Ｘ－５１Ａ驗證機蓄勢待發(fā)

亞　丁

作為美國空軍、NASA和DARPA聯(lián)合提出的一項計劃，X－51A驗證機采用了普惠-羅克達因公司研制的一臺超燃沖壓發(fā)動機，旨在驗證吸氣式高超聲速推進技術的可行性。美國空軍對于這項計劃寄予厚望，在各項關鍵技術先后取得重大突破后，熱切期待驗證試驗達到預期目標，從而為第一種高超聲速巡航導彈的順利問世鋪平道路。6月25日，波音公司已經(jīng)將第一架X－51A驗證機運抵愛德華茲空軍基地，隨后馬不停蹄地開始了各項地面測試，首次試飛正在蓄勢待發(fā)。

設計目標著眼應用

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(xù)。NASP計劃的目標是研制和驗證一種超燃沖壓發(fā)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(guī)跑道上起飛，達到至少M25的進入空間速度，在低地球軌道飛行，重新進入大氣層，最后在跑道上著陸。NASP計劃是誘人的，但是因為過于雄心勃勃而在技術上力不從心，最后在1992年被取消。此后，NASA在2004年成功地實現(xiàn)了X-43A驗證機的試飛，驗證了超燃沖壓發(fā)動機可以產(chǎn)生足夠的推力來加速飛行器。其后，NASA把各項航空研究計劃的投資轉移到空間領域，于是，X-43計劃的后續(xù)發(fā)展被迫終止。

X－51驗證機的問世則是作戰(zhàn)需求的直接牽引，經(jīng)歷了一個長達10年的研究與試驗階段。早在20世紀90年代末，DARPA就在“先進快速反應導彈驗證機”(ARRMD)計劃中開始初步從事有關乘波機的軍事應用研究。作為這項工作的延續(xù)，美國空軍研究實驗室(AFRL)在2003年初制訂出一項“吸熱式碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機飛行驗證機”(EFSEFD)計劃，后來改稱為“超燃沖壓發(fā)動機驗證機一乘波機”(SED－WR)。2004年1月，AFRL選擇了波音公司(負責機體)和普惠公司(負責發(fā)動機)的聯(lián)合研制隊伍，要求制造一架SED—WR飛行試驗平臺。2005年9月27日，美國空軍正式批準將SED－WR試驗平臺命名為X-51A驗證機。

幾易其名后，X-51A計劃承擔起一個主要任務：通過飛行試驗來驗證超燃沖壓發(fā)動機的技術是否成熟及其可行性。AFRL負責X－51A計劃經(jīng)理查爾斯·布瑞克表示，這項計劃的近期目標是應用于一種高速、遠程作戰(zhàn)響應的攻擊武器，但是最終目標是用于作戰(zhàn)響應的空間平臺。由此看出，如果試飛達到預期性能目標，那么X-51驗證機所具有的氣動外形和推進系統(tǒng)將會成為高超聲速巡航導彈的設計構型。因此，X-51A計劃朝著最終發(fā)展高超聲速導彈以及空間運載火箭邁出了實質性的第一步。

隨著超燃沖壓發(fā)動機技術的日益成熟，X-51A驗證機開始逐漸步入人們的視野。據(jù)美國媒體報道，在位于五角大樓E區(qū)一間寬敞的辦公室內(nèi)，美國空軍首席科學家馬克·劉易斯的咖啡桌上放著一個X－51A模型。在回答有關高超聲速巡航導彈的發(fā)展前景時，劉易斯表示對于這個研制項目充滿了十足的信心，并強調X－51驗證機不只是實驗研究，其設計直接著眼于應用。

據(jù)美國空軍初步估計，以X-51A驗證機的最大飛行重量1050千克為參考，未來發(fā)展的巡航導彈可以攜帶110千克載荷，射程達到1100千米以上，在摧毀目標時依靠高超聲速所產(chǎn)生的動能，獲得殺傷效果。這種新型巡航導彈與AGM－158“聯(lián)合防區(qū)外空對地導彈”具有相近的尺寸，可以利用B－52和其它噴氣式戰(zhàn)斗機發(fā)射。同時，它使用JP－7噴氣燃料，而不是火箭燃料，因此能較好地適合于現(xiàn)有的后勤保障體系。

乘波構型反復優(yōu)化

X-51驗證機在總體布局上采用了楔形頭部、升力體機身、腹部進氣道和控制面，因此看起來介于航天飛機和未來風格的巡航導彈之間。據(jù)介紹，X-51驗證機的長度為4.26米，采用標準的鎳合金制造，空重約635千克。它的頭部采用了鎢材料，外部覆蓋了二氧化硅隔熱層，以承受高溫載荷。在高超聲速飛行時，由于面臨著壓力、阻力和高溫等因素的影響，X-51A驗證機不得不充分考慮飛行控制的要求，為此，它在機身后部采用了4個控制面，下方的2個控制面主要起到俯仰控制作用，上方的2個控制面主要起方向控制作用。

X-51A驗證機采用了將高超聲速飛行中極度惡劣的某些不利因素轉化為有利因素的方法。例如，飛行器在大氣中以高超聲速的速度穿過空氣時，將相繼產(chǎn)生一系列激波，會帶來極大的波阻。為此，X-51驗證機采用了一種乘波構型，采用專門設計的尖銳頭部，可以按精確設計角度來分布和組織所需的激波系，使激波系產(chǎn)生的所有壓力直接作用在機體下方，從而提供升力。

與此同時，X-51A驗證機通過乘波構型，將高超聲速下氣流產(chǎn)生的激波聚集在腹部的矩形進氣口，起到壓縮空氣的作用。利用一個隔離段將高壓氣流調節(jié)到適合于燃燒室工作需要的穩(wěn)定壓力，盡管將氣流減速會增加飛行器的阻力，但是可以實現(xiàn)更加完全的燃燒。隨后，壓縮空氣和霧化的JP-7噴氣燃料混合，在點火燃燒后，產(chǎn)生推力。因為高超聲速的飛行速度持續(xù)產(chǎn)生的溫度高達4500度，燃料還作為冷卻劑，以避免發(fā)動機壁面被熔化。

在外形優(yōu)化過程中，X-51A驗證機充分利用了珀杜大學宇航學院斯蒂芬·斯尼德爾教授通過靜音風洞試驗所取得的一些研究成果。首先是維持空氣以紊流狀態(tài)進入發(fā)動機燃燒室，保持超燃沖壓發(fā)動機正常工作。X-51A驗證機在腹部采用了一個戽斗形的整流罩，空氣以沖壓方式進入超燃沖壓發(fā)動機的進氣道。在高超聲速下，空氣以紊流狀態(tài)進入到進氣道內(nèi)非常關鍵，否則將出現(xiàn)進氣道“不起動”現(xiàn)象。

為此，研究人員在進氣道附近設計了一個具有金屬凸起的擾流器區(qū)域，可以將空氣從層流轉變?yōu)槲闪?。通過大量的風洞試驗，他們更好地理解了這種“粗糙引發(fā)轉捩”的機理，同時更加精確地測定這些擾流器的位置，并確定出它們在機體表面凸起的高度。結果表明，這些擾流器應該加高到最初設計值的兩倍。

其次是增加X-51A驗證機上表面的層流范圍，以減小摩擦，避免增加阻力和由此產(chǎn)生的熱量，防止可能導致的飛行器燒蝕或解體。研究人員將溫度敏感漆涂在一條尼龍帶上，然后嵌入到X-51A模型中，測量試驗過程中模型表面溫度的變化。隨著溫度的升高，尼龍帶上發(fā)出藍光的油漆相應地變化出紅光，紅光的強度顯示出表面的溫度高低。研究人員們讓風洞在靜音狀態(tài)和高噪音狀態(tài)之間來回轉換，從而能夠有效地比較兩種模態(tài)下的數(shù)據(jù)特性。

核心技術日益成熟

自從2000年以來，普惠·羅克達因公司的高超聲速計劃隊伍利用X-43計劃研制出世界上第一臺實用型碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的地面驗證發(fā)動機(GDE－1)，首先解決了碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機的結

構冷卻問題。2003年，GDE－1發(fā)動機首次試車。它采用了一種開環(huán)燃油系統(tǒng)，其中，一股燃油用于冷卻發(fā)動機結構，而另一股燃油在被加熱后噴入超燃沖壓發(fā)動機燃燒室中。

在此基礎上，美國空軍在2004年1月將一項價值1.4億美元的合同授予了普惠公司領導的一支研制隊伍，繼續(xù)發(fā)展GDE-2發(fā)動機，用于SED-WR平臺的試飛。作為美國空軍在NASA試驗的第一臺超燃沖壓發(fā)動機，GDE-2發(fā)動機首次采用了閉環(huán)燃油系統(tǒng)，通過燃油來冷卻結構。這樣，發(fā)動機就可以采用鉻鎳鐵合金來制造，而無需采用更加特殊的高溫材料。

作為X-51驗證機的動力裝置，SJX61－1發(fā)動機(簡稱X－1)的首臺樣機在2006年10月開始地面試驗，驗證了可以在M4.5～6.5范圍內(nèi)的加速和穩(wěn)定工作。通過X-1發(fā)動機，普惠·羅克達因公司已經(jīng)證實了這種推進技術已經(jīng)不再局限于技術研究的范疇內(nèi)，完全可以投入實際應用，同時基于x一1型的下一代實用發(fā)動機已經(jīng)在制造之中。

隨著研制工作的順利進展，普惠·羅克達因公司研制出SJX61-2(簡稱X-2)發(fā)動機，解決了總體結構和控制系統(tǒng)暴露出的一些問題，降低了X-51A驗證機發(fā)射試驗的風險。X-2發(fā)動機是一種實用化的超燃沖壓發(fā)動機，采用了一個全權限數(shù)字式發(fā)動機控制系統(tǒng)和一個閉環(huán)熱管理系統(tǒng)，地面試驗中利用了X-51A驗證機的乙烯瓶和燃油泵。

作為超燃沖壓發(fā)動機投入實用前的一個關鍵，X-2發(fā)動機所采用的閉環(huán)燃油系統(tǒng)，可以有效地實現(xiàn)熱交換平衡。當飛行器加速飛行時，必須一直保持熱交換平衡。燃油控制系統(tǒng)必須保持足夠的燃油在整個結構中流動，以保持其冷卻，同時，燃油也獲得了足夠的熱量，可以比較容易地燃燒，而不會出現(xiàn)再次循環(huán)或者因多余而放出。因此，燃油流動過程必須在不同的馬赫數(shù)下不斷調整，才能確保足夠的冷卻、獲得足夠的熱量，從而產(chǎn)生最大推力。

在X-51A驗證機內(nèi)，燃油從X-2發(fā)動機壁面內(nèi)的細微通道中流過。當燃油從前向后流過整個發(fā)動機結構時，其熱量與熱交換器平板內(nèi)的一種催化涂層相結合，在分解JP-7燃料后，燃油被向前輸送到熱燃氣分配閥，將汽化的燃油噴射進入燃燒室。

從技術角度值得關注的是，燃油噴射位置的調節(jié)是超燃沖壓發(fā)動機實用化的另一個關鍵方面。研制人員摸索出不同工作狀態(tài)下的燃油噴射位置，確保了燃燒過程保持熱平衡。起動點火時，X-2發(fā)動機先在燃燒室內(nèi)噴射乙烯，隨著乙烯的燃燒和放熱，再將燃油噴入發(fā)動機，與乙烯混合后，同時進行燃燒，在數(shù)秒鐘內(nèi)實現(xiàn)熱平衡。

在超聲速流動中，空氣和燃料必須在幾毫秒內(nèi)混合并燃燒。從穩(wěn)定工作角度來看，燃料燃燒的位置應該盡可能地靠近進氣道的進口，而且不會導致激波前移。因此，首先讓燃油向發(fā)動機后方噴射，然后，當飛行器逐漸加速和動壓逐步增加時(這時，發(fā)動機很難接近進氣道“不起動”的狀態(tài))，再向前方噴射。在較低馬赫數(shù)下，燃油在燃燒室內(nèi)相對靠后的位置釋放熱量；在較高馬赫數(shù)下，發(fā)動機則較為靠前地噴射燃油，以便在飛行器加速時可以有效地提高性能。

試飛工作緊鑼密鼓

從地面試驗過程來看，X-51A計劃進展比較順利。2008年11月，普惠·羅克達因公司把為X-51A驗證機研制生產(chǎn)的4臺超燃沖壓發(fā)動機全部交付給波音公司。目前，波音公司已經(jīng)將編號SJY61－4發(fā)動機安裝到X-51A驗證機內(nèi)，再安裝上級間段和經(jīng)過改裝的陸軍戰(zhàn)術導彈系統(tǒng)的助推器，裝配成為一個完整的試驗系統(tǒng)，全長為7.65米。這個率先完成的試驗系統(tǒng)又稱為靜態(tài)試驗飛行器(STV)，將接受全面的地面振動與結構試驗，然后再翻新為第4架驗證機。

今年2月，飛行試驗準備工作已經(jīng)在德萊頓飛行研究中心正式啟動。6月25日，該中心在接收到第一架X-51A驗證機后，接著從7月6日起開始了與B-52飛機實施各項地面兼容試驗。按照預定計劃，第一次系留飛行試驗于8月在愛德華茲試驗場進行，主要測試各條通信與遙測線路。模擬演練預計將于9月在太平洋上空進行，到時將采用數(shù)架P-3飛機來記錄和中繼遙測數(shù)據(jù)。

早在去年1月28日，美國空軍第412試驗聯(lián)隊下屬的高超聲速飛行試驗隊伍就與波音公司展開合作，開始在本尼菲爾德(Benefield)微波試驗設施內(nèi)進行長達一個月的天線測試工作，以確保X-51A驗證機的各種天線及其通信系統(tǒng)都能夠正常工作。X-51A驗證機采用了飛行終止系統(tǒng)天線和遙感天線，用于傳輸飛行性能和發(fā)動機等各種參數(shù)。飛行試驗過程中，瑞德利(Ridley)任務控制中心和美國海軍航空站穆古角的各個地面站將與X-51A驗證機保持通信聯(lián)系，每個地面站都具備強大的無線電功率和帶寬。

按照試飛進度，從2009年10月底至2010年2月底，在這4個多月的時間里，美國空軍預計將陸續(xù)實施4次飛行試驗，目標只有一個：點火、加速到設計馬赫數(shù)。第3次和第4次飛行將采用NASA蘭利研究中心研制的專門軟件，用于測量X-51A驗證機在飛行過程中的各種氣動參數(shù)。對于試飛結果，波音公司態(tài)度謹慎，因為從統(tǒng)計學角度考慮，這些試飛總會出現(xiàn)意想不到的問題，在4次飛行試驗中，如果能取得2次成功就已經(jīng)令人滿意了。

與X-43A驗證機的試飛類似，B-52飛機將在機翼下方掛載一個完整的X－51A試驗系統(tǒng)，飛行到大約15000米高空后投放。首先，助推器持續(xù)燃燒30秒鐘，將整個系統(tǒng)加速到M4.6～4.8。在助推過程中，空氣將進入X－51A驗證機的超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)，通過級間段流出，以便起動進氣道，開始逐漸加熱發(fā)動機及其燃油。

在助推器分離后，X-51A驗證機將借助慣性繼續(xù)滑行數(shù)秒鐘，然后在發(fā)動機內(nèi)部依次點燃乙烯和燃油，達到熱平衡后，僅利用JP-7燃料的燃燒實現(xiàn)不斷加速。整個動力飛行過程大約300秒，預期飛行速度將達到M6.5。隨著全部燃料消耗殆盡，X-51A驗證機將開始減速，接著是500秒的無動力飛行，逐漸下滑，最后墜落太平洋。

如果試飛順利，X-51A驗證機將持續(xù)飛行5分鐘，并打破此前超燃沖壓發(fā)動機持續(xù)點火燃燒創(chuàng)下的所有紀錄。值得一提的是，5分鐘續(xù)航時間只是局限于目前油箱的容量，如果設計一種更大的燃料箱，改進型飛行器可以非常容易地延長飛行時間。

后續(xù)計劃提上日程

目前，波音公司正在為X-51A驗證機研制一種回收系統(tǒng)，以便可以重復使用驗證平臺，相應降低研制成本，支持后續(xù)試飛工作。為此，X-51A驗證機的內(nèi)部將采用一些小型化部件，并適當減少一些儀器設備，留出相應的空間來安裝回收系統(tǒng)。與此同時，波音公司已經(jīng)著手考慮X-51B～X-51H等一系列后續(xù)發(fā)展型號。

最初，波音公司只是利用國會追加的少量投資，全面細致地研究了X-51B驗證機準備采用的熱喉道沖壓(TTRJ)發(fā)動機，此后，這項研究獲得了AFRL的投資，命名為“持久沖壓發(fā)動機”(Robust Scramjet)計劃。

作為X-51A計劃的后續(xù)項目，X-51B驗證機盡管同樣采用碳氫燃料和燃油冷卻，但所采用的推進技術卻有所不同，結構設計更加簡單。它將借助于火箭助推加速到高超聲速，然后利用TTRJ發(fā)動機，持續(xù)保持M5.0的巡航速度。TTRJ的名字來源于這種發(fā)動機采用了一個熱喉道，而不是機械喉道，燃燒室前部是亞聲速，增加的熱量推動氣流在喉道達到M1.0，在燃燒室后部達到超聲速。設計用于X-51B驗證機的ATRJ-514發(fā)動機是ATK公司制造的第四代TTRJ，也是首臺達到飛行重量要求的TTRJ發(fā)動機。

與超燃沖壓發(fā)動機相比，ATRJ-51-4發(fā)動機采用了一種結構簡單的亞聲速燃燒室，不僅避免了超燃沖壓發(fā)動機較為復雜的燃油控制系統(tǒng)，而且無需對燃油進行熱平衡，就能實現(xiàn)高超聲速飛行。這種發(fā)動機不需要乙烯來加熱燃燒室，而是采用硅烷來作為點火源，就可以直接點燃發(fā)動機的JP10燃料，燃燒過程完全等同于液態(tài)或者氣態(tài)燃料。

與X-51A驗證機相比，X-51B驗證機的飛行速度可能會慢一些，速度范圍覆蓋M4～5.5，但是飛行高度將會更高，續(xù)航時間會更長。盡管X-51A驗證機的超燃沖壓發(fā)動機預計能持續(xù)工作5分鐘，但X-51B驗證機將會達到8～10分鐘。同時，JP-10燃料的密度比JP-7燃料更高，可以進一步增加射程。此外，由于這種發(fā)動機結構尺寸緊湊，因此可以騰出一定空間安裝一個回收系統(tǒng)，實現(xiàn)X-51B驗證機的有效回收。

目前，ATK公司已經(jīng)完成了ATRJ-51－4發(fā)動機的地面試驗，正在準備將其匹配上X-51B方案所采用的進氣道和尾噴管，在2009年底進行綜合發(fā)動機試驗。預計，這種發(fā)動機在2010年實施飛行試驗。

從X-51A計劃可以看出，美國通過高超聲速領域的多年研究，已經(jīng)突破了各項關鍵技術的瓶頸，目前正在致力于高超聲速技術的實用化。如果X-51A驗證機的發(fā)射試驗達到預期目標，這項計劃將直接推動高超聲速武器的型號研制，還將成為發(fā)展吸氣式空間飛行器和全球打擊／偵察系統(tǒng)的關鍵一步。美國空軍希望一種具備M6.0巡航速度的遠距空對地導彈能夠在2015～2020年問問世，從而實現(xiàn)醞釀多年的“全球敏捷打擊”計劃。

責任編輯：思空