辛元元

2009年12月9日，美國愛德華茲空軍基地，一架美國空軍的B-52轟炸機左翼下吊掛著一枚奇怪的東西起飛了。這個奇怪的東西分為兩級，第一級是一個圓柱形；第二級是一個楔形體，下面掛了一個長方形斜開口的進氣道。這個奇怪的東西就是美國正在研制的X-51A型高超音速飛行器。

對于這次飛行，x-51A研制團隊異常激動?？哲娧芯繉嶒炇业膞-51A項目經(jīng)理查理·布林克表示：“這是最偉大的一天?！?。國內(nèi)媒體對這次飛行也給予了高度評價，媒體在報道這件事時，用了“美軍目標(biāo)是1小時內(nèi)打擊全球”這樣的字眼。不過，X-51A這次并沒有靠自己的動力和控制系統(tǒng)飛行。從始至終掛在B-52機翼下。從嚴格意義上說，這是一次為了試飛而進行的準(zhǔn)備工作。那么，輿論為何如此亢奮?

什么是高超音速飛行?

人類在1 947年實現(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x-15試驗機飛出了馬赫數(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，超音速飛行的絕對速度數(shù)值是不同的。通常人們把達到音速5倍以上的速度稱為高超音速，即馬赫數(shù)大于5。

如果高超音速飛行器投入實用化，將逐步改變?nèi)祟惖纳罘绞?。從?jīng)濟上說，洲際客運的時間將大大縮短，“天涯若比鄰”將不再是夢想，而是現(xiàn)實；從政治軍事上說，強國將有能力對發(fā)生在世界任何角落的事態(tài)進行實時干預(yù)，迅速投送部隊到事發(fā)地點，或者投送彈藥打擊重要目標(biāo)?？傊叱羲亠w行器將極大地推進“地球村”的實現(xiàn)。

一旦X-51 A在馬赫數(shù)4.5～6.5范圍內(nèi)驗證了超燃沖壓發(fā)動機的基本設(shè)計原理、高溫材料、機身與發(fā)動機的總裝技術(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。波音公司先進系統(tǒng)部負責(zé)人喬治·穆勒爾內(nèi)在評價X-51 A時說：“X-51 A是一個標(biāo)志性的型號，可以回答很多未來高超音速飛行器所必須面對的問題?！?/p>

X-51 A的設(shè)計速度為馬赫數(shù)7，約8050千米/小時。它雖然不是美國歷史上最快的空氣噴氣式發(fā)動機飛行器，卻是技術(shù)最為復(fù)雜的一個。

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更具有實用意義。

美國空軍對X-51A的研制目標(biāo)是，驗證這類超燃沖壓發(fā)動機能否從馬赫數(shù)4.5加速到馬赫數(shù)6，獲取其地面試驗和飛行試驗參數(shù)，摸索其工作原理、研究開發(fā)工具，用飛行試驗來驗證常規(guī)燃料超燃沖壓發(fā)動機的可行性，為采用該種發(fā)動機的自由飛模型研制創(chuàng)造條件。

美國空軍表示，x-51A的技術(shù)基礎(chǔ)相當(dāng)堅實。2001年1月的超燃沖壓機性能試驗樣機解決了銅制熱沉結(jié)構(gòu)和變寬度流道的問題；2003年6月的地面演示驗證樣機解決了飛行體重量問題，并用開路式燃料供給系實現(xiàn)了燃料冷卻；2006年3月，x-43C的核心發(fā)動機地面演示驗證樣機總體設(shè)計得到驗證，并以閉環(huán)式燃料供給系實現(xiàn)了燃料冷卻；2007年7月，x-51A的SJX61-1號工程樣機驗證了前機身和噴管設(shè)計，并以閉環(huán)式燃料供給系實現(xiàn)了燃料冷卻；2008年10月，X-51 A的SJX61*2號工程樣機進行了點火試驗，這是一臺完全按照飛行狀態(tài)制造的樣機，配備了全套燃料管道和泵。

x-51 A持續(xù)飛行5分鐘，這聽起來很短暫，但與x-43A相比，是個巨大進步。X-43A在2004年11月的最后一次飛行中，只用沖壓機飛行了1 0秒

X-51 A的一個重要優(yōu)點，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”戰(zhàn)略偵察機使用的特殊燃料，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改善其潤滑性能，加入氧化劑來提高燃燒性能。

JP-7的熱穩(wěn)定性很好，其熔點為-30℃，常壓下的沸點為282℃～288℃無論是高空的嚴寒還是熾熱的機身都不會影響它的使用。比液氫好“對付”得多。

JP-7的揮發(fā)性物質(zhì)含量很少，因此閃點高。洛馬公司“臭鼬工程隊”副主任本杰明·羅伯特·里克在回憶錄中說，即使把火柴點燃后扔進JP-7里，J P-7也不會燃燒，反而是火柴會被熄滅。因此，JP-7只有在噴氣發(fā)動機燃燒室的高溫下才會燃燒，不會被機身與空氣摩擦而產(chǎn)生的熱量點燃，非常適合高速飛行。有趣的是，因為JP-7不易燃，在啟動發(fā)動機或者開啟加力的時候，都要向燃燒室內(nèi)加入三乙基硼烷來助燃。

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、存儲和使用部有明確規(guī)定。美國空軍使用JP-7的歷史已有幾十年，技術(shù)成熟、經(jīng)驗豐富。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。從這個角度說，x-51A是一個為實際應(yīng)用服務(wù)的型號，而不僅僅是原理研究的科學(xué)項目。

什么是超燃沖壓發(fā)動機

超聲速燃燒沖壓式發(fā)動機簡稱超燃沖壓發(fā)動機。

沖壓發(fā)動機屬于空氣噴氣式發(fā)動機的一種。它結(jié)構(gòu)極簡單，沒有渦輪噴氣發(fā)動機的多級葉輪結(jié)構(gòu)，簡單說就是一根管子，當(dāng)然管子的形狀很復(fù)雜。因此，沖壓機重量很輕，但推力卻不小。不過沖壓機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，它不能自力起飛。

由于上述特點，很少有載人飛機使用沖壓機，部分導(dǎo)彈采用了沖壓機。這些導(dǎo)彈以固體助推火箭起飛，達到一定速度后沖壓機才啟動。早年有一些戰(zhàn)斗機裝備了沖壓機作為輔助動力，萬一主發(fā)動機空中停車，可以靠沖壓機返回機場或迫降，如今已經(jīng)不再使用。

所謂超燃沖壓機，簡單說，就是氣流在流經(jīng)進氣道、燃燒室、噴管其間一直保持著超聲速流動。而渦輪噴氣發(fā)動機、普通沖壓發(fā)動機吸入空氣后，要通過壓縮，將其降低到亞音速進人燃燒室，燃氣在噴管中重新加速到超音速。

但對高超音速飛行器來說，其動力只能從超燃沖壓機和火箭發(fā)動機中選擇。渦輪噴氣發(fā)動機的葉輪會產(chǎn)生阻力，隨著速度提高，阻力會越來越大。到一定速度下，渦輪噴氣發(fā)動機產(chǎn)生的推力被阻力抵消，就無法繼續(xù)加速，不能實現(xiàn)高超音速飛行了。而超燃沖壓機沒有葉輪，其本身產(chǎn)生的阻力比渦輪噴氣機小得多。另外，超燃沖壓機從空氣中獲得氧氣來燃燒，不用像火箭發(fā)動機那樣需要自行背負氧化劑。因此，超燃沖壓機是最適合大氣層內(nèi)高超音速飛行的動力。

2006年7月28B，普惠公司在NASA的蘭利中心對使用JP-7燃料的超燃沖壓發(fā)動機2號地面工程試驗樣機進行了試驗。這是該型發(fā)動機首次采用閉環(huán)燃料

供給系統(tǒng)進行的高超聲速試驗，取得了成功。

這臺編號為G DE-2的發(fā)動機在蘭利中心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)計方案通過評審的當(dāng)天，其發(fā)動機演示驗證樣機——X-1號也成功點火試驗。X-1采用了全權(quán)數(shù)字發(fā)動機控制系統(tǒng)來模擬馬赫數(shù)5的飛行，系由F-35戰(zhàn)斗機的相應(yīng)系統(tǒng)衍生而來，這比研制使用全新系統(tǒng)的風(fēng)險更低。試驗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)計評審，是美國政府和業(yè)界專家一起審查鑒定x-51 A的設(shè)計、裝備、系統(tǒng)集成與飛行試驗計劃是否合理。評審認為，X-51 A的設(shè)計符合主要技術(shù)參數(shù)。這樣，X-51 A的元器件采購、制造和裝備工藝就有了依據(jù)。

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

X-51 A的飛行試驗方案

第一臺x-51A飛行體首先在地面上與B-52載機進行電磁兼容試驗，測得的數(shù)據(jù)通過遙測方式傳回空軍愛德華茲基地。

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

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

X-51A的第一次飛行試驗計劃2010年3月底進行。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1.79噸的“貨物”投擲下去，包括7.62米長的X-51A本體。助推器把X-51A加速到馬赫數(shù)4.6～4.8，期間高速氣流進入超燃沖壓機，流過各個部分，摩擦加熱發(fā)動機及燃料管道中的燃料。

固體火箭推動X-51A飛到18288米的彈道高點后，X-51A自身的指導(dǎo)控制裝置和發(fā)動機數(shù)字控制系統(tǒng)將控制X-51 A滾動180度，使進氣道在上，然后控制x-51 A以固定攻角飛行。助推器燃盡分離后，x-51A開始滑行，乙烯助燃劑以31兆帕的壓力噴入發(fā)動機內(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)動機達到熱平衡后，就可以不再噴射乙烯，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，彈道最高點達到30480米。飛行結(jié)束后，X-51A將墜入太平洋。查理‘布林克說，“這將是超燃沖壓發(fā)動機第一次在完全模仿真實飛行的情況下試驗”在解釋為什么不把X-51 A試驗機回收再使用這個問題時，有關(guān)負責(zé)人說，X-51A上的空間已經(jīng)“非常有限”，無法容納降落傘或者浮囊了。

飛行試驗期間，美國空軍將與美國聯(lián)邦航空管理局協(xié)調(diào)，保障，每次試驗時，洛杉磯到夏威夷、澳大利亞的航線上能設(shè)置4個時間窗口供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的全球打擊導(dǎo)彈，它的樣子也確實像導(dǎo)彈，它的第一級發(fā)動機取自美國陸軍戰(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上并沒有容納彈頭的空間。那么，它到底是不是導(dǎo)彈呢?

前文說到，X-51 A是美國空軍研究實驗室的超燃沖壓發(fā)動機系列計劃的一個組成部分。這個系列計劃的分4個步驟。第一步是常規(guī)沖壓發(fā)動機，用來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)動機，用來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)動機，用來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)動機和CCE，用來研制真正具備高強度作戰(zhàn)能力的快速響應(yīng)空天飛機。

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)的試驗平臺。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項目之中。目前，美國空軍和波音公司正考慮在x-51 A的后兩次飛行試驗中引入一些具有戰(zhàn)術(shù)意義的項目；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-51 B就更接近于真正的導(dǎo)彈了，獨缺彈頭。

新的戰(zhàn)爭?

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

要實現(xiàn)高超音速載人飛行，問題就更多了。拋開各種安全因素，高超音速飛行器如何安全載人降落，就是個大問題。超燃沖壓發(fā)動機在低速下無法正常工作，那么，總不能讓飛機在降落航線上無動力滑翔吧?這是非常危險而不可接受的。如果攜帶普通噴氣發(fā)動機作為起降動力，那么對飛行器的氣動外形、重量配置、燃料供給都提出了非常復(fù)雜的要求。美國空軍原打算設(shè)計一種混合循環(huán)型發(fā)動機，它能從地面跑道上起飛，達到馬赫數(shù)3～4之后轉(zhuǎn)人超燃沖壓機發(fā)動推進，但該項目尚未得到國會批準(zhǔn)。

所以，高超音速飛行距離實際使用還有相當(dāng)長的距離。美國空軍和相關(guān)研制方這次如此高調(diào)宣傳X-51A，主要是吸引眼球，為高超音速研制爭取資金。美國的高超音速項目一直處在經(jīng)費不足的境地，波音的高超音速團隊在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團隊一度有60人，如今僅剩下9人。更加致命的是，盡管自2003年以來，美國政府已經(jīng)向X-51計劃投入了2.5億美元，但美國空軍目前的研究計劃僅限于制造這4臺樣機。波音公司雖然已經(jīng)就此向空軍提出后續(xù)工程的建議，但前景并不樂觀。美國空軍X-51A項目經(jīng)理查理-布林克在第45屆AIAA會議上說：“我們希望用更多的飛行成功來顯示，高超音速推進不是碰運氣。但X-51A沒有后續(xù)計劃了?！?/p>

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

X-51 A是美國空軍“黑速”高超音速飛行器的技術(shù)驗證機，“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)實用型飛行器?！昂谒佟痹媱?01 2年首飛。不過這個項目在2009年被取消了。

因此X-51A之后的美國高超音速技術(shù)前景并不樂觀。如果再不能引起公眾和國會的重視，高超音速研究可能會逐漸被美國人淡忘。為爭取經(jīng)費而飛行，這才是X-51A真正要打的硬仗。