用大气层中的氧气，而到了高空大气稀薄时可以直接切换成火箭，一台发动机完成这种切换，到底是怎么实现的？

这种发动机比前两者都要复杂，甚至摊开原理图能看懂的人都不多，因为这种发动机要满足正常工作的话涉及到相当多的过程，而其中最关键的就是一台带预燃室的涡轮机，必须要理解这个概念，它与火箭发动机的工作循环有关：

要将火箭发动机的燃料注入高压燃烧室与氧化剂混合发生燃烧，那么需要有几种方法，一般早期用高压气体对燃料罐和氧化剂罐加压，叫做挤压循环，但燃烧室压力越来越高，挤压循环不够用了，于是就有了涡轮泵，将氧化剂和燃料引出一部分，先到涡轮泵的预燃室烧起来推动涡轮泵，再将燃料和氧化剂泵入燃烧室，这就是燃气发生器循环，为了防止预燃室的涡轮温度过高，一般都会富燃燃烧或者富氧燃烧，将这些还有大量未燃的燃气重新注入燃烧室燃烧，就是闭式循环。

涡轮泵就是这个火箭发动机里最关键的设备，同样这台涡轮泵也成为预冷式涡轮火箭发动机的核心，这种发动机的主要结构如下图：

主要工作原理：将吸入的气流冷却减小体积后再经过涡轮机压缩进入火箭燃烧室作为氧化剂，与进入火箭发动机的燃料燃烧从尾喷管排出提供动力，需要冷却是因为空气压缩后会受热膨胀，会严重降低发动机进气效率，因此冷却空气是这台发动机最重要的步骤。

氦气冷却压缩过程：火箭核心的预燃室涡轮泵启动，为氦气压缩机提供动力，这些氦气经过压缩后回到热交换器，为进入发动机的气流降温；

涡轮机压缩过程：火箭核心的预燃室涡轮泵启动，同时为涡轮机提供动力，这对冷却后的空气二次压缩，将高压气体注入火箭发动机的燃烧室作为氧化剂。

低空吸气工作过程：火箭的预燃涡轮启动，带动涡轮机吸入空气，同时启动压缩机，开始将吸入空气冷却后再压缩送入火箭发动机与混入的燃料点燃从尾喷口排出，提供强大的推力

高空火箭工作过程：到30~40千米高度后，大气层中含氧量不足以支持燃烧，发动机进气口关闭，涡轮机停止，预燃室带动的涡轮泵全力泵入燃料和氧化剂，发动机处在纯火箭模式状态。

大家不了解这个原理也无所谓，只要知道它是目前空天飞机最有希望的动力方向即可，因为它可以从零速度到宇宙速度无缝切换，在英国这种发动机被称SABRE涡喷火箭变循环发动机，在国内被命名为云龙空天飞机发动机，目前都有不错的进展，也可以说，现在已经到了空天飞机突破的前夜。