辛元元

2009年12月9日，美國(guó)愛(ài)德華茲空軍基地，一架美國(guó)空軍的B-52轟炸機(jī)左翼下吊掛著一枚奇怪的東西起飛了。這個(gè)奇怪的東西分為兩級(jí)，第一級(jí)是一個(gè)圓柱形；第二級(jí)是一個(gè)楔形體，下面掛了一個(gè)長(zhǎng)方形斜開(kāi)口的進(jìn)氣道。這個(gè)奇怪的東西就是美國(guó)正在研制的X-51A型高超音速飛行器。

對(duì)于這次飛行，x-51A研制團(tuán)隊(duì)異常激動(dòng)。空軍研究實(shí)驗(yàn)室的x-51A項(xiàng)目經(jīng)理查理·布林克表示：“這是最偉大的一天?！薄?guó)內(nèi)媒體對(duì)這次飛行也給予了高度評(píng)價(jià)，媒體在報(bào)道這件事時(shí)，用了“美軍目標(biāo)是1小時(shí)內(nèi)打擊全球”這樣的字眼。不過(guò)，X-51A這次并沒(méi)有靠自己的動(dòng)力和控制系統(tǒng)飛行。從始至終掛在B-52機(jī)翼下。從嚴(yán)格意義上說(shuō)，這是一次為了試飛而進(jìn)行的準(zhǔn)備工作。那么，輿論為何如此亢奮?

什么是高超音速飛行?

人類(lèi)在1 947年實(shí)現(xiàn)了超音速飛行，此后飛行速度的記錄不斷刷新，兩倍音速、三倍音速……在1 964年，美國(guó)x-15試驗(yàn)機(jī)飛出了馬赫數(shù)6.5的航空器速度記錄。從那以后，航空航天界一直在研究如何讓高超音速飛行器實(shí)用化。

所謂超音速飛行，是以大于當(dāng)?shù)乜諝庵幸羲俚乃俣蕊w行，而在不同密度的空氣中，超音速飛行的絕對(duì)速度數(shù)值是不同的。通常人們把達(dá)到音速5倍以上的速度稱(chēng)為高超音速，即馬赫數(shù)大于5。

如果高超音速飛行器投入實(shí)用化，將逐步改變?nèi)祟?lèi)的生活方式。從經(jīng)濟(jì)上說(shuō)，洲際客運(yùn)的時(shí)間將大大縮短，“天涯若比鄰”將不再是夢(mèng)想，而是現(xiàn)實(shí)；從政治軍事上說(shuō)，強(qiáng)國(guó)將有能力對(duì)發(fā)生在世界任何角落的事態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)干預(yù)，迅速投送部隊(duì)到事發(fā)地點(diǎn)，或者投送彈藥打擊重要目標(biāo)?？傊?，高超音速飛行器將極大地推進(jìn)“地球村”的實(shí)現(xiàn)。

一旦X-51 A在馬赫數(shù)4.5～6.5范圍內(nèi)驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的基本設(shè)計(jì)原理、高溫材料、機(jī)身與發(fā)動(dòng)機(jī)的總裝技術(shù)，就為多種高超音速飛行的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

X-51 A的關(guān)鍵技術(shù)

x-51A投資2.46億美元，NASA出資1／4，其余由空軍出資。波音公司先進(jìn)系統(tǒng)部負(fù)責(zé)人喬治·穆勒爾內(nèi)在評(píng)價(jià)X-51 A時(shí)說(shuō)：“X-51 A是一個(gè)標(biāo)志性的型號(hào)，可以回答很多未來(lái)高超音速飛行器所必須面對(duì)的問(wèn)題。”

X-51 A的設(shè)計(jì)速度為馬赫數(shù)7，約8050千米/小時(shí)。它雖然不是美國(guó)歷史上最快的空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器，卻是技術(shù)最為復(fù)雜的一個(gè)。

X-51 A的高超音速飛行器體重680千克。其結(jié)構(gòu)用鋁制成，頭部整流罩用鎢合金制成。這些部是成熟產(chǎn)品，比X-43A更具有實(shí)用意義。

美國(guó)空軍對(duì)X-51A的研制目標(biāo)是，驗(yàn)證這類(lèi)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)能否從馬赫數(shù)4.5加速到馬赫數(shù)6，獲取其地面試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)參數(shù)，摸索其工作原理、研究開(kāi)發(fā)工具，用飛行試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證常規(guī)燃料超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的可行性，為采用該種發(fā)動(dòng)機(jī)的自由飛模型研制創(chuàng)造條件。

美國(guó)空軍表示，x-51A的技術(shù)基礎(chǔ)相當(dāng)堅(jiān)實(shí)。2001年1月的超燃沖壓機(jī)性能試驗(yàn)樣機(jī)解決了銅制熱沉結(jié)構(gòu)和變寬度流道的問(wèn)題；2003年6月的地面演示驗(yàn)證樣機(jī)解決了飛行體重量問(wèn)題，并用開(kāi)路式燃料供給系實(shí)現(xiàn)了燃料冷卻；2006年3月，x-43C的核心發(fā)動(dòng)機(jī)地面演示驗(yàn)證樣機(jī)總體設(shè)計(jì)得到驗(yàn)證，并以閉環(huán)式燃料供給系實(shí)現(xiàn)了燃料冷卻；2007年7月，x-51A的SJX61-1號(hào)工程樣機(jī)驗(yàn)證了前機(jī)身和噴管設(shè)計(jì)，并以閉環(huán)式燃料供給系實(shí)現(xiàn)了燃料冷卻；2008年10月，X-51 A的SJX61*2號(hào)工程樣機(jī)進(jìn)行了點(diǎn)火試驗(yàn)，這是一臺(tái)完全按照飛行狀態(tài)制造的樣機(jī)，配備了全套燃料管道和泵。

x-51 A持續(xù)飛行5分鐘，這聽(tīng)起來(lái)很短暫，但與x-43A相比，是個(gè)巨大進(jìn)步。X-43A在2004年11月的最后一次飛行中，只用沖壓機(jī)飛行了1 0秒

X-51 A的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，是使用J P-7燃料。而X-43要使用液氫液氧燃料。JP-7是“黑鳥(niǎo)”戰(zhàn)略偵察機(jī)使用的特殊燃料，它的主要成分是烴，混入了烷、環(huán)烷、烷基苯、二氫化茚、四氫化萘、萘，還要加入碳氟化合物來(lái)改善其潤(rùn)滑性能，加入氧化劑來(lái)提高燃燒性能。

JP-7的熱穩(wěn)定性很好，其熔點(diǎn)為-30℃，常壓下的沸點(diǎn)為282℃～288℃無(wú)論是高空的嚴(yán)寒還是熾熱的機(jī)身都不會(huì)影響它的使用。比液氫好“對(duì)付”得多。

JP-7的揮發(fā)性物質(zhì)含量很少，因此閃點(diǎn)高。洛馬公司“臭鼬工程隊(duì)”副主任本杰明·羅伯特·里克在回憶錄中說(shuō)，即使把火柴點(diǎn)燃后扔進(jìn)JP-7里，J P-7也不會(huì)燃燒，反而是火柴會(huì)被熄滅。因此，JP-7只有在噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的高溫下才會(huì)燃燒，不會(huì)被機(jī)身與空氣摩擦而產(chǎn)生的熱量點(diǎn)燃，非常適合高速飛行。有趣的是，因?yàn)镴P-7不易燃，在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)或者開(kāi)啟加力的時(shí)候，都要向燃燒室內(nèi)加入三乙基硼烷來(lái)助燃。

更為重要的是，美軍已經(jīng)為JP-7制定了軍用標(biāo)準(zhǔn)，其制造、存儲(chǔ)和使用部有明確規(guī)定。美國(guó)空軍使用JP-7的歷史已有幾十年，技術(shù)成熟、經(jīng)驗(yàn)豐富。如果高超音速飛行器以JP-7為燃料，具有很好的繼承-眭，可以節(jié)省大量經(jīng)費(fèi)。從這個(gè)角度說(shuō)，x-51A是一個(gè)為實(shí)際應(yīng)用服務(wù)的型號(hào)，而不僅僅是原理研究的科學(xué)項(xiàng)目。

什么是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

超聲速燃燒沖壓式發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)稱(chēng)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)屬于空氣噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的一種。它結(jié)構(gòu)極簡(jiǎn)單，沒(méi)有渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的多級(jí)葉輪結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單說(shuō)就是一根管子，當(dāng)然管子的形狀很復(fù)雜。因此，沖壓機(jī)重量很輕，但推力卻不小。不過(guò)沖壓機(jī)必須具有一定的初速度才能工作，在靜止?fàn)顟B(tài)下不能產(chǎn)生推力。也就是說(shuō)，它不能自力起飛。

由于上述特點(diǎn)，很少有載人飛機(jī)使用沖壓機(jī)，部分導(dǎo)彈采用了沖壓機(jī)。這些導(dǎo)彈以固體助推火箭起飛，達(dá)到一定速度后沖壓機(jī)才啟動(dòng)。早年有一些戰(zhàn)斗機(jī)裝備了沖壓機(jī)作為輔助動(dòng)力，萬(wàn)一主發(fā)動(dòng)機(jī)空中停車(chē)，可以靠沖壓機(jī)返回機(jī)場(chǎng)或迫降，如今已經(jīng)不再使用。

所謂超燃沖壓機(jī)，簡(jiǎn)單說(shuō)，就是氣流在流經(jīng)進(jìn)氣道、燃燒室、噴管其間一直保持著超聲速流動(dòng)。而渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、普通沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)吸入空氣后，要通過(guò)壓縮，將其降低到亞音速進(jìn)人燃燒室，燃?xì)庠趪姽苤兄匦录铀俚匠羲佟?/p>

但對(duì)高超音速飛行器來(lái)說(shuō)，其動(dòng)力只能從超燃沖壓機(jī)和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中選擇。渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉輪會(huì)產(chǎn)生阻力，隨著速度提高，阻力會(huì)越來(lái)越大。到一定速度下，渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力被阻力抵消，就無(wú)法繼續(xù)加速，不能實(shí)現(xiàn)高超音速飛行了。而超燃沖壓機(jī)沒(méi)有葉輪，其本身產(chǎn)生的阻力比渦輪噴氣機(jī)小得多。另外，超燃沖壓機(jī)從空氣中獲得氧氣來(lái)燃燒，不用像火箭發(fā)動(dòng)機(jī)那樣需要自行背負(fù)氧化劑。因此，超燃沖壓機(jī)是最適合大氣層內(nèi)高超音速飛行的動(dòng)力。

2006年7月28B，普惠公司在NASA的蘭利中心對(duì)使用JP-7燃料的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)2號(hào)地面工程試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。這是該型發(fā)動(dòng)機(jī)首次采用閉環(huán)燃料

供給系統(tǒng)進(jìn)行的高超聲速試驗(yàn)，取得了成功。

這臺(tái)編號(hào)為G DE-2的發(fā)動(dòng)機(jī)在蘭利中心2.5米直徑高溫風(fēng)洞內(nèi)模擬了馬赫數(shù)5速度下的飛行。

2007年6月1日，X-51 A設(shè)計(jì)方案通過(guò)評(píng)審的當(dāng)天，其發(fā)動(dòng)機(jī)演示驗(yàn)證樣機(jī)——X-1號(hào)也成功點(diǎn)火試驗(yàn)。X-1采用了全權(quán)數(shù)字發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)模擬馬赫數(shù)5的飛行，系由F-35戰(zhàn)斗機(jī)的相應(yīng)系統(tǒng)衍生而來(lái)，這比研制使用全新系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)更低。試驗(yàn)中也演示了燃料冷卻系統(tǒng)和燃料噴射控制系統(tǒng)。

關(guān)鍵的設(shè)計(jì)評(píng)審，是美國(guó)政府和業(yè)界專(zhuān)家一起審查鑒定x-51 A的設(shè)計(jì)、裝備、系統(tǒng)集成與飛行試驗(yàn)計(jì)劃是否合理。評(píng)審認(rèn)為，X-51 A的設(shè)計(jì)符合主要技術(shù)參數(shù)。這樣，X-51 A的元器件采購(gòu)、制造和裝備工藝就有了依據(jù)。

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的成功，為X-51A使用的飛行樣機(jī)研制創(chuàng)造了條件。

X-51 A的飛行試驗(yàn)方案

第一臺(tái)x-51A飛行體首先在地面上與B-52載機(jī)進(jìn)行電磁兼容試驗(yàn)，測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)遙測(cè)方式傳回空軍愛(ài)德華茲基地。

在實(shí)際飛行試驗(yàn)之前，將進(jìn)行兩次先導(dǎo)B-52飛行試驗(yàn)，一次是靜態(tài)裝載試驗(yàn)，一次是彩排試驗(yàn)。去年底進(jìn)行的就是靜態(tài)裝載試驗(yàn)，這里的“靜態(tài)”，指載機(jī)和x-51 A之間相對(duì)靜止。B-52飛行到15240米高度后，檢驗(yàn)了B-52平臺(tái)的性能，B-52對(duì)X-51 A的操縱性能，控制室的顯示性能和軟件集成性能。

這次試驗(yàn)結(jié)束后，查理布林克說(shuō)，“目前情況看，我們成功達(dá)到了所有試驗(yàn)?zāi)康?，毫無(wú)瑕疵?！?/p>

X-51A的第一次飛行試驗(yàn)計(jì)劃2010年3月底進(jìn)行。期間，B-52將在15240米高度、馬赫數(shù)0.8速度下，把X-51A連同助推器這個(gè)1.79噸的“貨物”投擲下去，包括7.62米長(zhǎng)的X-51A本體。助推器把X-51A加速到馬赫數(shù)4.6～4.8，期間高速氣流進(jìn)入超燃沖壓機(jī)，流過(guò)各個(gè)部分，摩擦加熱發(fā)動(dòng)機(jī)及燃料管道中的燃料。

固體火箭推動(dòng)X-51A飛到18288米的彈道高點(diǎn)后，X-51A自身的指導(dǎo)控制裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)將控制X-51 A滾動(dòng)180度，使進(jìn)氣道在上，然后控制x-51 A以固定攻角飛行。助推器燃盡分離后，x-51A開(kāi)始滑行，乙烯助燃劑以31兆帕的壓力噴入發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)。

JP-7在乙烯燃燒所釋放熱量的幫助下射入燃燒室，與空氣流混合燃燒。待發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到熱平衡后，就可以不再?lài)娚湟蚁?，X-51 A在JP-7的燃燒下逐步加速。

X-51 A上攜帶的燃料可供它飛行5分鐘，航程640千米，彈道最高點(diǎn)達(dá)到30480米。飛行結(jié)束后，X-51A將墜入太平洋。查理‘布林克說(shuō)，“這將是超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)第一次在完全模仿真實(shí)飛行的情況下試驗(yàn)”在解釋為什么不把X-51 A試驗(yàn)機(jī)回收再使用這個(gè)問(wèn)題時(shí)，有關(guān)負(fù)責(zé)人說(shuō)，X-51A上的空間已經(jīng)“非常有限”，無(wú)法容納降落傘或者浮囊了。

飛行試驗(yàn)期間，美國(guó)空軍將與美國(guó)聯(lián)邦航空管理局協(xié)調(diào)，保障，每次試驗(yàn)時(shí)，洛杉磯到夏威夷、澳大利亞的航線上能設(shè)置4個(gè)時(shí)間窗口供X-51A飛行。

X-51 A是導(dǎo)彈嗎

x-51 A被很多媒體描述為未來(lái)的全球打擊導(dǎo)彈，它的樣子也確實(shí)像導(dǎo)彈，它的第一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)取自美國(guó)陸軍戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。所以，似乎有充分理由給X-51 A戴上導(dǎo)彈的頭銜。

但從結(jié)構(gòu)上分析，X-51A上并沒(méi)有容納彈頭的空間。那么，它到底是不是導(dǎo)彈呢?

前文說(shuō)到，X-51 A是美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)系列計(jì)劃的一個(gè)組成部分。這個(gè)系列計(jì)劃的分4個(gè)步驟。第一步是常規(guī)沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，用來(lái)裝備高超音速巡航導(dǎo)彈，打擊短暫出現(xiàn)的目標(biāo)。X-51A是第二步，所研制的是小型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，用來(lái)裝備高超音速巡航導(dǎo)彈和小型航天發(fā)射載具。第三步要研制中型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，用來(lái)裝備大型高超音速巡航導(dǎo)彈和中小型航天發(fā)射載具。第四步要研制大型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和CCE，用來(lái)研制真正具備高強(qiáng)度作戰(zhàn)能力的快速響應(yīng)空天飛機(jī)。

因此，X-51A本身不是高超音速導(dǎo)彈，而是其部分關(guān)鍵技術(shù)的試驗(yàn)平臺(tái)。X-51A能否成功，將是高超音速導(dǎo)彈的決定性因素。而高超音速導(dǎo)彈的制導(dǎo)、導(dǎo)航、控制、彈頭等方面技術(shù)，并不包含在X-51A項(xiàng)目之中。目前，美國(guó)空軍和波音公司正考慮在x-51 A的后兩次飛行試驗(yàn)中引入一些具有戰(zhàn)術(shù)意義的項(xiàng)目；并考慮研制X-51 B，就是在X-51 A上增加G PS制導(dǎo)裝置。這樣X(jué)-51 B就更接近于真正的導(dǎo)彈了，獨(dú)缺彈頭。

新的戰(zhàn)爭(zhēng)?

從上面的分析可以看出，X-51 A距離實(shí)用化導(dǎo)彈還比較遙遠(yuǎn)。即便其發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)和飛行控制技術(shù)成熟，如何實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)也是個(gè)大問(wèn)題。飛行器在高超音速下的機(jī)動(dòng)能力非常惡劣；而且由于飛行時(shí)間短，實(shí)施彈道修正的時(shí)間窗口也非常狹窄。要實(shí)現(xiàn)末段精確制導(dǎo)和精確命中，問(wèn)題還很多。

要實(shí)現(xiàn)高超音速載人飛行，問(wèn)題就更多了。拋開(kāi)各種安全因素，高超音速飛行器如何安全載人降落，就是個(gè)大問(wèn)題。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在低速下無(wú)法正常工作，那么，總不能讓飛機(jī)在降落航線上無(wú)動(dòng)力滑翔吧?這是非常危險(xiǎn)而不可接受的。如果攜帶普通噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)作為起降動(dòng)力，那么對(duì)飛行器的氣動(dòng)外形、重量配置、燃料供給都提出了非常復(fù)雜的要求。美國(guó)空軍原打算設(shè)計(jì)一種混合循環(huán)型發(fā)動(dòng)機(jī)，它能從地面跑道上起飛，達(dá)到馬赫數(shù)3～4之后轉(zhuǎn)人超燃沖壓機(jī)發(fā)動(dòng)推進(jìn)，但該項(xiàng)目尚未得到國(guó)會(huì)批準(zhǔn)。

所以，高超音速飛行距離實(shí)際使用還有相當(dāng)長(zhǎng)的距離。美國(guó)空軍和相關(guān)研制方這次如此高調(diào)宣傳X-51A，主要是吸引眼球，為高超音速研制爭(zhēng)取資金。美國(guó)的高超音速項(xiàng)目一直處在經(jīng)費(fèi)不足的境地，波音的高超音速團(tuán)隊(duì)在2007年有70名成員，如今只有42人了。而普惠公司的超燃沖壓機(jī)團(tuán)隊(duì)一度有60人，如今僅剩下9人。更加致命的是，盡管自2003年以來(lái)，美國(guó)政府已經(jīng)向X-51計(jì)劃投入了2.5億美元，但美國(guó)空軍目前的研究計(jì)劃僅限于制造這4臺(tái)樣機(jī)。波音公司雖然已經(jīng)就此向空軍提出后續(xù)工程的建議，但前景并不樂(lè)觀。美國(guó)空軍X-51A項(xiàng)目經(jīng)理查理-布林克在第45屆AIAA會(huì)議上說(shuō)：“我們希望用更多的飛行成功來(lái)顯示，高超音速推進(jìn)不是碰運(yùn)氣。但X-51A沒(méi)有后續(xù)計(jì)劃了?！?/p>

X-51A在很大程度上是用來(lái)接替X一43C計(jì)劃的。X-43C是X-43A的后繼型號(hào)。但2004年美國(guó)總統(tǒng)布什宣布重返月球計(jì)劃后，X-43C因經(jīng)費(fèi)不足被放棄了。

X-51 A是美國(guó)空軍“黑速”高超音速飛行器的技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，“黑速”就是一種可以從跑道上起飛和降落、最大速度馬赫數(shù)6的準(zhǔn)實(shí)用型飛行器?！昂谒佟痹?jì)劃201 2年首飛。不過(guò)這個(gè)項(xiàng)目在2009年被取消了。

因此X-51A之后的美國(guó)高超音速技術(shù)前景并不樂(lè)觀。如果再不能引起公眾和國(guó)會(huì)的重視，高超音速研究可能會(huì)逐漸被美國(guó)人淡忘。為爭(zhēng)取經(jīng)費(fèi)而飛行，這才是X-51A真正要打的硬仗。