徐白薇

7月28日，美國太空軍宣布與空軍快速能力辦公室合作，計(jì)劃于2025年8月21日在佛羅里達(dá)州的肯尼迪航天中心完成發(fā)射X-37B軌道測(cè)試飛行器（OTV-8）的第八次任務(wù)。此次任務(wù)將搭載SpaceX獵鷹9號(hào)火箭發(fā)射，這次發(fā)射的任務(wù)目標(biāo)是完成激光通信和有史以來在太空測(cè)試過的性能最高的量子慣性傳感器的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)。這次任務(wù)還同美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和美國國防創(chuàng)新部門共同配合完成。

談到這次要測(cè)試的量子慣性傳感器，美國太空部隊(duì)德爾塔9號(hào)指揮官拉姆齊·霍恩（RamseyHorn）上校強(qiáng)調(diào)：“此次量子慣性傳感器演示是提高太空作戰(zhàn)韌性的可喜進(jìn)步。無論是在地月空間進(jìn)行超地軌道航行，還是在GPS信號(hào)缺失的環(huán)境中運(yùn)行，量子慣性傳感都能在GPS導(dǎo)航無法實(shí)現(xiàn)的情況下提供強(qiáng)大的導(dǎo)航能力。最終，這項(xiàng)技術(shù)將顯著提升我們第五太空作戰(zhàn)中隊(duì)乃至整個(gè)太空部隊(duì)的推進(jìn)力，即使在GPS信號(hào)缺失的環(huán)境中也能保證行動(dòng)和機(jī)動(dòng)性?！?/p>

圖：拉姆齊·霍恩上校

來源：USSF

拉姆齊·霍恩上校所在的美國太空部隊(duì)德爾塔9號(hào)的第五太空作戰(zhàn)中隊(duì)與空軍快速能力辦公室合作，負(fù)責(zé)X-37B的日常在軌運(yùn)行任務(wù)。

01

兩大核心任務(wù)：

激光通信和量子慣性傳感器的測(cè)試

激光通信的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)是此次任務(wù)的目標(biāo)之一。

激光通信即利用激光來傳輸數(shù)據(jù)，現(xiàn)已成為未來太空通信重要組成部分，因?yàn)榧t外光的波長較短，增加了每次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。在此次飛行任務(wù)中，該團(tuán)隊(duì)將通過利用低地球軌道上已部署的商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行激光通信演示，助力提升美國天基通信架構(gòu)的彈性、效率和安全性。此外，由于激光束的定向性更強(qiáng)，激光通信比傳統(tǒng)的射頻傳輸更安全。

關(guān)于激光通信演示的重要性，太空作戰(zhàn)司令ChanceSaltzman將軍表示：“OTV-8的激光通信演示將標(biāo)志著美國太空部隊(duì)在利用太空網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建多元化的太空架構(gòu)方面邁出了重要一步。這將增強(qiáng)我們衛(wèi)星通信架構(gòu)的彈性、可靠性、適應(yīng)性和數(shù)據(jù)傳輸速度?！?/p>

美國臺(tái)空軍在新聞稿中宣稱的“有史以來在太空測(cè)試過的性能最高的量子慣性傳感器的測(cè)試和實(shí)驗(yàn)”在此次任務(wù)中更加讓人期待。

圖：X-37B軌道測(cè)試飛行器為第八次任務(wù)做準(zhǔn)備。

來源：USSF

量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)（QINS）是一種利用量子精密測(cè)量技術(shù)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。它通過對(duì)原子等微觀粒子的量子態(tài)進(jìn)行精確操控和測(cè)量，來感知運(yùn)動(dòng)載體的加速度和角速度，從而實(shí)現(xiàn)自主定位、導(dǎo)航和授時(shí)的功能。

與傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)一樣，量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也屬于自主式導(dǎo)航，不依賴外部信號(hào)，因此在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)受限、受干擾甚至被拒止的情況下，仍能正常工作。但相較于傳統(tǒng)的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)贏在了高精度和高穩(wěn)定性上。因?yàn)榱孔討T性導(dǎo)航系統(tǒng)是利用量子力學(xué)的原理去對(duì)微觀世界進(jìn)行更精密的測(cè)量，所以無論是在理論還是實(shí)踐中都能夠提供更高的精度和更低的誤差率。

量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心在于利用原子干涉和原子自旋等量子效應(yīng)來構(gòu)建高精度的量子加速度計(jì)和量子陀螺儀。除了傳統(tǒng)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也有的信號(hào)采集與處理單元、導(dǎo)航處理器和電源系統(tǒng)之外，量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的核心是量子慣性測(cè)量單元。這一單元通常由多個(gè)量子傳感器組成，比如原子陀螺儀、原子加速度計(jì)和原子鐘等。因此，這一發(fā)射任務(wù)的核心也是在于完成對(duì)于這些量子慣性傳感器的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)。

量子慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的工作主要由感知、接收、更新、推算、修正這幾個(gè)步驟組成。首先是原子陀螺儀和原子加速度計(jì)基于對(duì)量子態(tài)的精確操控和對(duì)微觀粒子物質(zhì)波干涉效應(yīng)的觀測(cè)，測(cè)量出載體的角速度和線加速度，這些原始慣性數(shù)據(jù)由導(dǎo)航處理器接收，并對(duì)于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理做到實(shí)時(shí)更新載體的姿態(tài)。在高精度原子鐘提供時(shí)間基準(zhǔn)的前提下，通過對(duì)于加速度的處理得到速度和位置的數(shù)據(jù)。最后通過系統(tǒng)內(nèi)部算法進(jìn)行誤差補(bǔ)償，進(jìn)一步提高精度。

這次任務(wù)將通過探測(cè)原子的旋轉(zhuǎn)和加速度，實(shí)現(xiàn)精確的太空無輔助導(dǎo)航。這項(xiàng)技術(shù)可以用在GPS信號(hào)缺失的環(huán)境中，從而增強(qiáng)美國航天器在應(yīng)對(duì)當(dāng)前和新興威脅時(shí)的導(dǎo)航彈性。同時(shí)，由于量子慣性傳感器可用于地月空間導(dǎo)航，它們還有望推動(dòng)遠(yuǎn)程太空旅行和探索的技術(shù)前沿。

02

美國太空軍X-37B的第八飛：

戰(zhàn)略意義

盡管對(duì)于美國太空部隊(duì)X-37B的第八次任務(wù)的具體細(xì)節(jié)仍高度保密，但公開信息表明其主要目標(biāo)是測(cè)試和驗(yàn)證下一代空間技術(shù)，這對(duì)于美國在太空領(lǐng)域的戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。

首先，對(duì)于激光通信和量子慣性傳感器的測(cè)試一定程度上增強(qiáng)了美國對(duì)于太空系統(tǒng)的空間感知和導(dǎo)航彈性。激光通信能提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更強(qiáng)的安全性，對(duì)于未來戰(zhàn)場(chǎng)上的信息共享至關(guān)重要。量子慣性傳感器則實(shí)現(xiàn)在無需GPS或其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的精準(zhǔn)導(dǎo)航，這在“GPS拒止”環(huán)境中也具有重要意義。這意味著即使在敵對(duì)行為下，美軍的太空資產(chǎn)也能保持精確的定位和機(jī)動(dòng)能力，大大增強(qiáng)了其太空系統(tǒng)的韌性。

其次，X-37B作為一個(gè)可重復(fù)使用的太空試驗(yàn)平臺(tái)正在推動(dòng)美國的太空能力的現(xiàn)代化。通過完成將實(shí)驗(yàn)對(duì)象送入軌道并在任務(wù)結(jié)束后返回分析，這種過程的多次重復(fù)正在加速美國對(duì)于新技術(shù)的開發(fā)和驗(yàn)證。在此次任務(wù)中提到的與商業(yè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的激光通信演示，表明了美國太空部隊(duì)正在積極探索與商業(yè)部門的合作。

最后，X-37B長時(shí)間在軌和高度保密的特性，本身就構(gòu)成一種戰(zhàn)略威懾。美國在向潛在對(duì)手傳遞著一個(gè)明確信號(hào)，美國正在積極投資并掌握先進(jìn)的太空技術(shù)，試圖具備在太空進(jìn)行長期、復(fù)雜操作的能力。

03

X-37B的系列飛行

從2010年到2025年，15年間美國太空軍組織并完成了X-37B的8次飛行，從多次飛行任務(wù)中能夠看到許多進(jìn)展與突破。

第一是在軌時(shí)長不斷創(chuàng)新高。首次發(fā)射任務(wù)是在2010年4月22日，此次在軌飛行共224天。第二次任務(wù)于2011年3月5日發(fā)射，在軌飛行共468天。第三次任務(wù)于2012年6月11日發(fā)射，在軌飛行674天。第四次任務(wù)于5月20日發(fā)射，在軌飛行共718天。第五次任務(wù)于2017年9月7日發(fā)射，在軌飛行780天。第六次任務(wù)于2020年5月17日發(fā)射，在軌飛行共908天。在以上六次飛行中，每一次的任務(wù)時(shí)長都有所刷新。

第二是發(fā)射任務(wù)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容逐漸深入。X-37B的早期任務(wù)可能更多地集中在平臺(tái)自身的測(cè)試和基本技術(shù)驗(yàn)證。但在最近的幾次發(fā)射任務(wù)中看，X-37B的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已經(jīng)深入到激光通信、量子傳感等前沿領(lǐng)域。美國空軍部長芭芭拉·巴雷特此前針對(duì)第六場(chǎng)發(fā)射任務(wù)表示，該次任務(wù)將最大限度發(fā)揮X-37B的獨(dú)特性能，并進(jìn)行多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，包括由美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)的將太陽能轉(zhuǎn)化為射頻微波能，并傳輸至地面的空間太陽能實(shí)驗(yàn)；由美國空軍學(xué)院負(fù)責(zé)在軌道上部署“獵鷹8號(hào)”小型衛(wèi)星的實(shí)驗(yàn)；美國宇航局研究輻射等空間效應(yīng)對(duì)農(nóng)作物生長影響的兩項(xiàng)試驗(yàn)。這也是X-37B迄今為止最大的科學(xué)負(fù)載。

圖：SpaceX獵鷹重型火箭準(zhǔn)備在USSF-52之前發(fā)射，該火箭攜帶美國太空軍X-37B軌道測(cè)試飛行器從肯尼迪航天中心39A發(fā)射場(chǎng)發(fā)射。

來源：美國太空軍

同樣，2023年12月28日，美國太空軍與SpaceX合作完成了第七次發(fā)射，也是首次在獵鷹重型火箭上發(fā)射。這次的目標(biāo)測(cè)試也已經(jīng)擴(kuò)展到在新的軌道狀態(tài)下運(yùn)行、試驗(yàn)空間域感知技術(shù)以及研究對(duì)NASA材料的輻射影響等多個(gè)方面。

而這一次，計(jì)劃在2025年8月21日發(fā)射的X-37B，將在太空展開關(guān)于激光通信和量子慣性傳感器最先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)和研究，又會(huì)給全球的量子發(fā)展帶來多少的助力呢？我們將拭目以待。

參考鏈接

[1]https://www.oxts.com/zh/what-is-an-inertial-navigation-system/

[3]https://www.airandspaceforces.com/x-37-eighth-mission-laser-comms-gps-alternative/

[6]https://boeing.mediaroom.com/2025-07-28-Boeing-Built-X-37B-Spaceplane-Set-for-Eighth-Mission

[8]https://sat.huijiwiki.com/wiki/X-37B_OTV-7

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