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X-51A高超音速飞行器的想象图



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X-51A采用的是吸气式超燃冲压发动机。



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尽管X-43A已超过10倍音速,但X-51A的技术更容易实用化。


虽然美国声称,X-51A高超声速飞行器验证机计划的主要目标是验证有关高超声速巡航飞行所需的突破性技术,而不是制造一种武器,但是据美国战略司令部最近透露,这个计划的终极目标就是要发展一种比目前美国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,并称一旦这种武器投入使用,美国就可以在避免引发世界范围的核大战风险和不需要利用盟国或者海外基地的情况下,对目标发起迅雷不及掩耳的攻击。


为了推进美国“全球到达,全球打击”计划,美国国防部加快了由美国空军与国防部预研局(DARPS)联合实施的X-51A高超声速巡航飞行器的研究,并计划将其发展为一种马赫数达到5~7的高超声速全球精确打击武器。此外,他们还在考虑将X-51A采用的吸气式超燃冲压发动机移植到各种高超声速飞行器上,包括作为快速反应空间发射器和未来各种超级敏捷导弹的动力。


关键技术


长4.27米的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。X-51A的乘波构型设计,通过扁平头部,可以形成按精确角度分布的激波系,使激波系产生的所有压力直接作用在导弹下方,从而为导弹提供升力,同时,头部形成的激波系还能将空气引入到矩形发动机进气道中,有助于X-51发动机的燃烧过程。


X-51A机体由铝合金和钛合金制造,头部采用钨合金,其重量和体积与联合防区外空地导弹差不多,因此能搭载在B-52等轰炸机和其他喷气战斗机上投射。


为了适应高超声速的飞行以及从空间直接再入大气层的飞行,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。


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,研究人员认为,因为超燃冲压发动机只有很少的活动部件,没有常规发动机的旋转机械,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。


但是超燃冲压发动机也有独特的问题,就是要求压缩空气以超声速流的形式通过燃烧室,如果在飞行器借助于火箭助推器加速到马赫数4.5-5.0之前无法实现超声速流,超燃冲压发动机就无法起动,所以控制调节超声速空气流量,一方面防止激波对发动机流场的破坏,一方面能够保持发动机点火过程的稳定和有效,将是这种发动机设计的一个主要挑战。


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,JP7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。


由普惠·罗克达因公司制造X-51A发动机的第一台试验样机X-1中,采用了完全一体化的燃油系统,能使发动机作为一个完整的闭环系统工作的控制硬件和软件,由一个全权数字电子发动机控制系统(FADEC)实现复杂的燃料控制和转换。


X-51A发动机的第一台试验样机X-1的主体由铬镍铁合金制造而成,这种镍基合金,重量不到68千克。与以往的钢质超燃冲压发动机相比,更轻和更加耐久。目前普惠·罗克达因公司正在为X-51A试验计划制造第二台飞行重量的样机X-2,代号为“放飞发动机”。


与已经被终止的采用液氢燃料的X-43A高超声速飞行验证机不同,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JP7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。X-43A超燃冲压发动机很难利用液氢来进行冷却,相比之下碳氢燃料有助于对超燃冲压发动机进行“主动冷却”,可以在飞行过程中利用其燃料来自行冷却发动机的某些热部件。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。


计划进展


超燃冲压发动机是X-51A项目能否成功的关键,围绕超燃冲压发动机的验证计划在整个项目中占据了中心地位。


由普惠·罗克达因公司研制的全尺寸X-1发动机样机从2006年12月到2007年4月在NASA兰利中心的高温风洞中进行了大量的试验。


2007年5月,在NASA兰利研究中心风洞内首次完成了X-1发动机马赫数5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。通过试验也验证了冷却发动机硬件并调节进入燃烧室的燃料的闭路热管理系统的工作状态。据介绍,发动机的性能超过预期,这是该项目开始迈入实际应用的重要一步。


同时,X-51A验证机也在2007年5月通过了关键设计评审,政府和工业界部门的官员们经过评审,通过了飞行器的设计、装配、系统一体化和飞行试验计划,从而表明飞行器的设计满足设计要求,可以进入采购飞行硬件、制造和装配,并准备预计在2009年夏天开始的马赫数6-7的飞行试验。


下一步,X-51A团队将进行飞行前风险评估,该评估将冻结研制进度并解决遗留的采购、制造、装配和飞行试验计划的问题。


第二台X-2飞行试验发动机样机的地面试验从2008年1月在NASA兰利研究中心开始,持续大约4个月。飞行器与X-2发动机一体化的X-51A验证机的飞行试验预计在2009年夏天开始,到2010年春天结束。计划进行4次飞行试验,将在美国海军的穆古角试验场实施。


飞行计划


根据飞行计划,X-51A验证机将悬挂在爱德华兹空军基地的一架B-52轰炸机的翼下携带到空中,在大约15240米高空释放,验证机先由美国陆军的ATACMS(先进战术导弹系统)火箭助推到马赫数4.5,为超燃冲压发动机提供足够快的起动速度,然后验证机将在超燃冲压发动机的推动下,在太平洋上空约18900-30400米的高度飞行数百千米,并不断增加飞行速度,最终达到马赫数6.5。5分钟后,X-51A验证机将坠入太平洋中。


试验中,机上数据将传给地面的工程师。如果一切顺利,X-51A将以超燃冲压发动机为动力下持续飞行5分钟,这将打破此前超燃冲压发动机持续点火燃烧创下的所有纪录。如果试验表明所有系统运转正常,项目研制人员随后将很快制造出更长燃烧时间的超燃冲压发动机。因为5分钟飞行时间并不是推进系统的边界,这只是局限于在油箱内装有燃料的容量,所以通过设计一个具有更大燃料箱的改进型飞行器,可能会很容易地增长飞行时间。