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X-51A高超音速无人飞行器

X-51A是美国空军研究实验室(AFRL)与国防高级研究计划局(DARPA)联合主持研制的超燃冲压发动机验证机——乘波飞行器(SED-WR,Scramjet Engine Demonstrator-Waverider)。它由波音公司与普拉特·惠特尼(简称普惠)公司共同开发,由一台JP-7碳氢燃料超燃冲压发动机推动,设计飞行马赫数在6~6.5之间。这个计划的终极目标就是要发展一种比美国原武器库中任何一种导弹的速度都要快5倍以上,可以在1小时内攻击地球任意位置目标的新武器。2012年8月14日,X-51A第3次试飞,从纽约飞到伦敦将只需不到一个小时。

武器性能

  • 中文名:X-51A高超音速无人飞行器
  • 长:4.3米
  • 发动机:采用超燃冲压发动机
  • 开发公司:波音公司与普拉特·惠特尼公司
  • 特点:可以在1小时内攻击地球任意位置目标
  • 研发时间:20世纪90年代
  • 飞行马赫数:6~6.5之间
  • 首飞时间:2010年5月
  • 代号:乘波者
  • 目录

    研发背景编辑本段

    “全球快速打击计划”的推动
    “全球快速打击计划”提出于20世纪90年代,目的是让美军能在1小时内用常规武器打击地球上的任何目标。美国的“快速全球打击”计划将分阶段实施,近期实施海军“三叉戟”导弹的常规
    X-51A飞行器X-51A飞行器
    改装计划,中期实施海军的“潜射全球打击导弹”方案和空军的助推一滑翔式导弹方案,远期实施正在研究的“高超声速巡航导弹”等方案。
    该计划的关键在于“速度”,配套研制的各种飞行器都必须达到5倍以上的声速,其中最具代表性的就是X-51。 五角大楼的决策者们念念不忘多年前的一个深刻教训。1998年8月20日,位于阿拉伯海上的美国“林肯”号航母战斗群发射了数枚“战斧”巡航导弹,攻击阿富汗东部塔利班训练营地,目的是清除本·拉登。“战斧”巡航导弹的最大飞行速度为885千米/时,飞行了1770千米,耗时长达2个小时。结果,拉登在导弹飞抵前一个小时刚刚离开了训练营地。这次行动的失败给美国国防部留下了无法弥补的遗憾,从而促使了高超音速武器的研制工作开始加速。
    2001年9月l1日,美国本土首次遭到恐怖组织的大规模攻击,促使布什政府开始积极调整美国的军事战略,以应对新形势下难以预测和控制的各种威胁。随后出台的四年防务评估报告》强调防务规划必须以迅速和决定性地应对突发事件为中心,必须由过去“基于威胁”的模式转向未来“基于能力”的模式,因此,有必要发展全球打击能力来应对各种紧急情况。2003年1月,布什总统在一份秘密报告中赋予美军
    美国的“快速全球打击”阶段性计划 美国的“快速全球打击”阶段性计划
    战略司令部执行全球打击的任务。随着各项作战需求的不断明确,五角大楼制订了一项“全球敏捷打击”计划,旨在大力推动高超音速技术的发展,力求尽快研制和发展出可以投入实战的武器型号。
    继HyTech与HvSet技术研究之后
    X-51A计划可以看作是美国“国家空天飞机”(NASP)计划和X-43计划的一个延续。NASP计划的目标是研制和验证一种超燃冲压发动机为动力的X-30验证机,按照设想,投入使用的空间飞机将能够从常规跑道上起飞,达到至少M25的进入空间速度,作为一种单级入轨的飞行器跳跃进低地球轨道,飞入太空,重新进人大气层,最后在跑道上着陆。NASP计划是诱人的,但是因为过于雄心勃勃而在技术上力不从心,最后在1992年被取消。此后,NASA在2004年成功地实现了X-43A验证机的试飞,验证了超燃冲压发动机可以产生足够的推力来加速飞行器。其后,NASA把各项航空研究计划的投资转移到空间领域,于是,X-43计划的后续发展被迫终止。 国家空天飞机(NASP)计划终止后,美国空军转而投资HyTech计划以延续其对高超声速技术的研究,HyTech后来衍变为HySet项目。这两项技术研究为X-51A的出台奠定了基础。
    2004年1月,AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司生产发动机。2005年9月,美国空军正式将该计划编号为X-51A。

    方案制定编辑本段

    多重目的

    X-51A飞行器结构示意图 X-51A飞行器结构示意图
    X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的飞行马赫数从4.5提升到6.5。此外,还有以下目的:
    其一是获取超燃冲压发动机的地面及飞行试验数据,以加深对物理现象的理解以及开发可用于超燃冲压发动机设计的计算工具;
    其二是验证吸热式燃料超燃冲压发动机在实际飞行状态下的生存能力;
    其三是通过自由飞行试验来验证超燃冲压发动机能够产生足够的推力。
    虽然X-51A计划的主要部分是进行推进试验,但它不仅仅是一个对HyTech超燃冲压发动机的测试计划。发动机与飞行器的整合需要两方面研究过程的协调发展:高超声速推进飞行试验以及航空器的研发。另一方面,航空器的研发过程也具有同样重要的意义。

    关键设计评审(CDR)

    2007年6月,波音公司的X-51A乘波者超燃冲压发动机验证机完成了关键设计评审(CDR)并首次点燃发动机,这是首次飞行所必须的两个项目里程碑。由美国空军、国防预先研究计划局、NASA、波音公司和普·惠公司罗克达因分公司组成的集团目标是,通过X-51A项目验证高超声速飞行能力。
    CDR评审让政府和工业界的官员评审和证实飞行器的设计、装配、一体化和飞行试验计划。 发动机研发
    美国空军的HyTech计划已经为发动机系统完成了许多基础性的开发。HyTech部件的研发试验包括:燃烧室直连式试验、进气道/隔热装置模型实验、模拟燃烧室条件下热载荷热交换器子部件测试、燃料分配阀性能测试以及HyTech燃料系统与软件的闭环测试。
    在完成这些部件验证试验后,空军又启动了一系列更大也更为复杂的自由射流试验,包括2001年对性能测试发动机(PTE)进行的试验,2003年第一台碳氢燃料超燃冲压发动机——GDE-1(Ground Demonstration Engine 1)自由射流试验的完成,以及2006年GDE-2的测试。这些技术研究为X-51发动机的研发积累了很有价值的经验。

    验证发动机性能

    X-1发动机的验证。2007年5月,在NASA兰利研究中心首次完成了X-1发动机的模拟飞行试验。在成功点燃X-1发动机验证机期间,工程师用全权数字电子发动机控制器(FADEC)来模拟马赫数5的空速,经历了大约40多次循环,马赫数从4.6逐渐增加到5.0,最后增加到6.5。据介绍,发动机的性能超过预期,这是该项目开始迈人实际应用的重要一步。
    X-2发动机的验证。在X-1发动机验证之后,又进行了多次验证。截止2008年9月1日,普惠·洛克达因公司设计的SJX61—2“飞行重量”超燃冲压发动机已经完成了第11次试验,该发动机简称X-2,代号为“放飞发动机”,是X-51A飞行器所采用的系列发动机的一种(该发动机项目之前称为HySET计划),它于2001年就已经开始地面试验。

    项目依次展开

    据波音的项目经理介绍,波音公司同时还在设计X-51从B到H的不同型号。设想的X-51B将以一台Alliant技术系统公司的热喉道冲压发动机为动力装置,这是一种简单化的亚声速燃烧发动机,设计用来维持马赫数5的巡航飞行。波音已完成了“相当详细”的X-51B的安装计划,ATK正打算开始进行发动机的地面试验。

    独特技术编辑本段

    乘波技术

    飞行原理图 飞行原理图
    作为乘波者(Waverider,又译驭波者、波行者)的X-51A,机体外形有一个扁平的头部、弹体中部设有4片可以偏转的小翼(襟翼),进气道在腹部。其设计原理主要是从一个给定的、有激波系的三维超声速流的解析解或数值解的流面中,沿着流线切割出一个尖顶三角外形的锥形体作为飞行器的外形,由此得到的乘波飞行器构型是一种在其所有的前缘都具有附体激波的声速、高超声速飞行器构型。乘波构型设计有助于X-51发动机的燃烧过程。乘波构型具有以下优点。
    (1)乘波构型的上表面与自由流平行,所以上表面的压差阻力较小,而下表面在设计马赫数下受到一个与常规外形一样的高压。
    (2)飞机下表面在激波后的高压不会绕过前缘泄漏到上表面,波后高压与上表面低压之间没有压力沟通,这使乘波构型和普通外形相比具有很高的升阻比。
    气动原理 气动原理
    (3)来流经激波压缩后,沿着压缩面的流动被限制在前缘激波内,形成较均匀的沿下表面流场,可以消除发动机进口处的横向流动,利于提高吸气式发动机的进气效率,同时使得这一构型便于进行弹体/发动机/进气道一体化设计。
    (4)由于上下表面没有压力沟通,飞行器上表面和下表面的流场不存在干扰问题,上下表面可以分开处理,有效地简化了飞行器的初步设计和计算过程。乘波构
    型与超燃冲压发动机的一体化设计可以得到性能优越的高超声速乘波飞行器。

    耐热技术

    为了适应高超声速的飞行以及从空间直接再人大气层的飞行,飞机的表面要能承受高达4500℃的高温。为此,整个机体涂覆了一层耐热烧蚀材料,特别在验证机的腹部覆盖了与航天飞机一样的隔热瓦。

    超燃冲压技术

    X-51A飞行想像图 X-51A飞行想像图
    X-51A采用的是吸气式超燃冲压发动机,与采用火箭发动机相比,其效率更高、航程更远,所携载荷也更重。由于这种发动机从空中吸收氧气来保持推进,不需要像火箭发动机那样必须同时携带占据非常大发射重量的燃料和氧化剂。此外,因为超燃冲压发动机只有很少的活动部件,所以,即使在非常苛刻的工作环境内,它们的工作至少与涡轮发动机一样可靠。

    点火技术

    X-51A的超燃冲压发动机在飞行过程中的点火是很复杂的,首先通过进气道的压缩空气在经过一个隔离段后,将气流调节到适合于燃烧室工作需要的稳定压力,随后和雾化了的JP-7喷气燃料混合点火燃烧。
    由于当流入燃烧室的气流速度在马赫数4.0或更高时,JP-7燃油将无法依靠自身点燃,所以还必须掺混乙烯液体,点火首先从机载容器内的少量容易燃烧的乙烯的点燃开始,并将乙烯注入到燃烧室内与JP7燃料二者混合后,导致燃料的燃烧。

    燃料技术

    SJY61超燃冲压发动机燃油系统 SJY61超燃冲压发动机燃油系统
    X-51A验证机采用的是碳氢燃料,这与SR-71“黑鸟”高空侦察机所采用的J58涡轮冲压喷气发动机使用完全一样的JP-7航空燃料。这种碳氢燃料是一种现成的燃料品种,不易点燃、不易挥发,可以较容易地储存。PWR公司X-51A项目的经理解释说,碳氢燃料要从发动机结构中吸收一定的热量,因此可以让燃料流过一个热交换器来冷却发动机结构,然后提供给燃烧室。据介绍,这种热交换器是一种直接加工在发动机壳体壁面内的沟槽,这不仅用于冷却1650℃以上的燃烧室,还可以通过对燃料的预先处理,将其转变为一种热燃气状态,与其处于液体形态下相比,可以多增加10%以上的能量。

    难题启示编辑本段

    X-51A采用“乘波体”技术,这是一种新颖的飞行机制,和通常飞机采用机翼产生升力的机制迥然不同,特别适宜于在大气层边缘以高超声速飞行,一个多小时就可以从西雅图飞到北京,具有不可估量的军事威慑力。亚轨道高超声速飞行器的飞行轨迹像飞机一样不可预测,而且没有反复绕地球的事情,可供拦截的窗口也稍纵即逝,拦截难度大大提高。然而,像X-51A这样的亚轨道高超声速飞行器也存在自身难题。

    难题

    第一是飞行器离不开母机挂载。
    挂载于挂架下的X-51A飞行器 挂载于挂架下的X-51A飞行器
    亚轨道高超声速飞行器不仅有亚轨道高超声速飞行段,还有在低空低速起飞、着陆和机动的飞行段,气动设计必须综合考虑各方面的要求。现在的航空航天技术还没有解决这一问题,X-51A还是靠B-52携带升空,取得一定的速度和高度后再靠自身动力加速到亚轨道飞行的。航天飞机没有完全实现水平起飞、水平着陆和加油后就可再次起飞的初衷。
    第二是超燃冲压发动机还未取得突破性进展。
    X-51A动力系统的技术关键在于超燃冲压发动机,这是航空发动机的技术前沿。所以,第二大问题是动力。
    超声速燃烧冲压发动机的工作窗口极其狭窄,错过一点点,超声速燃烧就不能维持。在另一方面,温度升高使声速升高,不及时补偿的话,也会破坏超声速燃烧的条件。美国的X-51A代表超声速燃烧冲压发动机的最高水平,但飞行的持续时间只有300秒,离实用化还差距很远。X-51A的火箭助推是实验性的,实用中可能用冲压发动机将飞行器加速N5倍声速以上,超声速燃烧冲压发动机才能开始工作。

    启示

    X-51A代表了世界航空技术的最前沿,一旦投入使用,它将实现快速全球打击计划的目标“两小时到达世界任何地方”,虽然X-51A离实战化还有很远的距离,但做此项目作为先行者,对世界其它国家进行高超声速飞行器的发展和研究会有很多启示。
    挂在B-52H机翼下的X-51A飞行器 挂在B-52H机翼下的X-51A飞行器
    (1)高超声速技术的研究试验计划是一项复杂的系统工程,必须做好顶层设计和加强总体协调工作,进行关键技术攻关,在决定研制实用飞行器系统前,还需要进行全尺寸、与机体综合的发动机飞行演示验证;
    (2)必须进行深入的设计及需求论证以确立对高超声速武器系统的作战需求,并确定具体的设计目标;
    (3)不要低估费用和进度、不要高估性能和技术成熟度,以免项目过度开发;
    (4)确定的系统必须成为用户评估以后的首选,换句话说,即研发的系统必须完全满足用户在性能和成本上的需求;
    (5)作为可推进技术的能力必须能够满足新的任务,或者采用新的方法能实现任务;
    (6)某个高超声速研究项目必须借鉴以前的成果,同时在高超声速的项目发展过程中,要尽可能形成阶段性成果,以便在项目出现困难,研究方向发生变化时,作为宝贵的借鉴技术资料;
    (7)加强国际合作,分担研制风险是可行的开发方式。

    试飞编辑本段

    首飞

    X-51A飞行器 X-51A飞行器
    2010年5月26日,美国在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地,成功试飞了X-51A飞行试验机。
    按照最初试飞计划,B-52飞机在大约15000米高空投放整个X-51A试验系统。首先,助推器持续燃烧30秒钟,将整个系统加速到马赫数4.6~4.8。在助推过程中,空气将进入X-51A验证机的超燃冲压发动机内,通过级间段流出,以便起动进气道,开始逐渐加热发动机及其燃油。在助推器分离后,X-51A验证机将借助惯性继续滑行数秒钟,然后在发动机内部依次点燃乙烯和燃油,达到热平衡后,仅利用JP-7燃料的燃烧实现不断加速。整个动力飞行过程大约300秒,预期飞行速度达到马赫数6.5。随着全部燃料消耗殆尽,X-51A验证机将开始减速,接着是500秒的无动力飞行,逐渐下滑,最后坠落进太平洋。
    然而,首次试飞并非按照设想顺利进行,尽管取得了成功,但还是出现了令人意想不到的一些情况。
    5月26 日,美国空军实施了X-51A验证机的首次飞行试验。B-52H载机在众人期待的目光中,从爱德华兹空军基地起飞,爬升到预定高度后,在马赫数0.8的飞行速度下,释放了由助推器和验证机组成的X-51A试验系统。大约4秒后,助推器按照预定程序点火,将X-51A验证机助推到马赫数4.8。随后,X-51A验证机与助推器、级间段分离,按照预定程序,成功地完成了一个平缓的180度滚转机动。这一过程中,X-51A验证机将进气口从上方位置改变为腹部位置,飞行速度略微降低到马赫数4.73。
    随后,SJY61超燃冲压发动机先点燃乙烯,然后过渡到JP-7碳氢燃料的点火、燃烧。接着,X-51A验证机开始逐步加速,但是遥测数据表明,加速度略低于设计值,而且发动机舱后部的温度明显高于设计值。靶场安全官员通过监测数据发现,X-51 A验证机开始减速,并且遥测信号丢失,于是下令终止试飞,飞行器启动了自毁程序。
    结果,SJY61超燃冲压发动机只工作了140秒,并未达到预期的300秒时间,飞行器的飞行速度达到了马赫数5,尚未加速到马赫数6以上。PWR公司表示,有关数据初步表明,SJY61发动机完全按照设计要求工作,在第一次试飞中就实现了最关键的一些事情:点燃乙烯,过渡到乙烯与JP-7燃料的混合燃烧,达到JP-7燃料燃烧的条件,仅用JP-7燃料继续燃烧,并持续工作140秒。X-51A验证机在自毁前,机内仍然剩余一部分燃料。
    由此可见,PWR公司已经完全掌握了一系列关键技术,可以很快制造出更长燃烧时间的超燃冲压发动机。设计的5分钟飞行时间并不是推进系统的限制,只是局限于在油箱内装有燃料的容量。如果改进设计一种更大容量的燃料箱,X-51A改进型可以进一步增加飞行时间。
    尽管飞行时间没有达到预期目标,但测试组仍然对结果感到满意。AFRL发言人表示,首次飞行得分为B,下一次将得到A。AFRL负责X-51计划的经理布林克表示,此次试飞取得了95%的成功,飞行控制软件完美无缺,尚不清楚加速过程减慢和飞行时间短暂的具体原因,初步推测可能是密封问题或作动器故障,同时也认为,有可能是错误地估算了X-51A验证机在低马赫数飞行时的阻力。
    美国的新闻媒体对此次首飞作了充分的肯定。《基督教箴言报》在形容X-51A验证机的飞行速度时,称它比“超人”还快,而且还比喻说,它的超燃冲压发动机的技术难度就好比在飓风中点燃一根火柴,并且不让火焰熄灭。《洛杉矶时报》描述X-51A验证机的首次试飞:一架外观酷似冲浪板的飞机从一架B-52H载机的机翼下分离,然后以超过5600千米/时的速度在太平洋上空飞行,这让过去的飞行纪录为之逊色,也重新点燃了研制高超音速飞行器的热情。
    或许,布林克评价更加精辟,令人长久回味。他表示,超燃冲压发动机在技术上的飞跃相当于第二次世界大战后期从活塞式发动机向喷气式发动机的巨大跨越。

    二次试飞失败

    B-52携带X-51飞行器 B-52携带X-51飞行器
    2011年6月13日进行的X-51“乘波者”高超声速飞行器第二次飞行试验中,由于超燃冲压发动机的进气道未启动,X-51第二次飞行过早终止。在操作人员的控制下,飞行器溅落加利福尼亚沿海。
    波音公司B-52飞机携带X-51飞行器“完美地”飞至发射点后,火箭推进器成功将X-51推进至马赫数5,由普惠·洛克达因公司建造的超燃冲压发动机以乙烯为初始燃料,成功点火。在随后转而使用JP-7常规燃料时,进气道未能启动。之后工作人员重启、恢复最佳条件的努力失败。
    按照NASA的说法,进气道不启动的原因多为激波速度过快,越过进气口前端,导致发动机气流的气压骤减。超燃冲压发动机的工作依赖着极度精确的激波运动和发动机气流。没有风洞能使空气以高超声速运动,因此高超声速试验极端困难。
    空军项目经理查理·布林克(Charlie Brink)表示:“显然,我们很失望,原本我们期待着更好的结果。但是我们仍对此次飞行收集到的数据感到满意。我们将继续检查这些数据,了解更多关于这项新技术的知识。每一次对这项令人振奋的新技术进行试验,就距离成功更近一步。”
    在2010年5月26日X-51首次飞行中,飞行器在超燃冲压发动机点火110余秒后,经历了相似的进气道未启动问题,之后发动机成功恢复。飞行控制持续至143秒时,发动机密封失效,导致试验中断。

    三次试飞

    2012年8月14日,X-51A“乘波者”高超音速无人飞行器将进行第三次试飞。按照这种飞行器的最高时速计算,从纽约飞到伦敦只需不到一个小时。
    按计划,用于测试的X-51A先是在位于加利福尼亚州的爱德华兹空军基地进行测试,待一切妥当之后被挂到B-52轰炸机翼下;接着B-52从爱德华兹空军基地起飞,在飞到接近莫古角导弹靶场的太平洋上空时,从5万英尺高空将X-51A放飞;然后X-51A打开自身动力,加速到6倍音速并爬升到7万英尺高空,在持续飞行300秒后最终坠入太平洋。而6倍音速相当于从纽约飞到伦敦只需短短不到一小时。

    附件列表


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