空天飞机的应用展望

文 刘基余 武汉大学测绘学院

美国东部时间04月22日19时52分（北京时间23日7时52分），一枚“阿特拉斯－5”型运载火箭在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空，将X-37B轨道测试飞行器送入太空。X-37B是美国波音公司所属的“幻影工厂”制造的，它的尺寸只有美国现役航天飞机的四分之一左右，即长为8.9米，高2.9米，翼展为4.5米，起飞重量是4990公斤。由此可见，X-37B仅是一种小型的航天飞行器。X-37B将在太空中接受导航、控制和防热等项测试，检验这种飞行器能否在自主控制下沿着预定轨道飞行、返回大气层和安全着陆。如能依此测试成功，这将开创航空航天技术发展新时代！

X-37B轨道测试飞行器的成功入轨运行，引发了全球许多人们的广泛兴趣和密切关注，普遍认为，X-37B是未来空天飞机的雏形；按设想，空天飞机是一种既能航空又能航天的新型飞行器。它能够像普通飞机一样起飞，不过，它在大气层内飞行速度是高超音速的，亦即，在高达30～900公里的天空，能够以13～25马赫(1马赫为340米/秒)的速度飞行，而且能够直接自主加速进入地球轨道，成为航天飞行器，返回大气层后，又像普通飞机一样在机场着陆。依据这种性能，笔者认为，空天飞机将有着如下所述的广泛用途。

1 为近空间开发提供有效的飞行器开创军民应用新局面

距离地面20～100公里的大气区间，叫做“近空间(Near-Space)”，也称为临近空间或亚太空。它是一个一直被人类忽略的大气区域，也是一个“无主区域”。近空间主要包括平流层、中间层和部分电离层区域。该区域的空气非常稀薄，多数的军事作战飞机都不能够在该空间中飞行；对于卫星而言，由于重力作用过大，而难以维持它的飞行轨道。因此，在近空间内极少有飞行器飞行，许多国家也没有充分认识到近空间的应用价值，更没有对它进行系统性的研究和利用。2004年，时任美国空军参谋长约翰·詹珀(John Jumper)针对联合作战空间（JWS）的开发，提出了近空间的概念。他看到了近空间平台的巨大效能，要求美国空间司令部积极探索研究，为美军提供战术级的太空作战能力。从此，许多国家才逐渐意识到近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间的战略问题，它是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一，也是综合国力的体现，各国积极地开展了相关研究工作；例如，中国自然科学基金委员会拟定了“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划，并公布了近几年度的项目申请指南；它是以30～70公里中层近空间的高超声速远程机动飞行器涉及的科学问题为研究重点，通过多学科交叉研究，增强我国近空间飞行器研究的源头创新能力，为我国未来近空间飞行器的发展奠定技术创新的基础。X-37B轨道测试飞行器的成功入轨运行，为所述研究开阔了视野，提供了新思路。

空天飞机通过携带不同类型的载荷，具有近实时地跟踪高价值目标、空中监视、远程打击、导弹防御、自然灾害快速响应、边境防御等多种军民用途。在这些应用中，空天飞机体现了下述的显著特点：相对于卫星而言，空天飞机距离地面目标的距离仅是低轨道卫星的1／10，因此它具有效费比高、机动性好、探测性佳、分辨率高、有效载荷技术难度小、易于更新和维护等优点；相对于传统飞机而言，空天飞机的飞行高度高，滞留在空中的时间通常在几个月以上，因此它具有持续工作时间长、覆盖范围广、生存能力强、安全性能好等优势。

2 为全球地图测绘提供优异的作业平台 将导致测绘学科的一场深刻的技术革命

美国的“奋进” (Endeavour)号航天飞机于2000年2月11日12时43分发射升空，经过9天多的在轨雷达对地测量，测绘出了南纬56度和北纬60度之间的占全球面积75%的三维地图；而于2000年2月22日4时52分顺利返回佛罗里达州卡纳维拉尔角的肯尼迪太空发射中心（详见刘基余的【GPS卫星导航定位原理与方法】一书的§1.5；（北京）科学出版社，2010年1月）。

图1 “奋进”号航天飞机的SIR-C/X-SAR雷达天线

“奋进”号航天飞机全球三维地图测绘，是由安设在该航天飞机上的C波段航天图像雷达（SIR-C）和X波段合成孔径雷达（X-SAR）完成的；该两种雷达均设置了底部主天线和外侧天线(如图1所示)。长12米宽4米的SIR-C/X-SAR主天线，安设在该航天飞机的底部，它既用于发射电波，又用于接收电波；而重达300公斤的SIR-C/X-SAR外側天线，是通过一根60m长的天线伸缩杆，伸出在“奋进”号航天飞机的一侧，它只用于接收电波；当发射和回收“奋进”号航天飞机时，外侧天线被缩短到二十分之一而存放到一个支持罐体内(如图2所示)；SIR-C/X-SAR雷达的主要技术参数如表1所示。图2所示的轨道和姿态电子测定设备(包括一台GPS信号接收机)，不仅能够精确测定“奋进”号航天飞机的在轨飞行时的实时位置，而且能够精确测得主天线和外侧伸缩天线之间的距离。

如果将上述SIR-C/X-SAR雷达天线等设备安置在空天飞机上，就可以构成一种GPS空天飞机测图系统，实现全球性的地图快速测绘。我们知道，为了测绘各自国家或地区的地形图，测绘工作者首先必须在各自国家或地区建立测图基准框架——大地测量控制网；为此，需要测设最能表述各自国家或地区的地球自然表面的参考椭球体，并确定与之相应的地图投影方法。进而才能够实施对各自国家或地区的地图测绘；例如，用现代最有效手段——航空摄影测量技术测绘地形图，它的作业模式是：第一年航空对地摄影，第二年翻山越岭赴野外测量像片控制点，第三年室内伏案观测而绘制地形图；值得特别指出的是，航空摄影测量要求极高的天气条件：万里晴空，碧蓝无云。为了等待这种最佳天气，往往需一呆十天半月，甚至更长，均难奏效。笔者于1996年初春率队在海南省作GPS航空摄影测量时，曾有过这种亲身经历。笔者预言，空天飞机测图系统的应用，不仅能够突破天气条件局限，实施全天候和全球性的快速测绘地图，而且将导致测绘学科一场深刻的科技革命。

此外，空天飞机测图系统还能够为“数字地球”的数据获取和更新开创技术新途径。“数字地球”是一个完全信息化的“虚拟地球”，是一个以信息高速公路为基础，以地球空间数据（地理信息）基础设施为依托，虚拟现实技术为手段的海量信息库。它将按给定的地理坐标，集成全球的海量而多分辨率的、三维动态的地理信息，以及全球的经济、社会、人口统计信息。用这个数字地球，人们在自己的办公室内，可以检索和展示全球任一三维地区，进行农田水利规划，水库蓄水量和江河水流量计算，洪水动态监测，灾情损失评估，灾后重建部署，农作物长势监控，虫害征兆探测，除虫药剂使用，以及土地动态监测和城乡发展规划等等。为了实现所述应用，就需要不断更新“数字地球”的数据，空天飞机测图系统，将是达到目的的最佳选择。

3 为全球精确打击提供多用途的尖端兵器 而能建造空天现代化的攻防长城

美国在近年来发布的《国防部航天政策》、《美国航天司令部长期规划2020展望》和《国家航天政策》中都表明，未来的军事战争，夺取制天权，是夺取制空权和夺取制海权的基础；2001年1月，美国国会航天委员会发布了题为《涉及美国国家安全的航天组织与管理》的报告，再次强调了夺取制天权的重要性。夺取了制天权，既可以随时切断敌方的指挥、控制和通信联系，使敌人变成“聋子”和“瞎子”，又可以随心所欲地实施侦察、预警、监视、定位、通信、弹道导弹拦截，进而用航天武器系统消灭敌人的陆、海、空、天设施。空天领域已成为新的战略利益空间、战略竞争舞台和战略控制高地；谁控制了空天，谁就控制了地面和海洋，就掌握了战略主动权。美国将坚定不移地夺取制天权，控制天空；不仅强化进攻性的空天控制战略，而且努力开发防御性的卫星安全与防护技术。美国军方认为，空天飞机可以在2小时内飞抵全球任何地区，使美军继续保持在实时侦察、远程快速部署和精确打击等方面的优势，为夺取制天权提供有效的工作平台，开创攻防技术新途径，进而达到夺取制天权的目的。

表1 S I R-C/X-S A R雷达的主要参数

图2 “奋进”号航天飞机的SIR-C/X-SAR主天线和外侧天线

X-37B轨道测试飞行器的测试成功，将有可能研发成为多用途的空天战机。因它能够以每小时16000～31000公里在30～900公里的高空飞行，就能够研发成功一种全新的空天轰炸机；或者是一种空天战斗机；或者是一种空天运输机。它们的作战区域，不仅是整个地球的近空间，而且将是整个地球的天空。当空天飞机升空后，可迅速到达全球任何目标的“上空”，利用自身携带的武器对敌国卫星和其他航天器实施控制、捕猎和摧毁等攻击，甚至向敌国地面目标发起全面攻击，而成为一种名副其实的“空天轰炸机”，能够在1～2小时内突破任何地面防御体系，从空间对陆、海、空目标实施精确打击；这就拥有了全球快速打击能力。由于空天飞机采用自主驾驶和导航模式，就能够长期在太空部署。一旦需要，它就可以对敌方的卫星、宇宙飞船甚至太空站下毒手。只要装备简单的机械手，经过改进后的X—37B就能将敌方先进卫星装在货舱“打包”带回美国。由于无需考虑气动布局，X—37B可装载或挂装多种武器；当装备导弹后，X—37B可成为标准的太空战机，威慑别国的航天器和空间设施。由此可知，X—37B可能发展成为强于核武器的“空天杀手锏”，而能建造空天现代化的攻防长城。