空天飛機的應(yīng)用展望

文 劉基余 武漢大學測繪學院

美國東部時間04月22日19時52分（北京時間23日7時52分），一枚“阿特拉斯－5”型運載火箭在佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空，將X-37B軌道測試飛行器送入太空。X-37B是美國波音公司所屬的“幻影工廠”制造的，它的尺寸只有美國現(xiàn)役航天飛機的四分之一左右，即長為8.9米，高2.9米，翼展為4.5米，起飛重量是4990公斤。由此可見，X-37B僅是一種小型的航天飛行器。X-37B將在太空中接受導航、控制和防熱等項測試，檢驗這種飛行器能否在自主控制下沿著預定軌道飛行、返回大氣層和安全著陸。如能依此測試成功，這將開創(chuàng)航空航天技術(shù)發(fā)展新時代！

X-37B軌道測試飛行器的成功入軌運行，引發(fā)了全球許多人們的廣泛興趣和密切關(guān)注，普遍認為，X-37B是未來空天飛機的雛形；按設(shè)想，空天飛機是一種既能航空又能航天的新型飛行器。它能夠像普通飛機一樣起飛，不過，它在大氣層內(nèi)飛行速度是高超音速的，亦即，在高達30～900公里的天空，能夠以13～25馬赫(1馬赫為340米/秒)的速度飛行，而且能夠直接自主加速進入地球軌道，成為航天飛行器，返回大氣層后，又像普通飛機一樣在機場著陸。依據(jù)這種性能，筆者認為，空天飛機將有著如下所述的廣泛用途。

1 為近空間開發(fā)提供有效的飛行器開創(chuàng)軍民應(yīng)用新局面

距離地面20～100公里的大氣區(qū)間，叫做“近空間(Near-Space)”，也稱為臨近空間或亞太空。它是一個一直被人類忽略的大氣區(qū)域，也是一個“無主區(qū)域”。近空間主要包括平流層、中間層和部分電離層區(qū)域。該區(qū)域的空氣非常稀薄，多數(shù)的軍事作戰(zhàn)飛機都不能夠在該空間中飛行；對于衛(wèi)星而言，由于重力作用過大，而難以維持它的飛行軌道。因此，在近空間內(nèi)極少有飛行器飛行，許多國家也沒有充分認識到近空間的應(yīng)用價值，更沒有對它進行系統(tǒng)性的研究和利用。2004年，時任美國空軍參謀長約翰·詹珀(John Jumper)針對聯(lián)合作戰(zhàn)空間（JWS）的開發(fā)，提出了近空間的概念。他看到了近空間平臺的巨大效能，要求美國空間司令部積極探索研究，為美軍提供戰(zhàn)術(shù)級的太空作戰(zhàn)能力。從此，許多國家才逐漸意識到近空間飛行器的發(fā)展涉及國家安全與和平利用空間的戰(zhàn)略問題，它是目前國際競相爭奪空間技術(shù)的焦點之一，也是綜合國力的體現(xiàn)，各國積極地開展了相關(guān)研究工作；例如，中國自然科學基金委員會擬定了“近空間飛行器的關(guān)鍵基礎(chǔ)科學問題”重大研究計劃，并公布了近幾年度的項目申請指南；它是以30～70公里中層近空間的高超聲速遠程機動飛行器涉及的科學問題為研究重點，通過多學科交叉研究，增強我國近空間飛行器研究的源頭創(chuàng)新能力，為我國未來近空間飛行器的發(fā)展奠定技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)。X-37B軌道測試飛行器的成功入軌運行，為所述研究開闊了視野，提供了新思路。

空天飛機通過攜帶不同類型的載荷，具有近實時地跟蹤高價值目標、空中監(jiān)視、遠程打擊、導彈防御、自然災害快速響應(yīng)、邊境防御等多種軍民用途。在這些應(yīng)用中，空天飛機體現(xiàn)了下述的顯著特點：相對于衛(wèi)星而言，空天飛機距離地面目標的距離僅是低軌道衛(wèi)星的1／10，因此它具有效費比高、機動性好、探測性佳、分辨率高、有效載荷技術(shù)難度小、易于更新和維護等優(yōu)點；相對于傳統(tǒng)飛機而言，空天飛機的飛行高度高，滯留在空中的時間通常在幾個月以上，因此它具有持續(xù)工作時間長、覆蓋范圍廣、生存能力強、安全性能好等優(yōu)勢。

2 為全球地圖測繪提供優(yōu)異的作業(yè)平臺 將導致測繪學科的一場深刻的技術(shù)革命

美國的“奮進” (Endeavour)號航天飛機于2000年2月11日12時43分發(fā)射升空，經(jīng)過9天多的在軌雷達對地測量，測繪出了南緯56度和北緯60度之間的占全球面積75%的三維地圖；而于2000年2月22日4時52分順利返回佛羅里達州卡納維拉爾角的肯尼迪太空發(fā)射中心（詳見劉基余的【GPS衛(wèi)星導航定位原理與方法】一書的§1.5；（北京）科學出版社，2010年1月）。

圖1 “奮進”號航天飛機的SIR-C/X-SAR雷達天線

“奮進”號航天飛機全球三維地圖測繪，是由安設(shè)在該航天飛機上的C波段航天圖像雷達（SIR-C）和X波段合成孔徑雷達（X-SAR）完成的；該兩種雷達均設(shè)置了底部主天線和外側(cè)天線(如圖1所示)。長12米寬4米的SIR-C/X-SAR主天線，安設(shè)在該航天飛機的底部，它既用于發(fā)射電波，又用于接收電波；而重達300公斤的SIR-C/X-SAR外側(cè)天線，是通過一根60m長的天線伸縮桿，伸出在“奮進”號航天飛機的一側(cè)，它只用于接收電波；當發(fā)射和回收“奮進”號航天飛機時，外側(cè)天線被縮短到二十分之一而存放到一個支持罐體內(nèi)(如圖2所示)；SIR-C/X-SAR雷達的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。圖2所示的軌道和姿態(tài)電子測定設(shè)備(包括一臺GPS信號接收機)，不僅能夠精確測定“奮進”號航天飛機的在軌飛行時的實時位置，而且能夠精確測得主天線和外側(cè)伸縮天線之間的距離。

如果將上述SIR-C/X-SAR雷達天線等設(shè)備安置在空天飛機上，就可以構(gòu)成一種GPS空天飛機測圖系統(tǒng)，實現(xiàn)全球性的地圖快速測繪。我們知道，為了測繪各自國家或地區(qū)的地形圖，測繪工作者首先必須在各自國家或地區(qū)建立測圖基準框架——大地測量控制網(wǎng)；為此，需要測設(shè)最能表述各自國家或地區(qū)的地球自然表面的參考橢球體，并確定與之相應(yīng)的地圖投影方法。進而才能夠?qū)嵤Ω髯試一虻貐^(qū)的地圖測繪；例如，用現(xiàn)代最有效手段——航空攝影測量技術(shù)測繪地形圖，它的作業(yè)模式是：第一年航空對地攝影，第二年翻山越嶺赴野外測量像片控制點，第三年室內(nèi)伏案觀測而繪制地形圖；值得特別指出的是，航空攝影測量要求極高的天氣條件：萬里晴空，碧藍無云。為了等待這種最佳天氣，往往需一呆十天半月，甚至更長，均難奏效。筆者于1996年初春率隊在海南省作GPS航空攝影測量時，曾有過這種親身經(jīng)歷。筆者預言，空天飛機測圖系統(tǒng)的應(yīng)用，不僅能夠突破天氣條件局限，實施全天候和全球性的快速測繪地圖，而且將導致測繪學科一場深刻的科技革命。

此外，空天飛機測圖系統(tǒng)還能夠為“數(shù)字地球”的數(shù)據(jù)獲取和更新開創(chuàng)技術(shù)新途徑?！皵?shù)字地球”是一個完全信息化的“虛擬地球”，是一個以信息高速公路為基礎(chǔ)，以地球空間數(shù)據(jù)（地理信息）基礎(chǔ)設(shè)施為依托，虛擬現(xiàn)實技術(shù)為手段的海量信息庫。它將按給定的地理坐標，集成全球的海量而多分辨率的、三維動態(tài)的地理信息，以及全球的經(jīng)濟、社會、人口統(tǒng)計信息。用這個數(shù)字地球，人們在自己的辦公室內(nèi)，可以檢索和展示全球任一三維地區(qū)，進行農(nóng)田水利規(guī)劃，水庫蓄水量和江河水流量計算，洪水動態(tài)監(jiān)測，災情損失評估，災后重建部署，農(nóng)作物長勢監(jiān)控，蟲害征兆探測，除蟲藥劑使用，以及土地動態(tài)監(jiān)測和城鄉(xiāng)發(fā)展規(guī)劃等等。為了實現(xiàn)所述應(yīng)用，就需要不斷更新“數(shù)字地球”的數(shù)據(jù)，空天飛機測圖系統(tǒng)，將是達到目的的最佳選擇。

3 為全球精確打擊提供多用途的尖端兵器 而能建造空天現(xiàn)代化的攻防長城

美國在近年來發(fā)布的《國防部航天政策》、《美國航天司令部長期規(guī)劃2020展望》和《國家航天政策》中都表明，未來的軍事戰(zhàn)爭，奪取制天權(quán)，是奪取制空權(quán)和奪取制海權(quán)的基礎(chǔ)；2001年1月，美國國會航天委員會發(fā)布了題為《涉及美國國家安全的航天組織與管理》的報告，再次強調(diào)了奪取制天權(quán)的重要性。奪取了制天權(quán)，既可以隨時切斷敵方的指揮、控制和通信聯(lián)系，使敵人變成“聾子”和“瞎子”，又可以隨心所欲地實施偵察、預警、監(jiān)視、定位、通信、彈道導彈攔截，進而用航天武器系統(tǒng)消滅敵人的陸、海、空、天設(shè)施?？仗祛I(lǐng)域已成為新的戰(zhàn)略利益空間、戰(zhàn)略競爭舞臺和戰(zhàn)略控制高地；誰控制了空天，誰就控制了地面和海洋，就掌握了戰(zhàn)略主動權(quán)。美國將堅定不移地奪取制天權(quán)，控制天空；不僅強化進攻性的空天控制戰(zhàn)略，而且努力開發(fā)防御性的衛(wèi)星安全與防護技術(shù)。美國軍方認為，空天飛機可以在2小時內(nèi)飛抵全球任何地區(qū)，使美軍繼續(xù)保持在實時偵察、遠程快速部署和精確打擊等方面的優(yōu)勢，為奪取制天權(quán)提供有效的工作平臺，開創(chuàng)攻防技術(shù)新途徑，進而達到奪取制天權(quán)的目的。

表1 S I R-C/X-S A R雷達的主要參數(shù)

圖2 “奮進”號航天飛機的SIR-C/X-SAR主天線和外側(cè)天線

X-37B軌道測試飛行器的測試成功，將有可能研發(fā)成為多用途的空天戰(zhàn)機。因它能夠以每小時16000～31000公里在30～900公里的高空飛行，就能夠研發(fā)成功一種全新的空天轟炸機；或者是一種空天戰(zhàn)斗機；或者是一種空天運輸機。它們的作戰(zhàn)區(qū)域，不僅是整個地球的近空間，而且將是整個地球的天空。當空天飛機升空后，可迅速到達全球任何目標的“上空”，利用自身攜帶的武器對敵國衛(wèi)星和其他航天器實施控制、捕獵和摧毀等攻擊，甚至向敵國地面目標發(fā)起全面攻擊，而成為一種名副其實的“空天轟炸機”，能夠在1～2小時內(nèi)突破任何地面防御體系，從空間對陸、海、空目標實施精確打擊；這就擁有了全球快速打擊能力。由于空天飛機采用自主駕駛和導航模式，就能夠長期在太空部署。一旦需要，它就可以對敵方的衛(wèi)星、宇宙飛船甚至太空站下毒手。只要裝備簡單的機械手，經(jīng)過改進后的X—37B就能將敵方先進衛(wèi)星裝在貨艙“打包”帶回美國。由于無需考慮氣動布局，X—37B可裝載或掛裝多種武器；當裝備導彈后，X—37B可成為標準的太空戰(zhàn)機，威懾別國的航天器和空間設(shè)施。由此可知，X—37B可能發(fā)展成為強于核武器的“空天殺手锏”，而能建造空天現(xiàn)代化的攻防長城。