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X-51A「乘波者」飛行器

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「X-51A「乘波者」是美國空軍研究實驗室、國防高級研究計劃局、波音公司以及Pratt &Whitney Rocketdyne公司共同努力的結晶。它採用美國普惠公司製造的「空氣式超音速燃燒衝壓引擎」,可以在1小時內攻擊地球任意位置目標的新武器。首架X-51於2010年5月試驗並取得了部分成功,2013年5月X-51最後一次試飛成功。美國空軍號稱X-51A可以在一小時內對全球任何目標進行即時打擊。

1 X-51A「乘波者」飛行器 -簡介

X-51A「乘波者」X-51A「乘波者」

X-51A是美國空軍研究實驗室(AFRL)與美國國防高級研究計劃局(DARPA)聯合主持研製的超燃衝壓發動機驗證機——乘波飛行器(SED-WR,Scramjet Engine Demonstrator-Waverider)。它由波音公司與普拉特·惠特尼(簡稱普惠)公司共同開發,由一台JP-7碳氫燃料超燃衝壓發動機推動,設計飛行馬赫數在6~6.5之間。

飛行器採用了乘波構型、超燃衝壓、碳氫燃料等一系列新技術,飛行速度可超過5馬赫,屬於典型的高超音速飛行器。美國空軍號稱X-51A可以在一小時內對全球任何目標進行即時打擊

目前(截至2013年5月1日)整個項目已耗資3億美元。首架X-51於2010年5月試驗並取得了部分成功,達到了4.88馬赫的速度,不過隨後2011年6月和2012年8月的兩次實驗均因出現故障而失敗

2 X-51A「乘波者」飛行器 -研製背景

「全球快速打擊計劃」的推動

「全球快速打擊計劃」提出於20世紀90年代,目的是讓美軍能在1小時內用常規武器打擊地球上的任何目標。美國的「快速全球打擊」計劃將分階段實施,近期實施海軍「三叉戟」導彈的常規改裝計劃,中期實施海軍的「潛射全球打擊導彈」方案和空軍的助推一滑翔式導彈方案,遠期實施正在研究的「高超聲速巡航導彈」等方案。 該計劃的關鍵在於「速度」,配套研製的各種飛行器都必須達到5倍以上的聲速,其中最具代表性的就是X-51。

HyTech與HvSet技術的延續
X-51A想象圖X-51A想象圖
X-51A計劃可以看作是美國「國家空天飛機」(NASP)計劃和X-43計劃的一個延續。NASP計劃的目標是研製和驗證一種超燃衝壓發動機為動力的X-30驗證機,按照設想,投入使用的空間飛機將能夠從常規跑道上起飛,達到至少M25的進入空間速度,作為一種單級入軌的飛行器跳躍進低地球軌道,飛入太空,重新進人大氣層,最後在跑道上著陸。NASP計劃是誘人的,但是因為過於雄心勃勃而在技術上力不從心,最後在1992年被取消。此後,NASA在2004年成功地實現了X-43A驗證機的試飛,驗證了超燃衝壓發動機可以產生足夠的推力來加速飛行器。其後,NASA把各項航空研究計劃的投資轉移到空間領域,於是,X-43計劃的後續發展被迫終止。國家空天飛機(NASP)計劃終止后,美國空軍轉而投資HyTech計劃以延續其對高超聲速技術的研究,HyTech後來衍變為HySet項目。這兩項技術研究為X-51A的出台奠定了基礎。  

2004年1月,AFRL選擇波音公司與普惠公司共同製造SED-WR的驗證機,由波音公司製造機身,普惠公司生產發動機。2005年9月,美國空軍正式將該計劃編號為X-51A。

3 X-51A「乘波者」飛行器 -工作原理

「乘波者」能達到如此驚人的速度,是因為採用了特殊火箭發動機,即高超聲速吸氣式衝壓發動機。傳統噴氣式發動機利用旋轉式壓縮機將空氣壓縮入引擎,用於燃料進行燃燒,與這種傳統發動機有所不同的是,高超聲速吸氣式衝壓發動機沒有任何運動部件,依靠超聲速和空氣動力學將空氣壓縮進引擎。也就是說,它利用大氣中的氧進行燃燒,而不是自身攜帶氧 ,X-51採用普惠公司製造的空氣式超音速燃燒衝壓引擎,可提供超過200秒的動力衝壓支持,使飛機在短時間內提速至5馬赫。之前最長的動力衝壓時間來自美國航空航天局所製造的試驗機X-43——可提供12秒的動力支持。

4 X-51A「乘波者」飛行器 -技術構成

乘波技術
X-51A「波行者」飛行器X-51A「波行者」飛行器

X-51A機體外形有一個扁平的頭部、彈體中部設有4片可以偏轉的小翼(襟翼),進氣道在腹部。其設計原理主要是從一個給定的、有激波系的三維超聲速流的解析解或數值解的流面中,沿著流線切割出一個尖頂三角外形的錐形體作為飛行器的外形,由此得到的乘波飛行器構型是一種在其所有的前緣都具有附體激波的聲速、高超聲速飛行器構型。乘波構型設計有助於X-51發動機的燃燒過程。

耐熱技術

為了適應高超聲速的飛行以及從空間直接再人大氣層的飛行,飛機的表面要能承受高達4500℃的高溫。為此,整個機體塗覆了一層耐熱燒蝕材料,特別在驗證機的腹部覆蓋了與太空梭一樣的隔熱瓦。

超燃衝壓技術

X-51A採用的是吸氣式超燃衝壓發動機,與採用火箭發動機相比,其效率更高、航程更遠,所攜載荷也更重。由於這種發動機從空中吸收氧氣來保持推進,不需要像火箭發動機那樣必須同時攜帶佔據非常大發射重量的燃料和氧化劑。此外,因為超燃衝壓發動機只有很少的活動部件,所以,即使在非常苛刻的工作環境內,它們的工作至少與渦輪發動機一樣可靠。

點火技術

X-51A的超燃衝壓發動機在飛行過程中的點火是很複雜的,首先通過進氣道的壓縮空氣在經過一個隔離段后,將氣流調節到適合於燃燒室工作需要的穩定壓力,隨後和霧化了的JP-7噴氣燃料混合點火燃燒。   

由於當流入燃燒室的氣流速度在馬赫數4.0或更高時,JP-7燃油將無法依靠自身點燃,所以還必須摻混乙烯液體,點火首先從機載容器內的少量容易燃燒的乙烯的點燃開始,並將乙烯注入到燃燒室內與JP7燃料二者混合后,導致燃料的燃燒。

燃料技術

X-51A驗證機採用的是碳氫燃料,這與SR-71「黑鳥」高空偵察機所採用的J58渦輪衝壓噴氣發動機使用完全一樣的JP-7航空燃料。這種碳氫燃料是一種現成的燃料品種,不易點燃、不易揮發,可以較容易地儲存。PWR公司X-51A項目的經理解釋說,碳氫燃料要從發動機結構中吸收一定的熱量,因此可以讓燃料流過一個熱交換器來冷卻發動機結構,然後提供給燃燒室。據介紹,這種熱交換器是一種直接加工在發動機殼體壁面內的溝槽,這不僅用於冷卻1650℃以上的燃燒室,還可以通過對燃料的預先處理,將其轉變為一種熱燃氣狀態,與其處於液體形態下相比,可以多增加10%以上的能量。

5 X-51A「乘波者」飛行器 -研發意義

1998年,時任美國總統柯林頓下令發射「戰斧」式巡航導彈攻擊本·拉登,但僅數分之差,便使目標逃之夭夭。這一事件足以佐證美軍對「全球快速打擊」武器的迫切需求。X-51A的時速可達4000英里(約6400公里),從加利福尼亞范登堡空軍基地發射升空后,可在60分鐘內攜強大的動能攻擊地球上任何目標,無論是對付恐怖分子還是攻擊來自「敵國」的導彈,都不在話下。 

美國空軍一直沒有放慢進軍太空的腳步,X-51A再次將這種野心暴露無遺。布林克透露,雖然X-51A項目的首要目標是在2015年左右開發出一種快速打擊導彈,但是它本身更像是「太空運輸載具」,這才是「令美國空軍研究試驗室最興奮的地方」。毫無疑問,超音速衝壓飛行器的應用,將對美國空軍的太空戰略產生廣泛影響,將促成其「航空-航天」能力的無縫對接。 

分析人士指出,X-51A成熟后,一方面可以向太空發射衛星、運送物資,將美國空軍的行動範圍和作戰空間拓展到外太空;另一方面,又可以對全球目標發動「即時打擊」,令對手的先進防空系統無法招架。可見,X-51A驗證的技術都是在為美國空軍實現「空天一體化」戰略鋪路。

6 X-51A「乘波者」飛行器 -費用

「乘波者」項目預計花費在8900萬英鎊(約8.88億元人民幣)。

7 X-51A「乘波者」飛行器 -試飛實驗

第一次試飛

2010年5月28上午10時左右,左翼裝載了X-51的空軍飛行試驗中心的B-52同溫層堡壘的從基地起飛。然後,在飛行至穆谷海軍航空作戰中心領海範圍內5萬英尺的高空時,X-51被釋放出來。四秒鐘后,在X-51與連接架分離之前,由陸軍戰術導彈固體火箭助推器驅動的X-51已提速至約4.8馬赫。   

4架由普惠公司和波音公司製造的X-51A巡航機已完工,並將投入空軍開始服役。布林克還稱空軍官員打算在今年秋天進行X-51A的其餘三次飛行測試。美國空軍官員目前正在計劃在各個幾乎相同的飛行剖面進行飛行的測試,以便從每次測試中收集有用的信息。   

高超音速飛行通常的始速為5馬赫(聲速的5倍),但是由於傳統的渦輪引擎無法提供相應的熱量和壓力要求,這一飛行也向研究人員提出了非同一般的技術挑戰。該項目組的官員說,使用衝壓引擎提供動力支持就如同在颶風中點燃火柴,並讓火柴保持燃燒。   

因為X-51A引擎研發和測試程序都很複雜(導致成本高),所以必須注意控制成本。該小組已經吸收利用或調整現有的成熟技術,並從一開始就決定不設立飛行測試設備回收系統,以便控制成本,從而為研發超音速燃燒衝壓引擎積攢資金。X-51A的研發將為開發太空和高超聲速武器的提供有益的技術參考。

第二次試飛

波音公司完成了對X-51A「乘波者」高超音速飛行器的第二次試飛任務。   

在飛行測試中,X-51A「乘波者」高超音速飛行器的火箭發動機成功使該飛行器達到5倍音速。但是,這並不是X-51A「乘波者」最高飛行速度,如果發動機全功率運行,可達到7倍音速左右,由於按發動機工作流程,空氣通過飛行器的進氣道必須先於乙烯進行混合,然後再過渡到與JP7燃料混合,而本次飛行試驗中,這個過渡階段出現了問題,以至於超燃衝壓發動機後續的加速中斷,速度無法衝上7馬赫。

第三次試飛
掛載在B-52轟炸機上的X-51A掛載在B-52轟炸機上的X-51A

2012年8月13日報道,目前美軍的高超音速無人駕駛飛行器X-51A「乘波者」,正在積極準備其第三次飛行測試。X-51A飛行器將由B-52轟炸機從美國加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地運載至太平洋上空進行全新測試。「乘波者」將在慕古角附近的5萬英尺(約15240米)高空同B-52分離,一台火箭助推器將被隨即點燃,把「乘波者」的時速提升至4.5馬赫(註:馬赫是速度量詞,一馬赫即一倍音速。音速是每秒340米,1.2倍音速至5倍音速被界定為「超音速」)。如果一切順利,「乘波者」的引擎會在這一節點啟動,把飛行速度繼續推進至6馬赫,把飛行高度抬升至7萬英尺(約21330米)。

8月14日,在進行的試飛中,X-51A飛行器及其助推火箭在1.5萬米高空順利從搭載它們上天的一架B-52型轟炸機上脫離,助推火箭也順利點火。但在飛行16秒后,飛行器上一個平衡尾翼出現問題,在與助推火箭分離后,飛行器很快失去控制,墜入太平洋,未能回收。

第四次試飛(最後一次)

2013年5月1日的試驗是X-51A第四次、也是最後一次試驗,共計飛行時間6分鐘,飛行距離超過了426公里。

本次進行試驗的X-51A飛行器根據前三次飛行試驗的經驗和教訓進行了一系列的改進。和此前幾次試驗一樣,X-51A由一架B-52H型轟炸機掛載,從加利福尼亞州愛德華茲空軍基地升空。在B-52H轟炸機飛行至1.5萬米高空時,X-51A脫離母機,隨後飛行器由一台固體燃料助推火箭在26秒內加速至4.8馬赫。接著X-51A與助推火箭分離,並啟動飛行器自帶的超燃衝壓發動機,在1.83萬米高空加速至5.1馬赫。在燃燒完4分鐘的燃料后,X-51A按照計劃墜入太平洋。

本次飛行可能持續了300秒,隨後在500秒左右飛行器開始無動力滑行下降,墜落在加州西部太平洋試驗場的海域中。X-51A目的是為了驗證一種自由飛行、超燃衝壓發動機驅動的飛行器的可行性,這被認為是高超聲速武器和其它高速平台發展必須突破的階段

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