[极速狂飙] 极速狂飙8极速凌云

　　5月26日上午,美国空军第419飞行中队的一架B-52H轰炸机从爱德华空军基地起飞,携带着X-51A验证机,执行首次飞行试验任务。大约10时10分,X-51A验证机从载机的左侧机翼下脱离,经过助推和分离阶段后,顺利实现了超燃冲压发动机的点火和加速,总共持续飞行了200秒,使飞行速度达到了马赫数5。此次试飞实现了以超燃冲压发动机为动力的飞行器迄今为止最长的飞行时间,成为超燃冲压发动机研制与发展历程中的一个重要里程碑。
　　作为美国空军研究实验室(AFRL)、航空航天局(NASA)和国防部预研局(DARPA)联合提出的一项计划,X-51A验证机由波音公司研制,采用了普惠・罗克达因公司(PWR)的一台SJY61超燃冲压发动机,旨在验证吸气式高超音速推进技术的可行性,将为全球侦察/攻击、进入空间和商业运输等高超音速领域的应用奠定了基础。引人注目的是,奥巴马政府借助于本国在高超音速领域所取得的进展,正在酝酿发展一系列高超音速打击的武器,力图在军事领域建立起绝对优势,早日实现酝酿多年“全球敏捷打击”计划。
　　
　　全球敏捷打击计划
　　
　　20世纪90年代末,美国国防部开始着手研究未来远程攻击武器平台的各种候选方案,旨在探索具有潜在能力的一些新技术,以便尽早地研制出可以在数十分钟内攻击全球任何一个目标的高速打击武器。随着各项作战需求的不断明确和关键技术的日益成熟,五角大楼已经出台了一项“全球敏捷打击”(Prompt Global Strike)计划,陆续提出了一些设计方案,逐渐引起了世界各国的极大关注。
　　“全球敏捷打击”计划的目标是具备在1小时内实现打击全球目标的能力。美国国防部认为,现有武器已经可以实施精确的远距离打击,但目前任务对于“时间敏感性”提出了更高的要求。美国军方确信,在未来的数年内必须具备超高速度攻击能力,特别是针对一些稍纵即逝的目标采取行动时,必须在一个小时、甚至几分钟内做出反应。这些目标包括恐怖组织的头目、走私核武器或生化武器的船只等。
　　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11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。
　　其实,美国军方目前已经具有能在数分钟内摧毁任何目标的武器,这就是战略核导弹,其所形成的威慑力是当初为了牵制冷战对手苏联。但是,当冷战结束后,美国的战略家开始怀疑这种核威慑是否有效,毕竟核打击存在太多的束缚。为此,美国国防部在决策时可能必须采取一个中间路线,而不是越过界限而使用核武器。
　　本世纪初,美国国防部的规划者们开始寻求一种途径,不仅可以对敌对目标实施迅速打击,还希望避免大规模核战争风险,但无人驾驶轰炸机、更快速度的巡航导弹和高超音速“翱翔飞行器”等解决方案却需要超过十年甚至更多的研制时间。然而,美国海军从1993年就开始试验在“三叉戟”弹道导弹上改装常规弹头,这在技术上似乎是一个比较简便可行的途径,有可能成为一种首选武器。美国国防部认为,只需要几亿美元的研制经费,美国海军的第一艘具备“全球敏捷打击”能力的核潜艇就可以在两年内投入使用。
　　根据“全球敏捷打击”计划,美国国防部在2006年3月向国会提出了一个5亿美元的“常规型‘三叉戟II’弹道导弹”(CTM)研制项目,计划将12艘“俄亥俄”级核潜艇上搭载的一部分“三叉戟II”弹道导弹的核弹头改装为常规弹头,希望能在2008年开始部署。
　　为此,美国军方正在研制两种新型常规弹头,用来快速打击恐怖分子据点、敌方导弹基地、可疑的大规模杀伤武器库或应对其他紧急威胁。其中,一种是易碎式弹头,可以在目标上空释放出许多根钨棒或高速钢矛,覆盖很大的地面区域,从而实现面杀伤;另一种是实心动能穿透弹头,其穿透能力远远高于美军目前拥有的任何硬目标侵彻弹药。
　　
　　战略构想备受指责
　　
　　凭借着“三叉戟II”弹道导弹的射程,核潜艇可以攻击到全球任意位置的高价值敌方目标。这样,美国海军就有能力在同一时间内,掌控全部热点地区内所有稍瞬即逝的目标。一旦接到命令,核潜艇将会迅速发射一枚CTM。在两分钟以内,该导弹将以超过6096米/秒的速度飞出海面、冲出大气层,飞越数千千米。在抛物线弹道的最高点,“三叉戟II”导弹的4个弹头自动分离,各自开始尖啸着向地球表面的目标下落。装有20根预制破片钨棒的弹头以高超音速坠落,在目标的正上方引爆,释放成千上万的“弹雨”。由于钨的强度是钢的两倍,每一颗钨弹的破坏力相当于一颗高射机枪子弹的12倍,在这种旋涡形成的近280平方米内,任何目标都将被“金属风暴”彻底摧毁。
　　如果五角大楼的战略计划得以实施,那么地球上没有任何地方可以躲过这场毁灭性的打击。对此,大多数人似乎认为,改进“三叉戟II”弹道导弹在技术上能够满足“全球敏捷打击”计划的需要,可以让美军对目标发动常规与精确打击,并会减少相应造成的附带损伤。但是,美国国会的批评者和其他一些分析家却大肆抨击这项导弹计划,而五角大楼也无法解释如何部署这种武器和预计目标等问题,甚至被认为是仅仅为了使用这些武器而提出的这个计划。
　　首先,存在情报方面的问题。美国总统如果决定在历史上第一个使用洲际弹道导弹进行攻击时,需要有绝对充足的证据,但是,即便在最好的情况下,美国仍然缺乏获取确切情报的能力。2003年3月19日,美国为了清除萨达姆和其他伊拉克的军政要员,向巴格达外的三个目标发射了40多枚巡航导弹,但结果证明,伊拉克的领导人没有在任何一个目标地点,这些攻击至少造成了数十人的伤亡。
　　其次,即便是在友方部队控制的地区,打击任务都可能失败。目前,“全球敏捷打击”计划的核心是一个非常模糊的想定:美国的部队远离他们预期打击的目标,或者敌方的防空力量太强大而无法突破。哈佛大学的核能和武器分析家杰弗里・刘易斯表示,美国国防部可以从密切关注的地区内获得精确、快捷的情报,但是又没有军队在附近地区,非常不可思议的是,此时正好有一艘潜艇在攻击位置上,这种机会可能有,但微乎其微。
　　最棘手的问题是,在预期解决一场国际危机时,如何才能发射一枚CTM而不会引发一场更加严重的危机。对于外界观察者而言,这些潜艇上装有常规弹头和核弹头的弹道导弹都具有相同状态,即同样的尺寸、同样的速度以及同样的发射位置,二者难于区分。因此,“全球敏捷打击”计划是否能够在不引发第三次世界大战的前提下采用,就成为人们所关心的问题。
　　通常,美国的战略是发射弹道导弹飞越北极上空。但是在目前,大多数“全球敏捷打击”计划的目标,如朝鲜、伊朗均位于俄罗斯或中国的附近,而俄罗斯和中国都将在极地弹道的下方。美国国会在研究报告中认为,在其飞行过程的数分钟内,这些弹道导弹有可能显示成为飞向这些国家境内的目标,这极有可能产生改变整个世界的灾难性后果。一旦俄罗斯等拥有核武器的国家将美国海军发射的CTM误判为核导弹,这将极大地增加爆发核战争的机会。
　　针对美国国会的质疑,五角大楼初步提出了一些具体的预防措施,以消除对手存在的疑虑。如,美国海军在发射CTM前,事先通知有关国家,表明这是用于执行反恐怖作战或者其他常规任务;在新型导弹弹头的发射试验期间,邀请有关国家的专家前来观摩;考虑在一些非敏感海域发射,从而不可能打击到俄罗斯本土。据悉,新型弹道导弹的测试将在海洋上进行,以便进一步加大CTM的透明度。
　　
　　预研项目紧锣密鼓
　　
　　从技术角度看,“全球敏捷打击”计划中的CTM可以满足进度要求,预示着白宫将可以发起的一场按钮战争,但不可避免地承担了巨大的风险,这是目前美国国防部发展这种远程攻击方案的一个政治障碍。为此,美国国防部正在通过其他途径寻求更好的解决方案,希望在避免引发世界范围的核大战风险的情况下,发起迅雷不及掩耳的攻击。
　　2006年7月,美国空军航天司令部初步着手一种“常规打击导弹”(CSM)设计方案。这种远程打击导弹为地基系统,优势在于可以明显减少其他国家将其误判为洲际弹道导弹的概率。它将以美国周边濒海地区为基地,与北方内陆的“民兵III”洲际弹道核导弹基地存在明显地域隔离。
　　与CTM相比,CSM可携带更重的载荷,攻击更多种类的目标,因此在性能上更胜一筹。根据设想,它可以将一个高超音速滑翔器(HGV)置于CSM前端,容纳更多的爆破型弹头,甚至可装载掩体摧毁弹头。美国空军称,CSM的射程能达到17000千米,以直线飞行,在52分钟内就可以到达目标处,从而实现全球敏捷打击。如果研制顺利,CSM在2015年前后即可全面部署。同样,CSM计划在技术、安全和政策方面也存在一系列问题,必须在部署前得以解决。
　　在CTM和CSM计划进展缓慢的情况下,美国国防部逐渐将目光转向高超音速巡航导弹,正在加紧实施一些较为可行的替代方案,力求更加稳妥地发展“全球敏捷打击”能力。高超音速巡航导弹实施全球打击时,无需冒险飞过核国家、也不会混淆一个核目标,减少了人为因素所造成的潜在附带后果,从而不用担心在发动打击时引发第三次世界大战。
　　早在20世纪90年代初,美国国防部就着手发展多个预研项目,力图尽快发展出新型超音速导弹,以弥补“战斧”巡航导弹的速度缺陷。然而,由于技术门槛相对较高和研制成本日益增加,美国海军在一年多后就被迫终止了这个项目,随后转向寻求一些具有发展潜力和相对成熟的技术方案。2001年,美国国防部与NASA为了保持本国的航空航天领先地位,联合提出了一项“国家航空航天倡议”(NAI)计划,希望进一步推动美国在航空航天前沿技术方面取得进展。该计划主要集中于研究吸气式高超音速飞行等3个重点领域。这项计划的出台,无疑为大力发展具有军事潜力的高速/高超音速技术提供了可靠的经费支持,美国军方终于获得前所未有的发展机遇,纷纷以独立或者合作的方式投入到高超音速武器平台的研制工作中。
　　为了在短时间内研制出适合于多平台发射的远程超音速战术导弹,美国海军先后提出了两项研究计划。2002年,海军研究办公室(ONR)与国防高级研究计划局(DARPA)共同制定出“高超音速飞行”(HyFly)验证计划,由波音公司负责验证采用双燃烧室的冲压发动机技术。接着在2003年5月,海军研究办公室得到美国空军和NASA的大力支持,提出了基于先进涡轮发动机技术的“时敏目标远程打击创新方法”(RATTLRS)项目,为打造以M4.0巡航速度持续飞行15分钟以上的新型超音速导弹铺平道路。
　　与美国海军的计划相比,美国空军的研制计划则更为激进,正在通过X-51计划来验证和发展高超音速巡航导弹所需关键技术,目标直接指向了武器型号的发展。时隔不久,DARPA和美国空军立足于近20年来在空天飞机研究取得的成果,在2003年初着手启动一项新的研究计划。几个月后,一项称之为“从美国本土发射和实施武力”(FALCON)计划在6月17日正式出台,简称为“猎鹰”计划。
　　然而近几年来,这些预研项目在发展过程中并非一帆风顺,HyFly验证机试验数次铩羽而归、X-51A验证机研制进度多次延期、RATTLRS项目犹抱琵琶半遮面、“猎鹰”计划一直进展缓慢。但是,随着高超音速领域的尖端技术开始从实验室走向应用研究,未来高超音速武器正在呼之欲出,其中,X-51A验证机的研制与发展最为引人关注,特别是所采用的一些关键技术更是引发了人们的浓厚兴趣。
　　
　　设计目标着眼应用
　　
　　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,重新进入大气层,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。
　　X-51A验证机的问世则是作战需求的直接牵引,经历了一个长达10年的研究与试验阶段。早在20世纪90年代末,DARPA就在“先进快速反应导弹验证机”(ARRMD)计划中开始初步从事有关乘波机的军事应用研究。作为这项工作的延续,AFRL在2003年初制订出一项“吸热式碳氢燃料超燃冲压发动机飞行验证机”(EFSEFD)计划,后来改称为“超燃冲压发动机验证机-乘波机”(SED-WR)。2004年1月,AFRL选择了波音公司(负责机体)和PWR公司(负责发动机)的联合研制队伍,要求制造一架SED-WR飞行试验平台。2005年9月27日,美国空军正式批准将SED-WR试验平台命名为X-51A验证机。
　　几易其名后,X-51A计划承担起一个重要任务,即通过飞行试验来验证超燃冲压发动机的技术是否成熟及其可行性。AFRL负责X-51A计划经理查尔斯・布林克表示,这项计划的近期目标是应用于一种高速、远程作战响应的攻击武器,但是最终目标是用于作战响应的空间平台。由此看出,如果试飞达到预期性能目标,那么X-51验证机所具有的气动外形和推进系统将会成为高超音速巡航导弹的设计构型。因此,X-51A计划朝着最终发展高超音速导弹以及空间运载火箭迈出了实质性的第一步。
　　随着超燃冲压发动机技术的日益成熟,X-51A验证机开始逐渐步入人们的视野。美国媒体在2007年初这样报道;在位于五角大楼E区一间宽敞的办公室内,美国空军首席科学家马克・刘易斯的咖啡桌上放着一个X-51A全尺寸模型。在回答有关高超音速巡航导弹的发展前景时,刘易斯表示对于这个研制项目充满了十足的信心,并强调X-51A验证机不只是试验研究,其设计直接着眼于应用。
　　作为一名自称为热衷于高超音速技术的人士,刘易斯将X-51A验证机称为“发展高超音速导弹技术的关键”,并将迄今为止所取得的成功视为这种技术目前“近在咫尺”的证明。他认为,针对高超音速武器发展的技术将直接地适用于今后空间应用的各个方面,研制一种推动高超音速导弹的发动机,为可重复使用的两级入轨系统奠定了第一级的大部分技术基础,从而可以利用一种吸气式循环动力系统飞入太空。
　　高超音速飞行以马赫数5为起点。近期,美国空军已经将目光放在了具有洲际射程的高超音速导弹方面,X-51A验证机有可能是一个前兆。目前,军方对于这样一种武器没有直接需求,但是基于未来的作战需求一直密切关注X-51计划。刘易斯解释说,以马赫数7飞行的高超音速精确打击武器将带给美国空军“非凡能力”,可以在几分钟内打击全球目标。为此,AFRL正在与美国空军的空战司令部共同讨论,需要采取何种步骤将其应用到武器装备发展中。
　　据美国空军初步估计,以X-51A验证机的最大飞行重量1050千克为参考,未来发展的巡航导弹可以携带110千克载荷,射程达到1100千米以上,在摧毁目标时依靠高超音速所产生的动能,获得杀伤效果。这种新型巡航导弹与AGM-158“联合防区外空对地导弹”具有相近的尺寸,可以利用B-52轰炸机和其他喷气式战斗机发射。同时,它使用JP-7喷气燃料,而不是火箭燃料,因此能较好地适合于现有的后勤保障体系。
　　由此可见,随着高超音速领域的尖端技术开始从实验室走向应用研究,未来高超音速武器正在呼之欲出,因此,X-51A验证机的研制与发展已经引起了关注,特别是所采用的关键技术更是引发了外界的浓厚兴趣。
　　
　　乘波构型反复优化
　　
　　X-51A验证机在总体布局上采用了楔形头部、升力体机身、腹部进气道和控制面,因此看起来介于航天飞机和未来风格的巡航导弹之间。据介绍,X-51验证机的长度为4.26米,采用标准的镍合金制造,空重约635千克。它的头部采用了钨材料,外部覆盖了二氧化硅隔热层,以承受高温载荷。在高超音速飞行时,由于面临着压力、阻力和高温等因素的影响,X-51A验证机不得不充分考虑飞行控制的要求,为此,它在机身后部采用了4个控制面,下方的2个控制面主要起到俯仰控制作用,上方的的2个控制面主要起到方向控制的作用。
　　X-51A验证机采用了将高超音速飞行中极度恶劣的某些不利因素转化为有利因素的方法。例如,飞行器在大气中以高超音速的速度穿过空气时,将相继地产生一系列的激波,会带来极大的波阻。为此,X-51A验证机采用了一种乘波构型,采用专门设计的尖锐头部,可以按精确设计角度来分布和组织所需的激波系,使激波系产生的所有压力直接作用在机体下方,从而提供升力。
　　因此,X-51A验证机又称为“乘波机”。这是因为它产生并看似飞行在激波顶上,压缩周围的空气,将空气引入到矩形发动机进气道中。波音公司负责X-51计划的经理约瑟夫・沃格尔说,飞行器设计成为“捕获激波,将其用于空气压缩”,X-51A验证机可以看做“围绕发动机而制造的机体”。他断言,目前已经不存在无法解决的技术挑战,X-51A验证机将会出色地飞行。
　　与此同时,X-51A验证机采通过乘波构型,将高超音速下气流产生的激波聚集在腹部的矩形进气口,起到压缩空气的作用。利用一个隔离段将高压气流调节到适合于燃烧室工作需要的稳定压力,尽管将气流减速会增加飞行器的阻力,但是可以实现更加完全的燃烧。随后,压缩空气和雾化的JP-7喷气燃料混合,在点火燃烧后,产生推力。因为高超音速的飞行速度持续产生的温度高达4500度,燃料还作为冷却剂,以避免发动机壁面被熔化。
　　X-51A验证机在设计优化过程中,充分利用了美国珀杜大学宇航学院在安静风洞试验中取得的研究成果。作为目前世界上唯一可以在高超音速下安静运行的风洞,珀杜风洞可以模拟气流速度达到M6.0的飞行环境,尽管每次工作只有8秒钟,但利用先进的计算机和传感器,可以搜集到高超音速气流在飞行器表面从层流转捩为湍流的大量关键数据。
　　珀杜大学的研究主要集中于X-51A验证机的前部,通过采用逐步逼近方式,在两个重要研究领域实施了广泛的风洞试验,为X-51A验证机的优化设计提供了依据。
　　第一个领域关注于维持空气以湍流状态进入发动机燃烧室,保持超燃冲压发动机正常工作。X-51A验证机的总体构型为楔形,在腹部采用了一个戽斗形的整流罩,空气以冲压方式进入超燃冲压发动机的进气道。在高超音速下,空气以湍流状态进入到进气道内非常关键,否则将出现进气道“不起动”现象。为此,研究人员在进气道附近设计了一个具有金属凸起的扰流器区域,可以将空气从层流转变为湍流。
　　通过大量的风洞试验,工程师们更好地理解了这种“粗糙引发转捩”的机理,同时更加精确地测定这些扰流器的位置,并确定出它们在机体表面凸起的高度。与噪音条件下的试验相比,安静条件下的试验获得了更加精确的数据,结果表明,这些扰流器应该加高到最初设计值的两倍。
　　第二个领域集中在增加X-51A验证机上表面的层流数量,以减小摩擦,避免增加阻力和由此产生的热量,防止可能导致的飞行器烧蚀或解体。研究人员将温度敏感漆涂在一条尼龙带上,然后嵌入到X-51A模型中,测量试验过程中模型表面温度的变化。随着温度的升高,尼龙带上发出蓝光的油漆相应地产生出红光,红光的强度显示出表面的温度高低。
　　研究人员们让风洞在安静状态和高噪音状态之间来回转换,从而能够有效地比较两种模态下的数据特性。为了测量湍流状态和气流速度,研究人员采用了直径仅为头发十分之一的加热金属丝。气流速度越高,金属丝的冷却就越明显,此时,保持金属丝温度所需的电流也就越高。
　　
　　核心技术日益成熟
　　
　　自从2000年以来,PWR公司的高超音速计划队伍利用X-43计划研制出世界上第一台实用型碳氢燃料超燃冲压发动机的地面验证发动机(GDE-1),首先解决了碳氢燃料超燃冲压发动机的结构冷却问题。2003年,GDE-1发动机首次试车。它采用了一种开环燃油系统,其中,一股燃油用于冷却发动机结构,而另一股燃油在被加热后喷入超燃冲压发动机燃烧室中。
　　在此基础上,美国空军在2004年1月将一项价值1.4亿美元的合同授予了PWR公司领导的一支研制队伍,继续发展GDE-2发动机,用于SED-WR平台的试飞。作为美国空军在NASA试验的第一台超燃冲压发动机,GDE-2发动机首次采用了闭环燃油系统,通过燃油来冷却结构。这样,发动机就可以采用铬镍铁合金625来制造,而无需采用更加特殊的高温材料。
　　作为X-51验证机的动力装置,SJX61-1发动机(简称X-1)的首台样机在2006年10月开始地面试验,验证了可以在M4.5～6.5范围内的加速和稳定工作。通过X-1发动机,PWR公司已经证实了这种推进技术已经不再局限于技术研究的范畴内,完全可以投入实际应用,同时基于X-1型的下一代实用发动机已经在制造之中。
　　随着研制工作的顺利进展,PWR公司研制出SJX61-2(简称X-2)发动机,解决了总体结构和控制系统的暴露出的一些问题,降低了X-51A验证机发射试验的风险。X-2发动机是一种实用化的超燃冲压发动机,采用了一个全权限数字式发动机控制系统和一个闭环热管理系统,地面试验中利用了X-51A验证机的乙烯瓶和燃油泵。
　　作为超燃冲压发动机投入实用前的一个关键,X-2发动机所采用的闭环燃油系统,可以有效地实现热交换平衡。当飞行器加速飞行时,必须一直保持热交换平衡。燃油控制系统必须保持足够的燃油在整个结构中流动,以保持其冷却,同时,燃油也获得了足够的热量,可以比较容易地燃烧,而不会出现再次循环或者因多余而放出。因此,燃油流动过程必须在不同的马赫数下不断调整,才能确保足够的冷却、获得足够的热量,从而产生最大推力。
　　在X-51A验证机内,燃油从X-2发动机壁面内的细微通道中流过。当燃油从前向后流过整个发动机结构时,其热量与热交换器平板内的一种催化涂层相结合,在分解JP-7燃料后,燃油被向前输送到热燃气分配阀,将汽化的燃油喷射进入燃烧室。
　　从技术角度值得关注的是,燃油喷射位置的调节是超燃冲压发动机实用化的另一个关键方面。研制人员摸索出不同工作状态下的燃油喷射位置,确保了燃烧过程保持热平衡。起动点火时,X-2发动机先在燃烧室内喷射乙烯,随着乙烯的燃烧和放热,再将燃油喷入发动机,与乙烯混合后,同时进行燃烧,在数秒钟内实现热平衡。
　　在超音速流动中,空气和燃料必须在几毫秒内混合并燃烧。从稳定工作角度来看,燃料燃烧的位置应该尽可能地靠近进气道的进口,而且不会导致激波前移。因此,首先让燃油向发动机后方喷射,然后,当飞行器逐渐加速和动压逐步增加时(这时,发动机很难接近进气道“不起动”的状态),再向前方喷射。在较低马赫数下,燃油在燃烧室内相对靠后的位置释放热量;在较高马赫数下,发动机则较为靠前地喷射燃油,以便在飞行器加速时可以有效地提高性能。
　　
　　地面试验超出预期
　　
　　X-2发动机是PWR公司研制的一系列双模式超燃冲压发动机中的最新型号,解决了总体结构和控制系统的暴露出的一些问题,降低了X-51A验证机实施发射试验的风险。
　　在早期的超燃冲压发动机试验中,研制人员注意到了燃烧室内的声学环境所引起的振荡,并在后来的X-1发动机试验中得到进一步证实。分析表明,原因是各部件安装在了发动机上,发动机直接安装到X-51A验证机上。为此,PWR公司X-2发动机的内部进行了改进设计,专门在内部设计了隔离装置。从结构设计角度来看,各种声学振动级别是真实存在的,而且无法在设计上彻底消除这些振动。PWR公司已经了解和掌握了这种振动机理,通过采取一些措施大大减轻了振动现象,并且通过一些模型预测出相连系统的振动。
　　X-2发动机是一种实用化的超燃冲压发动机,采用了一个全权限数字式发动机控制系统和一个闭环热管理系统,地面试验中利用了X-51A验证机的乙烯瓶和燃油泵。X-2发动机的地面试验主要降低了4个方面的风险:绘制起动边界、显示边界裕度、测试燃油泵和乙烯燃料箱。这些试验都顺利地测试通过,对于即将实施的首次飞行来说非常理想。
　　2008年11月,PWR公司在高温风洞内完成了X-2发动机的各项地面试验。它先后在M4.6速度下完成了8次运行、在M5速度下完成了11次运行,累计时间达到11.4分钟,这大约是预期时间的两倍。
　　这些试验全面验证了超燃冲压发动机起动边界,表明了在各种非设计条件下可以控制的起动边界。X-2发动机先后在高动压、低动压、不同迎角、冷乙烯和热乙烯等非设计状态稳定工作,在整个包线内均实现了非常可靠的点火。尽管马赫数和动压并不完全相当于实际飞行条件,但是确保了X-51A验证机与助推器分离后,X-2发动机将能够顺利起动。
　　X-2发动机在地面试验中还发现了控制系统的软件存在一些意想不到的情况。比如,在动压和发动机空气流量超出设计状态时,控制系统将油气比控制在略高于软件允许值,结果导致发动机在试验中停车。这种非设计状态在未来的飞行试验中极有可能遇到,提前发现问题,有助于降低试飞的风险。目前,X-2发动机的工作状态和性能指标均达到了预期,与最初设计基本吻合。
　　X-51A验证机的进气系统由飞行器前体和内部进气道组成,用于捕获和压缩空气,满足发动机工作的需要。在实际工作过程中,SJY61超燃冲压发动机将首先被配置成冲压发动机构型,用于加速到马赫数4,然后改变几何结构,以满足超燃冲压工作状态的要求。空气在X-51A验证机的下表面受到压缩,以较高压力进入进气道,为飞行器在马赫数4速度下成功点火创造条件。
　　位于进气道后的隔离段是一个关键部件,主要作用是将超音速气流的静压调整为高于进气道的静压,避免进气道处在“不起动”状态。超音速气流进入燃烧室后,在从前至后的几个位置上,与喷入的汽化燃料相混合,提供高效的油气混合气,从而使发动机推力达到最佳。
　　
　　突破关键技术
　　
　　自从2000年以来,PWR公司的高超音速计划队伍利用多台地面验证发动机,先后解决了X-51计划所面临的几个技术难题,已经完全掌握了超燃冲压发动机实用化的关键技术,可以将SJY61超燃冲压发动机的各项技术转化为工程应用,只需将其按比例放大,就可以用于高超音速巡航导弹的设计中。因此,其中一些关键技术值得关注。
　　首先,解决了碳氢燃料超燃冲压发动机的结构冷却问题。根据AFRL的HySET计划,GDE-1发动机在2003年首次试车。随后,GDE-2发动机是美国空军在NASA试验的首台超燃冲压发动机,首次采用了闭环燃油系统,通过燃油来冷却结构。这样,发动机就可以采用铬镍铁合金625来制造,而无需采用更加特殊的高温材料。
　　其次,利用闭环燃油系统有效地实现热交换平衡,成为超燃冲压发动机投入实用前的一个关键。在X-51A验证机内,JP-7燃油由燃油泵注入发动机前部,从X-2超燃冲压发动机的壁面内的细微通道中流过。当燃油从前向后流过整个发动机结构时,可以有效冷却壁面,确保发动机结构的不会因高温而熔化。
　　当飞行器加速飞行时,必须一直保持热交换平衡。燃油控制系统必须保持足够的燃油在整个结构中流动,以保证其冷却,同时,燃油也获得了足够的热量,可以比较容易地燃烧,而不应出现再次循环或者因多余而放出。因此,燃油流动过程必须在不同的马赫数下进行不断调整,才能确保足够的冷却、获得足够的热量,从而产生最大推力。
　　PWR公司还成功掌握了燃料裂解和汽化的技术,从而使SJY61发动机成为一种革命性的实用化高超音速动力装置。发动机冷却通道的内表面都涂覆了一种催化剂材料,当JP-7燃料吸收结构中的热量时,温度和压力增加,然后与催化剂产生反应,产生了“裂解”现象。这个过程实质上就是将JP-7燃料分解成类似于氢、乙烯和甲烷的更小的碳氢成分,从而提高燃烧性能。
　　裂解的燃料在发动机后部收集后,通过燃油泵向前流动。燃料在发动机前部得以汽化,喷入燃烧室,并在0.001秒内点燃。接着,燃气在后面的喷管内急剧膨胀,产生大约4.45千牛推力。从数值上看,这个推力似乎并不大,但是在18000～30000米高空,空气阻力明显降低,当X-51A验证机的初始飞行速度已经达到马赫数4时,由此产生的推力足以持续地将飞行器加速到马赫数6以上。
　　第四,摸索出不同工作状态下的燃油喷射位置,确保了燃烧过程保持热平衡。起动点火时,超燃冲压发动机内先喷射乙烯,随着乙烯燃烧和放热,燃油再喷入发动机,与乙烯混合后,同时进行燃烧,在数秒钟内实现热平衡。在超音速流动中,空气和燃料必须在几毫秒内混合并燃烧。在发动机前部喷射燃料可以获得更多时间。
　　
　　飞行试验蓄势待发
　　
　　早在2008年1月28日,美国空军第412试验联队下属的高超音速飞行试验队伍与波音公司合作,已经开始在本尼菲尔德微波试验设施内进行长达一个月的天线测试工作,以确保X-51A验证机的各种天线及其通信系统都能够正常工作。X-51A验证机采用了飞行终止系统天线和遥感天线,用于传输飞行性能和发动机等各种参数数据。飞行试验过程中,里德利任务控制中心和美国海军航空站穆古角的各个地面站将与X-51A验证机保持通信联系,每个地面站都具备强大的无线电功率设备和带宽。
　　从地面试验过程来看,X-51计划进展比较顺利。2008年11月,PWR公司把为X-51A验证机研制生产的4台超燃冲压发动机全部交付给波音公司。随后,波音公司已经将编号SJY61-4发动机安装到X-51A验证机内,再安装上级间段和经过改装的陆军战术导弹系统的助推器,装配成为一个完整的试验系统,全长为7.65米。这个率先完成的试验系统又称为静态试验飞行器(STV),将接受全面的地面振动与结构模式试验,然后再翻新为第4架验证机。
　　2009年,X-51A验证机研制工作进展顺利,5月12日通过了关键技术评审。当年2月,飞行试验准备工作已经在爱德华兹空军基地开始。6月25日,波音公司将首架X-51A验证机运抵爱德华空军基地的710厂房,首次对外公开了验证机的外形。美国空军试飞中心在接收到第一架X-51A验证机后,接着从7月6日起开始了与B-52H轰炸机实施各项地面兼容试验。然而,由于多种原因,X-51A验证机的首次飞行试验一再推迟。按照预定计划,第一次系留飞行试验将于8月在爱德华兹试验场进行,但是,由于载机改装和其他试飞项目的影响,推迟了4个月。
　　直到12月9日,美国空军飞行试验中心的B-52H载机才首次携带X-51A验证机进行了近85分钟的系留试飞,主要测试各条通信与遥测线路。驾驶员检查了B-52H载机的性能,对X-51A验证机有关软件的兼容性、与载机之间的电磁兼容性进行了全面测试。结果表明,X-51A验证机可以利用改进的JDAM接口进行通讯。据介绍,此次系留试验成功地捕获了所有测试点,未出现任何异常。
　　2010年1月的模拟演练中,B-52H载机飞离爱德华兹空军基地,飞往位于穆古角的美国海军海上空战中心的海上试验场,通过数架P-3飞机来记录和中继遥测数据。此次试验中,各种机载和地面测试设备对X-51A验证机的所有系统进行了监测,发现伴随飞机和遥测数据中继等方面需要更好地协调。
　　美国空军预计将陆续实施4次飞行试验,都围绕一个目标:点火、加速到设计马赫数。第3次和第4次飞行将采用NASA兰利研究中心研制的专门软件,用于测量X-51A验证机在飞行过程中的各种气动参数。对于试飞结果,波音公司持有谨慎的态度,因为从统计学角度考虑,这些试飞总会出现意想不到的问题,如果4次飞行试验中能取得2次成功就已经令人满意。
　　
　　首飞试飞创造历史
　　
　　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-51A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,目前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。
　　
　　后续计划提上日程
　　
　　按照原计划,波音公司将实施4次飞行试验,并考虑为X-51A验证机研制一种回收系统,以便重复使用验证平台,支持后续试飞工作。为此,X-51A验证机的内部将采用一些小型化部件,并适当减少一些仪器设备,留出相应的空间来安装回收系统。但是,波音公司在首次试飞取得成功后,考虑放弃改装回收系统的方案,准备在其余3架验证机上提前测试一些项目,提出了修改飞控软件、验证航路制导技术的建议。
　　这些建议对于研制和发展一种高超音速巡航导弹来说,这将迈出重要一步。其中,X-51A+验证机的主要目的是测试超燃冲压发动机改变方向并坠入目标海域的能力。为此,波音公司准备着手改装SJY61超燃冲压发动机,优化设计X-51A验证机的总体构型,以便能够携带精确导航设备,实现更加复杂的飞行模式。
　　与此同时,波音公司已经着手考虑X-51B～X-51H等一系列后续发展型号。由于美国空军并未向X-51B方案投资,波音公司只能利用国会追加的少量投资,全面细致地研究了X-51B验证机可能采用的另一种动力装置。
　　波音公司在获得了AFRL的投资后,正式启动了“持久冲压发动机”(Robust Scramjet)计划,旨在为X-51B验证机研制一种热喉道冲压(TTRJ)发动机。作为X-51计划的后续项目,X-51B验证机也采用碳氢燃料冷却,但所采用的推进技术却有所不同,结构设计更加简单。它将借助于火箭助推加速到高超音速,然后利用TTRJ发动机,持续保持马赫数5巡航速度。
　　目前,ATK公司在现有金属材料和常规制造工艺的基础上,研制出使用常规的JP-10碳氢燃料的ALRJ-M5发动机。如果试验顺利,X-51B验证机有可能采用圆形进气道和圆形燃烧室。此外,由于这种发动机结构尺寸更小,因此可以腾出一定空间安装一个回收系统,实现X-51B验证机的有效回收。
　　与超燃冲压发动机相比,ATK公司研制的ATRJ-51-4发动机采用了一种结构简单的亚音速燃烧室,不仅避免了超燃冲压发动机较为复杂的燃油控制系统,而且无需对燃油进行热平衡,就能实现高超音速飞行。这种发动机不需要乙烯来加热燃烧室,而是采用硅烷来作为点火源,就可以直接点燃发动机的JP-10燃料,燃烧过程完全等同于液态或者气态燃料。
　　与X-51A验证机相比,X-51B验证机的飞行速度可能会慢一些,速度范围覆盖马赫数4～5.5,但是飞行高度将会更高,续航时间会更长。尽管X-51A验证机的超燃冲压发动机在设计上能持续工作5分钟,但X-51B验证机将会达到8～10分钟。同时,JP-10燃料的密度比JP-7燃料更高,可以进一步增加飞行距离。
　　在这些项目基础上上,波音公司还在论证一项快速反应导弹研制计划,称之为“快速识别和打击禁入区内目标”(RIPTIDE)计划。该计划将将进一步优化X-51A验证机的机身,使成为更典型的作战结构配置,同时开始与一些有效载荷子系统结合,初步考虑射程为1600千米。目前,RIPTIDE计划的确切时间尚未确定,但有可能在X-51A+项目之后数年内启动。
　　
　　军事应用未雨绸缪
　　
　　长期以来,美国一直在超燃冲压发动机领域开展持续不断的研究工作。自从里根总统在20世纪80年代批准实施X-30空天飞机计划以来,美国历任总统都大力支持高超音速领域的研究与发展。2001年,美国国防部和NASA提出了一项“国家航空航天倡议”(NAI),旨在通过一些验证计划,尽快将航空航天领域的前沿技术转化为工程型号发展项目。2004年,NAI正式成为了美国在未来军用系统和航天飞行器领域发展的重要指导,促使了X-51、HyFly和RATTLRS等计划陆续浮出水面,大力推动了高超音速技术的发展。
　　时至今日,随着各项关键技术的日益成熟,奥巴马总统正在考虑批准研制一种以超燃冲压发动机为动力的高超音速巡航导弹,以增加战略打击的选择。近年来,美国一直在寻求全新的战略威慑手段,准备以常规武器取代核武器,在1小时内对全球目标实施打击。因此,X-51A验证机的首次发射试验成功,将直接推动高超音速武器的型号研制,还将成为发展吸气式空间飞行器和全球打击/侦察系统的关键一步。
　　军事应用首当其冲。目前,美国国防部最希望在2015年研制出一种能够实现“全球敏捷打击”的高超音速巡航导弹。同时,五角大楼正在寻求将导弹和飞行器的能力综合,通过按比例放大超燃冲压发动机,将其作为一种高速攻击/侦察机的动力装置。这样,美国将拥有新型常规快速打击武器,能够快捷地用于攻击优先目标,可以在不完全依赖弹道导弹的情况下,形成威慑。
　　着眼未来,AFRL希望高超音速技术可以更加广泛地用于空间运输的各个方面。超燃冲压发动机的应用将满足美国空军对于一种反应快速的空间到达(RSA)军用发射器的主要需求,这种飞行器将实现“从航空到航天”能力的无缝衔接。根据NAI所描绘的高超音速路线图,这种飞行器将具备进入太空、返回地球、再次重返太空的能力,预计在2025年,这种吸气式超燃冲压发动机的技术将会步入成熟阶段,到时将会在美国空间发射能力方面掀起一场革命,特别是对于像飞机一样快速起飞的美国空军小型军用空天飞机来说至关重要。
　　针对未来的用途,AFRL提出了一个设计概念,描绘了一种可重复使用的高超音速运输系统。它的尺寸类似于“协和”飞机,配备了4台吸气式超燃冲压发动机。在这个概念中,该机在背部携带的是一种无人太空飞机,类似于目前正在太空轨道承担试验的X-37B飞行器。
　　无独有偶,NASA格伦研究中心在广泛研究的基础上,提出了一种以超燃冲压发动机为动力的可重复使用的无人驾驶空天飞机概念,称之为“开拓者”,飞行重量5900千克,可以携带136千克有效载荷进入太空。
　　从X-51计划可以看出,美国通过高超音速领域的多年研究,已经突破了各项关键技术的瓶颈,目前正在致力于高超音速技术的实用化。随着X-51A验证机后续发射试验的继续进行,这项计划将直接推动高超音速武器的型号研制,还将成为发展吸气式空间飞行器和全球打击/侦察系统的关键一步。美国空军希望一种具备马赫数6巡航速度的远距空对地导弹能够在2015～2020年间问世,从而实现酝酿多年“全球敏捷打击”计划。

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