解读美国高超音速飞机

小知识     音速：音速约为每秒钟340米。马赫：超高速单位，物体运动的速度与音     速的比值为马赫或马赫数。亚音速：速度小于1马赫。超音速：速度在1至5马赫间。高超音速：速度在5马赫以上。 　　高超音速飞机怎样试飞？     3月27日，太平洋标准时间中午12时40分，一架B－52轰炸机携带“包裹”着X－43A试验机的“飞马”火箭离开地面。经过1个多小时的飞行，于下午2时在离太平洋海面大约12000米的高空投下了“飞马”火箭，这个高度为“飞马”火箭的正常发射高度，有助于减少火箭控制表面承受的大气载荷。随即，火箭点火爬升到大约28500米的高空。这时，X－43A从火箭中分离出来，依靠自身的超音速燃烧冲压发动机工作了大约10秒钟，最高时速达到8000公里，相当于7马赫。这一速度远远超过了美国高空侦察机“SR－71”（俗称“黑鸟”）于1964年创下的3.2马赫的纪录，同时也超过了美国航空航天局采用火箭助推的X－15试验机的最高速度6.7马赫。此后，发动机停止工作，X－43A在空中自由滑行约6分钟后，按预定计划坠入加利福尼亚州附近的太平洋海域。 　　高超音速飞机什么样？     1994年11月，鉴于经费紧张，美国政府取消了航空航天局耗资庞大的国家天空飞机计划，研制中的X－30试验机被迫下马。顺应航空航天局新提出的“更好、更快、更廉价”的航空航天战略，Hyper－X计划项目孕育而生，它研究的核心内容为X－43试验飞机。     “Hyper”代表“高超音速”；“X”代表“试验”。“Hyper－X”表示的是“高超音速试验”，而“X－43”表示的是美国航空航天局第43种试验飞机。X－43有3种型号，它们分别是X－43A、X－43B和X－43C。目前，除X－43A进行了两次试飞外，其他两种还在研制过程中。     X－43A同下马的X－30有人驾驶单级入轨NASP飞机不仅外型相仿，而且所要试验的发动机方案也相同，它们均为与机身一体化的超音速燃烧冲压发动机。X－43A的前机体设计成能产生激波的形状，以对进入超音速燃烧冲压发动机进气道（安装在机体下方）的空气进行压缩。X－43A试验飞机拥有先进的扁平小巧的机身，机身长3.6米，翼展1.5米，重量约为1吨。在X－43A研究众多的目的中，验证同机身一体化的冲压发动机/超音速燃烧冲压发动机名列榜首，其次为空气动力学数据的开发、设计工具的验证和吸气高超音速飞行器的多种方式。     为何要借助B－52轰炸机？     高超音速飞行X－43A采用的是高超音速冲压发动机。该发动机的燃料为飞机上携带的液态氢，助燃剂（氧化剂）为空气中的氧。显然，在静止状态下，高超音速冲压发动机无法获得足够的氧，因此X－43A飞机不能像战斗机或民航客机那样靠自身的动力自行从地面起飞。只能借助B－52型轰炸机和“飞马”助推火箭。 　　强大推力靠什么产生？     飞行速度达到7马赫，新的记录诞生了！其最为重要的原因是超音速燃烧冲压发动机产生的强大推力。     高超音速飞机采用的是超音速燃烧冲压发动机，它类属于冲压发动机。冲压发动机的原理由法国人雷恩?洛兰于1913年提出，1939年首次被德国用于V－1飞弹上。冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成，它比涡轮喷气发动机简单得多。冲压是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程。该过程不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速，气压和温度升高后，进入燃烧室与燃油混合燃烧，温度为2000—2200℃，甚至更高，经膨胀加速，由喷口高速排出，产生推力。     冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、超音速燃烧（或高超音速）三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料，采用扩散形进气道和收敛形喷管，飞行时增压比不超过1.89。速度在小于0.5马赫时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道，燃烧室入口为亚音速气流，采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为2至5马赫，可用于超音速靶机和地对空导弹。超音速燃烧（高超音速）发动机是一种使用碳氢燃料或液氢燃料新颖的发动机，空气在发动机内的流速始终保持为超音速，飞行速度高达5至16马赫。     与喷气发动机有何不同？     今天喷气式飞机使用的最普通的喷气发动机是涡扇喷气发动机。带有外涵道的喷气发动机的早期设计出现在20世纪30年代。40和50年代，人们对早期的涡扇发动机进行了试验。然而，由于对风扇叶片设计制造的要求非常高，因此直到60年代，人们才得以制造出符合涡扇发动机要求的风扇叶片，从而揭开了涡扇发动机实用化的阶段。涡扇喷气发动机由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成，发动机利用气压机先对进入发动机的空气进行压缩，压缩的空气和燃料混合并被点燃，随后气体爆炸推动飞机前进，后面的涡扇和前面的压缩机处在同一根轴承上。     超音速燃烧发动机同涡扇喷气发动机存在不同。其实，它也有别于火箭发动机。虽然，多级火箭的速度极高，可达20多马赫，但是它携带着全部的燃料，因而在相同体积的情况下，其有效负载低于安装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器。     为何进行高超音速试验？     此项试验重要目的在于演示与机身一体化的吸气超高音速冲压发动机技术。采用该技术的发动机在工作时，所需要的、同液态氢进行燃烧的氧气来自大气层中的空气，而不是飞机或飞行器自身携带的液态氧。吸气超高音速冲压发动机技术被认为在未来将广泛用于高超音速飞机和重复使用的发射器。其原因是这些飞行器在使用吸气超高音速冲压发动机后，由于免除了液态氧的位置和重量，因而能够提高有效负载量或减小自身体积。     Hyper-X计划的目标是为人类通向高超音速积累知识、树立信心和完善技术。X-43A试飞成功，为进一步研究采用吸气超音速燃烧冲压发动机的高超音速飞机打下了基础。然而，高超音速何时能实际应用至今还是一个未知数。无论今后进展快或慢，有一点可以肯定，那就是尽管在今后20年内，美国航空航天局表面上讲只是打算开发、测试和试飞高超音速技术，以支持开发未来重复使用的发射器和加强太空探索。但是，一旦该发动机的技术成熟，它将有潜力用于其他目的。例如，携带（常规或核）武器实施同导弹相同的远程攻击任务，其将氧燃料的重量换成武器负荷的能力使得它具有更强打击力；或者说，它小巧的体积更难让对手捕捉到自己。     首次试飞为什么失败？     根据原计划，X－43A应在2000年1月至2001年9月内完成拟订的3次试飞。但是，由于种种原因，特别是2001年6月的第一次试飞失败，整个项目被迫推迟。在那次试飞中，“包裹”着X－43A的助推火箭在7000多米的空中由B－52型轰炸机放下后，虽然顺利点火，但是不久就偏离航线，同时出现翻滚的现象，无奈之中研究人员只好启动紧急按钮，带有X－43A的火箭在空中自毁。尽管X－43A当时没有来得及同火箭分离，但是研究人员表示他们仍然获得了不少宝贵的、有助于下次试飞的资料。     第二次试飞原定于今年2月，由于11日在对X－43A的方向舵致动器进行试验时，因一名技术人员操作失误导致致动器出现故障，尽管该故障可能不会影响致动器的功能。但是，为保险起见，航空航天局还是决定更换致动器，并重新计算飞行剖面。 　　下一步还要进行哪些试验？     2010年以前，最大的吸气高超音速试验机X－43B将进行试飞。X－43B将采用涡轮发动机和吸气超音速燃烧冲压发动机的组合动力。这种发动机组合十分适合高超音速飞机，因为它可以自动调整推动力以使飞行达到最佳速度。当飞机的速度只有两倍音速左右时，飞机借助涡扇喷气发动机前进，这同普通飞机没有两样；当飞机在以高超音速飞行时（5至15马赫），它就开始利用吸气超音速燃烧冲压发动机推进。     现在，美国航空航天局的一研究中心已领命研究高马赫涡轮推进技术———革命性涡轮加速器（RTA）。计划在2010年内，让采用了以RTA技术的燃气轮机联合循环发动机能将飞行器的速度提升到4马赫以上。通常，超音速飞机发动机产生的推力同飞机重量的比值不超过4，而未来利用RTA技术的发动机的这一比值可达15至20。如果可能的话，航空航天局准备将小型的涡轮加速器演示机同双模式超音速燃烧冲压发动机联合用于X－43B试验机的试飞。     X－43C是X－43A计划的继续，X－43A用于演示飞行器在7马赫和10马赫速度的时候超音速燃烧冲压发动机的短期飞行性能，而X－43C计划将演示装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器从5马赫加速到7马赫时的自由飞行性能和超音速燃烧冲压负电荷的性能。X－43C试验机采用的发动机将有普通冲压发动机和超音速冲压发动机这两种工作模式。X－43C演示飞行时，它将被火箭推进器加速到5马赫的速度，并送到大约24000米的高度。随后，X－43C将与推进器分离，并使用自身的动力和自动控制系统将速度提高到7马赫。 (科技日报 记者 毛黎)　　转    自：新华网
　　本文编辑：李迁      

---