Ｘ－５１Ａ验证机蓄势待发

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作为美国空军、NASA和DARPA联合提出的一项计划，X－51A验证机采用了普惠-罗克达因公司研制的一台超燃冲压发动机，旨在验证吸气式高超声速推进技术的可行性。美国空军对于这项计划寄予厚望，在各项关键技术先后取得重大突破后，热切期待验证试验达到预期目标，从而为第一种高超声速巡航导弹的顺利问世铺平道路。6月25日，波音公司已经将第一架X－51A验证机运抵爱德华兹空军基地，随后马不停蹄地开始了各项地面测试，首次试飞正在蓄势待发。

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，在低地球轨道飞行，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－51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，美国空军研究实验室(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一乘波机”(SED－WR)。2004年1月，AFRL选择了波音公司(负责机体)和普惠公司(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计划承担起一个主要任务：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·布瑞克表示，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声速巡航导弹的设计构型。因此，X-51A计划朝着最终发展高超声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。据美国媒体报道，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模型。在回答有关高超声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－51验证机不只是实验研究，其设计直接着眼于应用。

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声速所产生的动能，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和其它喷气式战斗机发射。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。

乘波构型反复优化

X-51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。在高超声速飞行时，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2个控制面主要起方向控制作用。

X-51A验证机采用了将高超声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声速的速度穿过空气时，将相继产生一系列激波，会带来极大的波阻。为此，X-51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。

与此同时，X-51A验证机通过乘波构型，将高超声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。因为高超声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。

在外形优化过程中，X-51A验证机充分利用了珀杜大学宇航学院斯蒂芬·斯尼德尔教授通过静音风洞试验所取得的一些研究成果。首先是维持空气以紊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。在高超声速下，空气以紊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紊流。通过大量的风洞试验，他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。结果表明，这些扰流器应该加高到最初设计值的两倍。

其次是增加X-51A验证机上表面的层流范围，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变化出红光，红光的强度显示出表面的温度高低。研究人员们让风洞在静音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。

核心技术日益成熟

自从2000年以来，普惠·罗克达因公司的高超声速计划队伍利用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普惠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，普惠·罗克达因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一1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，普惠·罗克达因公司研制出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。

在超声速流动中，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。

试飞工作紧锣密鼓

从地面试验过程来看，X-51A计划进展比较顺利。2008年11月，普惠·罗克达因公司把为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。目前，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试验，然后再翻新为第4架验证机。

今年2月，飞行试验准备工作已经在德莱顿飞行研究中心正式启动。6月25日，该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-52飞机实施各项地面兼容试验。按照预定计划，第一次系留飞行试验于8月在爱德华兹试验场进行，主要测试各条通信与遥测线路。模拟演练预计将于9月在太平洋上空进行，到时将采用数架P-3飞机来记录和中继遥测数据。

早在去年1月28日，美国空军第412试验联队下属的高超声速飞行试验队伍就与波音公司展开合作，开始在本尼菲尔德(Benefield)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。飞行试验过程中，瑞德利(Ridley)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和带宽。

按照试飞进度，从2009年10月底至2010年2月底，在这4个多月的时间里，美国空军预计将陆续实施4次飞行试验，目标只有一个：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，波音公司态度谨慎，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，在4次飞行试验中，如果能取得2次成功就已经令人满意了。

与X-43A验证机的试飞类似，B-52飞机将在机翼下方挂载一个完整的X－51A试验系统，飞行到大约15000米高空后投放。首先，助推器持续燃烧30秒钟，将整个系统加速到M4.6～4.8。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，预期飞行速度将达到M6.5。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，最后坠落太平洋。

如果试飞顺利，X-51A验证机将持续飞行5分钟，并打破此前超燃冲压发动机持续点火燃烧创下的所有纪录。值得一提的是，5分钟续航时间只是局限于目前油箱的容量，如果设计一种更大的燃料箱，改进型飞行器可以非常容易地延长飞行时间。

后续计划提上日程

目前，波音公司正在为X-51A验证机研制一种回收系统，以便可以重复使用验证平台，相应降低研制成本，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。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。

最初，波音公司只是利用国会追加的少量投资，全面细致地研究了X-51B验证机准备采用的热喉道冲压(TTRJ)发动机，此后，这项研究获得了AFRL的投资，命名为“持久冲压发动机”(Robust Scramjet)计划。

作为X-51A计划的后续项目，X-51B验证机尽管同样采用碳氢燃料和燃油冷却，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声速，然后利用TTRJ发动机，持续保持M5.0的巡航速度。TTRJ的名字来源于这种发动机采用了一个热喉道，而不是机械喉道，燃烧室前部是亚声速，增加的热量推动气流在喉道达到M1.0，在燃烧室后部达到超声速。设计用于X-51B验证机的ATRJ-514发动机是ATK公司制造的第四代TTRJ，也是首台达到飞行重量要求的TTRJ发动机。

与超燃冲压发动机相比，ATRJ-51-4发动机采用了一种结构简单的亚声速燃烧室，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，就能实现高超声速飞行。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JP10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M4～5.5，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预计能持续工作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，可以进一步增加射程。此外，由于这种发动机结构尺寸紧凑，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。

目前，ATK公司已经完成了ATRJ-51－4发动机的地面试验，正在准备将其匹配上X-51B方案所采用的进气道和尾喷管，在2009年底进行综合发动机试验。预计，这种发动机在2010年实施飞行试验。

从X-51A计划可以看出，美国通过高超声速领域的多年研究，已经突破了各项关键技术的瓶颈，目前正在致力于高超声速技术的实用化。如果X-51A验证机的发射试验达到预期目标，这项计划将直接推动高超声速武器的型号研制，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M6.0巡航速度的远距空对地导弹能够在2015～2020年问问世，从而实现酝酿多年的“全球敏捷打击”计划。

责任编辑：思空