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      X-51A是美國空軍研究實驗室(AFRL)與國防高級研究計劃局(DARPA)聯合主持研制的超燃沖壓發動機驗證機——乘波飛行器(SED-WR,Scramjet Engine Demonstrator-Waverider)。它由波音公司與普拉特·惠特尼(簡稱普惠)公司共同開發,由一臺JP-7碳氫燃料超燃沖壓發動機推動,設計飛行馬赫數在6~6.5之間。這個計劃的終極目標就是要發展一種比美國原武器庫中任何一種導彈的速度都要快5倍以上,可以在1小時內攻擊地球任意位置目標的新武器。2012年8月14日,X-51A第3次試飛,從紐約飛到倫敦將只需不到一個小時。

      武器性能

    1. 中文名:X-51A高超音速無人飛行器
    2. 長:4.3米
    3. 發動機:采用超燃沖壓發動機
    4. 開發公司:波音公司與普拉特·惠特尼公司
    5. 特點:可以在1小時內攻擊地球任意位置目標
    6. 研發時間:20世紀90年代
    7. 飛行馬赫數:6~6.5之間
    8. 首飛時間:2010年5月
    9. 代號:乘波者
    10. 目錄

      研發背景編輯本段

      “全球快速打擊計劃”的推動
      “全球快速打擊計劃”提出于20世紀90年代,目的是讓美軍能在1小時內用常規武器打擊地球上的任何目標。美國的“快速全球打擊”計劃將分階段實施,近期實施海軍“三”導彈的常規
      X-51A飛行器X-51A飛行器
      改裝計劃,中期實施海軍的“潛射全球打擊導彈”方案和空軍的助推一滑翔式導彈方案,遠期實施正在研究的“高超聲速巡航導彈”等方案。
      該計劃的關鍵在于“速度”,配套研制的各種飛行器都必須達到5倍以上的聲速,其中最具代表性的就是X-51。 五角大樓的決策者們念念不忘多年前的一個深刻教訓。1998年8月20日,位于阿拉伯海上的美國“林肯”號航母戰斗群發射了數枚“戰”巡航導彈,攻擊阿富汗東部塔利班訓練營地,目的是清除本·拉登?!皯鸶毖埠綄椀淖畲箫w行速度為885千米/時,飛行了1770千米,耗時長達2個小時。結果,拉登在導彈飛抵前一個小時剛剛離開了訓練營地。這次行動的失敗給美國國防部留下了無法彌補的遺憾,從而促使了高超音速武器的研制工作開始加速。
      2001年9月l1日,美國本土首次遭到恐怖組織的大規模攻擊,促使布什政府開始積極調整美國的軍事戰略,以應對新形勢下難以預測和控制的各種威脅。隨后出臺的四年防務評估報告》強調防務規劃必須以迅速和決定性地應對突發事件為中心,必須由過去“基于威脅”的模式轉向未來“基于能力”的模式,因此,有必要發展全球打擊能力來應對各種緊急情況。2003年1月,布什總統在一份秘密報告中賦予美軍
      美國的“快速全球打擊”階段性計劃 美國的“快速全球打擊”階段性計劃
      戰略司令部執行全球打擊的任務。隨著各項作戰需求的不斷明確,五角大樓制訂了一項“全球敏捷打擊”計劃,旨在大力推動高超音速技術的發展,力求盡快研制和發展出可以投入實戰的武器型號。
      繼HyTech與HvSet技術研究之后
      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。NASP計劃的目標是研制和驗證一種超燃沖壓發動機為動力的X-30驗證機,按照設想,投入使用的空間飛機將能夠從常規跑道上起飛,達到至少M25的進入空間速度,作為一種單級入軌的飛行器跳躍進低地球軌道,飛入太空,重新進人大氣層,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年成功地實現了X-43A驗證機的試飛,驗證了超燃沖壓發動機可以產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計劃的后續發展被迫終止。 國家空天飛機(NASP)計劃終止后,美國空軍轉而投資HyTech計劃以延續其對高超聲速技術的研究,HyTech后來衍變為HySet項目。這兩項技術研究為X-51A的出臺奠定了基礎。
      2004年1月,AFRL選擇波音公司與普惠公司共同制造SED-WR的驗證機,由波音公司制造機身,普惠公司生產發動機。2005年9月,美國空軍正式將該計劃編號為X-51A。

      方案制定編輯本段

      多重目的

      X-51A飛行器結構示意圖 X-51A飛行器結構示意圖
      X-51A計劃的主要目的之一是對美國空軍的HyTech超燃沖壓發動機進行飛行試驗。這種發動機使用吸熱型碳氫燃料,能將飛行器的飛行馬赫數從4.5提升到6.5。此外,還有以下目的:
      其一是獲取超燃沖壓發動機的地面及飛行試驗數據,以加深對物理現象的理解以及開發可用于超燃沖壓發動機設計的計算工具;
      其二是驗證吸熱式燃料超燃沖壓發動機在實際飛行狀態下的生存能力;
      其三是通過自由飛行試驗來驗證超燃沖壓發動機能夠產生足夠的推力。
      雖然X-51A計劃的主要部分是進行推進試驗,但它不僅僅是一個對HyTech超燃沖壓發動機的測試計劃。發動機與飛行器的整合需要兩方面研究過程的協調發展:高超聲速推進飛行試驗以及航空器的研發。另一方面,航空器的研發過程也具有同樣重要的意義。

      關鍵設計評審(CDR)

      2007年6月,波音公司的X-51A乘波者超燃沖壓發動機驗證機完成了關鍵設計評審(CDR)并首次點燃發動機,這是首次飛行所必須的兩個項目里程碑。由美國空軍、國防預先研究計劃局、NASA、波音公司和普·惠公司羅克達因分公司組成的集團目標是,通過X-51A項目驗證高超聲速飛行能力。
      CDR評審讓政府和工業界的官員評審和證實飛行器的設計、裝配、一體化和飛行試驗計劃。 發動機研發
      美國空軍的HyTech計劃已經為發動機系統完成了許多基礎性的開發。HyTech部件的研發試驗包括:燃燒室直連式試驗、進氣道/隔熱裝置模型實驗、模擬燃燒室條件下熱載荷熱交換器子部件測試、燃料分配閥性能測試以及HyTech燃料系統與軟件的閉環測試。
      在完成這些部件驗證試驗后,空軍又啟動了一系列更大也更為復雜的自由射流試驗,包括2001年對性能測試發動機(PTE)進行的試驗,2003年第一臺碳氫燃料超燃沖壓發動機——GDE-1(Ground Demonstration Engine 1)自由射流試驗的完成,以及2006年GDE-2的測試。這些技術研究為X-51發動機的研發積累了很有價值的經驗。

      驗證發動機性能

      X-1發動機的驗證。2007年5月,在NASA蘭利研究中心首次完成了X-1發動機的模擬飛行試驗。在成功點燃X-1發動機驗證機期間,工程師用全權數字電子發動機控制器(FADEC)來模擬馬赫數5的空速,經歷了大約40多次循環,馬赫數從4.6逐漸增加到5.0,最后增加到6.5。據介紹,發動機的性能超過預期,這是該項目開始邁人實際應用的重要一步。
      X-2發動機的驗證。在X-1發動機驗證之后,又進行了多次驗證。截止2008年9月1日,普惠·洛克達因公司設計的SJX61—2“飛行重量”超燃沖壓發動機已經完成了第11次試驗,該發動機簡稱X-2,代號為“放飛發動機”,是X-51A飛行器所采用的系列發動機的一種(該發動機項目之前稱為HySET計劃),它于2001年就已經開始地面試驗。

      項目依次展開

      據波音的項目經理介紹,波音公司同時還在設計X-51從B到H的不同型號。設想的X-51B將以一臺Alliant技術系統公司的熱喉道沖壓發動機為動力裝置,這是一種簡單化的亞聲速燃燒發動機,設計用來維持馬赫數5的巡航飛行。波音已完成了“相當詳細”的X-51B的安裝計劃,ATK正打算開始進行發動機的地面試驗。

      獨特技術編輯本段

      乘波技術

      飛行原理圖 飛行原理圖
      作為乘波者(Waverider,又譯馭波者、波行者)的X-51A,機體外形有一個扁平的頭部、彈體中部設有4片可以偏轉的小翼(襟翼),進氣道在腹部。其設計原理主要是從一個給定的、有激波系的三維超聲速流的解析解或數值解的流面中,沿著流線切割出一個尖頂三角外形的錐形體作為飛行器的外形,由此得到的乘波飛行器構型是一種在其所有的前緣都具有附體激波的聲速、高超聲速飛行器構型。乘波構型設計有助于X-51發動機的燃燒過程。乘波構型具有以下優點。
      (1)乘波構型的上表面與自由流平行,所以上表面的壓差阻力較小,而下表面在設計馬赫數下受到一個與常規外形一樣的高壓。
      (2)飛機下表面在激波后的高壓不會繞過前緣泄漏到上表面,波后高壓與上表面低壓之間沒有壓力溝通,這使乘波構型和普通外形相比具有很高的升阻比。
      氣動原理 氣動原理
      (3)來流經激波壓縮后,沿著壓縮面的流動被限制在前緣激波內,形成較均勻的沿下表面流場,可以消除發動機進口處的橫向流動,利于提高吸氣式發動機的進氣效率,同時使得這一構型便于進行彈體/發動機/進氣道一體化設計。
      (4)由于上下表面沒有壓力溝通,飛行器上表面和下表面的流場不存在干擾問題,上下表面可以分開處理,有效地簡化了飛行器的初步設計和計算過程。乘波構
      型與超燃沖壓發動機的一體化設計可以得到性能優越的高超聲速乘波飛行器。

      耐熱技術

      為了適應高超聲速的飛行以及從空間直接再人大氣層的飛行,飛機的表面要能承受高達4500℃的高溫。為此,整個機體涂覆了一層耐熱燒蝕材料,特別在驗證機的腹部覆蓋了與航天飛機一樣的隔熱瓦。

      超燃沖壓技術

      X-51A飛行想像圖 X-51A飛行想像圖
      X-51A采用的是吸氣式超燃沖壓發動機,與采用火箭發動機相比,其效率更高、航程更遠,所攜載荷也更重。由于這種發動機從空中吸收氧氣來保持推進,不需要像火箭發動機那樣必須同時攜帶占據非常大發射重量的燃料和氧化劑。此外,因為超燃沖壓發動機只有很少的活動部件,所以,即使在非??量痰墓ぷ鳝h境內,它們的工作至少與渦輪發動機一樣可靠。

      點火技術

      X-51A的超燃沖壓發動機在飛行過程中的點火是很復雜的,首先通過進氣道的壓縮空氣在經過一個隔離段后,將氣流調節到適合于燃燒室工作需要的穩定壓力,隨后和霧化了的JP-7噴氣燃料混合點火燃燒。
      由于當流入燃燒室的氣流速度在馬赫數4.0或更高時,JP-7燃油將無法依靠自身點燃,所以還必須摻混乙烯液體,點火首先從機載容器內的少量容易燃燒的乙烯的點燃開始,并將乙烯注入到燃燒室內與JP7燃料二者混合后,導致燃料的燃燒。

      燃料技術

      SJY61超燃沖壓發動機燃油系統 SJY61超燃沖壓發動機燃油系統
      X-51A驗證機采用的是碳氫燃料,這與SR-71“黑鳥”高空偵察機所采用的J58渦輪沖壓噴氣發動機使用完全一樣的JP-7航空燃料。這種碳氫燃料是一種現成的燃料品種,不易點燃、不易揮發,可以較容易地儲存。PWR公司X-51A項目的經理解釋說,碳氫燃料要從發動機結構中吸收一定的熱量,因此可以讓燃料流過一個熱交換器來冷卻發動機結構,然后提供給燃燒室。據介紹,這種熱交換器是一種直接加工在發動機殼體壁面內的溝槽,這不僅用于冷卻1650℃以上的燃燒室,還可以通過對燃料的預先處理,將其轉變為一種熱燃氣狀態,與其處于液體形態下相比,可以多增加10%以上的能量。

      難題啟示編輯本段

      X-51A采用“乘波體”技術,這是一種新穎的飛行機制,和通常飛機采用機翼產生升力的機制迥然不同,特別適宜于在大氣層邊緣以高超聲速飛行,一個多小時就可以從西雅圖飛到北京,具有不可估量的軍事威懾力。亞軌道高超聲速飛行器的飛行軌跡像飛機一樣不可預測,而且沒有反復繞地球的事情,可供攔截的窗口也稍縱即逝,攔截難度大大提高。然而,像X-51A這樣的亞軌道高超聲速飛行器也存在自身難題。

      難題

      第一是飛行器離不開母機掛載。
      掛載于掛架下的X-51A飛行器 掛載于掛架下的X-51A飛行器
      亞軌道高超聲速飛行器不僅有亞軌道高超聲速飛行段,還有在低空低速起飛、著陸和機動的飛行段,氣動設計必須綜合考慮各方面的要求?,F在的航空航天技術還沒有解決這一問題,X-51A還是靠B-52攜帶升空,取得一定的速度和高度后再靠自身動力加速到亞軌道飛行的。航天飛機沒有完全實現水平起飛、水平著陸和加油后就可再次起飛的初衷。
      第二是超燃沖壓發動機還未取得突破性進展。
      X-51A動力系統的技術關鍵在于超燃沖壓發動機,這是航空發動機的技術前沿。所以,第二大問題是動力。
      超聲速燃燒沖壓發動機的工作窗口極其狹窄,錯過一點點,超聲速燃燒就不能維持。在另一方面,溫度升高使聲速升高,不及時補償的話,也會破壞超聲速燃燒的條件。美國的X-51A代表超聲速燃燒沖壓發動機的最高水平,但飛行的持續時間只有300秒,離實用化還差距很遠。X-51A的火箭助推是實驗性的,實用中可能用沖壓發動機將飛行器加速N5倍聲速以上,超聲速燃燒沖壓發動機才能開始工作。

      啟示

      X-51A代表了世界航空技術的最前沿,一旦投入使用,它將實現快速全球打擊計劃的目標“兩小時到達世界任何地方”,雖然X-51A離實戰化還有很遠的距離,但做此項目作為先行者,對世界其它國家進行高超聲速飛行器的發展和研究會有很多啟示。
      掛在B-52H機翼下的X-51A飛行器 掛在B-52H機翼下的X-51A飛行器
      (1)高超聲速技術的研究試驗計劃是一項復雜的系統工程,必須做好頂層設計和加強總體協調工作,進行關鍵技術攻關,在決定研制實用飛行器系統前,還需要進行全尺寸、與機體綜合的發動機飛行演示驗證;
      (2)必須進行深入的設計及需求論證以確立對高超聲速武器系統的作戰需求,并確定具體的設計目標;
      (3)不要低估費用和進度、不要高估性能和技術成熟度,以免項目過度開發;
      (4)確定的系統必須成為用戶評估以后的首選,換句話說,即研發的系統必須完全滿足用戶在性能和成本上的需求;
      (5)作為可推進技術的能力必須能夠滿足新的任務,或者采用新的方法能實現任務;
      (6)某個高超聲速研究項目必須借鑒以前的成果,同時在高超聲速的項目發展過程中,要盡可能形成階段性成果,以便在項目出現困難,研究方向發生變化時,作為寶貴的借鑒技術資料;
      (7)加強國際合作,分擔研制風險是可行的開發方式。

      試飛編輯本段

      首飛

      X-51A飛行器 X-51A飛行器
      2010年5月26日,美國在加利福尼亞州南部太平洋海岸的軍事基地,成功試飛了X-51A飛行試驗機。
      按照最初試飛計劃,B-52飛機在大約15000米高空投放整個X-51A試驗系統。首先,助推器持續燃燒30秒鐘,將整個系統加速到馬赫數4.6~4.8。在助推過程中,空氣將進入X-51A驗證機的超燃沖壓發動機內,通過級間段流出,以便起動進氣道,開始逐漸加熱發動機及其燃油。在助推器分離后,X-51A驗證機將借助慣性繼續滑行數秒鐘,然后在發動機內部依次點燃乙烯和燃油,達到熱平衡后,僅利用JP-7燃料的燃燒實現不斷加速。整個動力飛行過程大約300秒,預期飛行速度達到馬赫數6.5。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,最后墜落進太平洋。
      然而,首次試飛并非按照設想順利進行,盡管取得了成功,但還是出現了令人意想不到的一些情況。
      5月26 日,美國空軍實施了X-51A驗證機的首次飛行試驗。B-52H載機在眾人期待的目光中,從愛德華茲空軍基地起飛,爬升到預定高度后,在馬赫數0.8的飛行速度下,釋放了由助推器和驗證機組成的X-51A試驗系統。大約4秒后,助推器按照預定程序點火,將X-51A驗證機助推到馬赫數4.8。隨后,X-51A驗證機與助推器、級間段分離,按照預定程序,成功地完成了一個平緩的180度滾轉機動。這一過程中,X-51A驗證機將進氣口從上方位置改變為腹部位置,飛行速度略微降低到馬赫數4.73。
      隨后,SJY61超燃沖壓發動機先點燃乙烯,然后過渡到JP-7碳氫燃料的點火、燃燒。接著,X-51A驗證機開始逐步加速,但是遙測數據表明,加速度略低于設計值,而且發動機艙后部的溫度明顯高于設計值。靶場安全官員通過監測數據發現,X-51 A驗證機開始減速,并且遙測信號丟失,于是下令終止試飛,飛行器啟動了自毀程序。
      結果,SJY61超燃沖壓發動機只工作了140秒,并未達到預期的300秒時間,飛行器的飛行速度達到了馬赫數5,尚未加速到馬赫數6以上。PWR公司表示,有關數據初步表明,SJY61發動機完全按照設計要求工作,在第一次試飛中就實現了最關鍵的一些事情:點燃乙烯,過渡到乙烯與JP-7燃料的混合燃燒,達到JP-7燃料燃燒的條件,僅用JP-7燃料繼續燃燒,并持續工作140秒。X-51A驗證機在自毀前,機內仍然剩余一部分燃料。
      由此可見,PWR公司已經完全掌握了一系列關鍵技術,可以很快制造出更長燃燒時間的超燃沖壓發動機。設計的5分鐘飛行時間并不是推進系統的限制,只是局限于在油箱內裝有燃料的容量。如果改進設計一種更大容量的燃料箱,X-51A改進型可以進一步增加飛行時間。
      盡管飛行時間沒有達到預期目標,但測試組仍然對結果感到滿意。AFRL發言人表示,首次飛行得分為B,下一次將得到A。AFRL負責X-51計劃的經理布林克表示,此次試飛取得了95%的成功,飛行控制軟件完美無缺,尚不清楚加速過程減慢和飛行時間短暫的具體原因,初步推測可能是密封問題或作動器故障,同時也認為,有可能是錯誤地估算了X-51A驗證機在低馬赫數飛行時的阻力。
      美國的新聞媒體對此次首飛作了充分的肯定?!痘浇腆鹧詧蟆吩谛稳軽-51A驗證機的飛行速度時,稱它比“超人”還快,而且還比喻說,它的超燃沖壓發動機的技術難度就好比在颶風中點燃一根火柴,并且不讓火焰熄滅?!堵迳即墪r報》描述X-51A驗證機的首次試飛:一架外觀酷似沖浪板的飛機從一架B-52H載機的機翼下分離,然后以超過5600千米/時的速度在太平洋上空飛行,這讓過去的飛行紀錄為之遜色,也重新點燃了研制高超音速飛行器的熱情。
      或許,布林克評價更加精辟,令人長久回味。他表示,超燃沖壓發動機在技術上的飛躍相當于第二次世界大戰后期從活塞式發動機向噴氣式發動機的巨大跨越。

      二次試飛失敗

      B-52攜帶X-51飛行器 B-52攜帶X-51飛行器
      2011年6月13日進行的X-51“乘波者”高超聲速飛行器第二次飛行試驗中,由于超燃沖壓發動機的進氣道未啟動,X-51第二次飛行過早終止。在操作人員的控制下,飛行器濺落加利福尼亞沿海。
      波音公司B-52飛機攜帶X-51飛行器“完美地”飛至發射點后,火箭推進器成功將X-51推進至馬赫數5,由普惠·洛克達因公司建造的超燃沖壓發動機以乙烯為初始燃料,成功點火。在隨后轉而使用JP-7常規燃料時,進氣道未能啟動。之后工作人員重啟、恢復最佳條件的努力失敗。
      按照NASA的說法,進氣道不啟動的原因多為激波速度過快,越過進氣口前端,導致發動機氣流的氣壓驟減。超燃沖壓發動機的工作依賴著極度精確的激波運動和發動機氣流。沒有風洞能使空氣以高超聲速運動,因此高超聲速試驗極端困難。
      空軍項目經理查理·布林克(Charlie Brink)表示:“顯然,我們很失望,原本我們期待著更好的結果。但是我們仍對此次飛行收集到的數據感到滿意。我們將繼續檢查這些數據,了解更多關于這項新技術的知識。每一次對這項令人振奮的新技術進行試驗,就距離成功更近一步?!?/div>
      在2010年5月26日X-51首次飛行中,飛行器在超燃沖壓發動機點火110余秒后,經歷了相似的進氣道未啟動問題,之后發動機成功恢復。飛行控制持續至143秒時,發動機密封失效,導致試驗中斷。

      三次試飛

      2012年8月14日,X-51A“乘波者”高超音速無人飛行器將進行第三次試飛。按照這種飛行器的最高時速計算,從紐約飛到倫敦只需不到一個小時。
      按計劃,用于測試的X-51A先是在位于加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地進行測試,待一切妥當之后被掛到B-52轟炸機翼下;接著B-52從愛德華茲空軍基地起飛,在飛到接近莫古角導彈靶場的太平洋上空時,從5萬英尺高空將X-51A放飛;然后X-51A打開自身動力,加速到6倍音速并爬升到7萬英尺高空,在持續飛行300秒后最終墜入太平洋。而6倍音速相當于從紐約飛到倫敦只需短短不到一小時。

      附件列表


      4

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