天空游俠

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。空軍研究實驗室的x-51A項目經理查理·布林克表示：“這是最偉大的一天。”。國內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“美軍目標是1小時內打擊全球”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，是以大于當地空氣中音速的速度飛行，而在不同密度的空氣中，超音速飛行的絕對速度數值是不同的。通常人們把達到音速5倍以上的速度稱為高超音速，即馬赫數大于5。

如果高超音速飛行器投入實用化，將逐步改變人類的生活方式。從經濟上說，洲際客運的時間將大大縮短，“天涯若比鄰”將不再是夢想，而是現實；從政治軍事上說，強國將有能力對發生在世界任何角落的事態進行實時干預，迅速投送部隊到事發地點，或者投送彈藥打擊重要目標。總之，高超音速飛行器將極大地推進“地球村”的實現。

一旦X-51 A在馬赫數4.5～6.5范圍內驗證了超燃沖壓發動機的基本設計原理、高溫材料、機身與發動機的總裝技術，就為多種高超音速飛行的應用奠定了基礎。

X-51 A的關鍵技術

x-51A投資2.46億美元，NASA出資1／4，其余由空軍出資。波音公司先進系統部負責人喬治·穆勒爾內在評價X-51 A時說：“X-51 A是一個標志性的型號，可以回答很多未來高超音速飛行器所必須面對的問題。”

X-51 A的設計速度為馬赫數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動機飛行器，卻是技術最為復雜的一個。

X-51 A的高超音速飛行器體重680千克。其結構用鋁制成，頭部整流罩用鎢合金制成。這些部是成熟產品，比X-43A更具有實用意義。

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

美國空軍表示，x-51A的技術基礎相當堅實。2001年1月的超燃沖壓機性能試驗樣機解決了銅制熱沉結構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了燃料冷卻；2006年3月，x-43C的核心發動機地面演示驗證樣機總體設計得到驗證，并以閉環式燃料供給系實現了燃料冷卻；2007年7月，x-51A的SJX61-1號工程樣機驗證了前機身和噴管設計，并以閉環式燃料供給系實現了燃料冷卻；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制造的樣機，配備了全套燃料管道和泵。

x-51 A持續飛行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”戰略偵察機使用的特殊燃料，它的主要成分是烴，混入了烷、環烷、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的揮發性物質含量很少，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，在啟動發動機或者開啟加力的時候，都要向燃燒室內加入三乙基硼烷來助燃。

更為重要的是，美軍已經為JP-7制定了軍用標準，其制造、存儲和使用部有明確規定。美國空軍使用JP-7的歷史已有幾十年，技術成熟、經驗豐富。如果高超音速飛行器以JP-7為燃料，具有很好的繼承-眭，可以節省大量經費。從這個角度說，x-51A是一個為實際應用服務的型號，而不僅僅是原理研究的科學項目。

什么是超燃沖壓發動機

超聲速燃燒沖壓式發動機簡稱超燃沖壓發動機。

沖壓發動機屬于空氣噴氣式發動機的一種。它結構極簡單，沒有渦輪噴氣發動機的多級葉輪結構，簡單說就是一根管子，當然管子的形狀很復雜。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，在靜止狀態下不能產生推力。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，部分導彈采用了沖壓機。這些導彈以固體助推火箭起飛，達到一定速度后沖壓機才啟動。早年有一些戰斗機裝備了沖壓機作為輔助動力，萬一主發動機空中停車，可以靠沖壓機返回機場或迫降，如今已經不再使用。

所謂超燃沖壓機，簡單說，就是氣流在流經進氣道、燃燒室、噴管其間一直保持著超聲速流動。而渦輪噴氣發動機、普通沖壓發動機吸入空氣后，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動機中選擇。渦輪噴氣發動機的葉輪會產生阻力，隨著速度提高，阻力會越來越大。到一定速度下，渦輪噴氣發動機產生的推力被阻力抵消，就無法繼續加速，不能實現高超音速飛行了。而超燃沖壓機沒有葉輪，其本身產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燃料的超燃沖壓發動機2號地面工程試驗樣機進行了試驗。這是該型發動機首次采用閉環燃料

供給系統進行的高超聲速試驗，取得了成功。

這臺編號為G DE-2的發動機在蘭利中心2.5米直徑高溫風洞內模擬了馬赫數5速度下的飛行。

2007年6月1日，X-51 A設計方案通過評審的當天，其發動機演示驗證樣機——X-1號也成功點火試驗。X-1采用了全權數字發動機控制系統來模擬馬赫數5的飛行，系由F-35戰斗機的相應系統衍生而來，這比研制使用全新系統的風險更低。試驗中也演示了燃料冷卻系統和燃料噴射控制系統。

關鍵的設計評審，是美國政府和業界專家一起審查鑒定x-51 A的設計、裝備、系統集成與飛行試驗計劃是否合理。評審認為，X-51 A的設計符合主要技術參數。這樣，X-51 A的元器件采購、制造和裝備工藝就有了依據。

超燃沖壓發動機的成功，為X-51A使用的飛行樣機研制創造了條件。

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，測得的數據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B-52飛行試驗，一次是靜態裝載試驗，一次是彩排試驗。去年底進行的就是靜態裝載試驗，這里的“靜態”，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。

這次試驗結束后，查理布林克說，“目前情況看，我們成功達到了所有試驗目的，毫無瑕疵。”

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自身的指導控制裝置和發動機數字控制系統將控制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動機內。

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。飛行結束后，X-51A將墜入太平洋。查理‘布林克說，“這將是超燃沖壓發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，有關負責人說，X-51A上的空間已經“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邦航空管理局協調，保障，每次試驗時，洛杉磯到夏威夷、澳大利亞的航線上能設置4個時間窗口供X-51A飛行。

X-51 A是導彈嗎

x-51 A被很多媒體描述為未來的全球打擊導彈，它的樣子也確實像導彈，它的第一級發動機取自美國陸軍戰術導彈。所以，似乎有充分理由給X-51 A戴上導彈的頭銜。

但從結構上分析，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。第一步是常規沖壓發動機，用來裝備高超音速巡航導彈，打擊短暫出現的目標。X-51A是第二步，所研制的是小型超燃沖壓發動機，用來裝備高超音速巡航導彈和小型航天發射載具。第三步要研制中型超燃沖壓發動機，用來裝備大型高超音速巡航導彈和中小型航天發射載具。第四步要研制大型超燃沖壓發動機和CCE，用來研制真正具備高強度作戰能力的快速響應空天飛機。

因此，X-51A本身不是高超音速導彈，而是其部分關鍵技術的試驗平臺。X-51A能否成功，將是高超音速導彈的決定性因素。而高超音速導彈的制導、導航、控制、彈頭等方面技術，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術意義的項目；并考慮研制X-51 B，就是在X-51 A上增加G PS制導裝置。這樣X-51 B就更接近于真正的導彈了，獨缺彈頭。

新的戰爭?

從上面的分析可以看出，X-51 A距離實用化導彈還比較遙遠。即便其發動機技術和飛行控制技術成熟，如何實現精確制導也是個大問題。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。要實現末段精確制導和精確命中，問題還很多。

要實現高超音速載人飛行，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雜的要求。美國空軍原打算設計一種混合循環型發動機，它能從地面跑道上起飛，達到馬赫數3～4之后轉人超燃沖壓機發動推進，但該項目尚未得到國會批準。

所以，高超音速飛行距離實際使用還有相當長的距離。美國空軍和相關研制方這次如此高調宣傳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。波音公司雖然已經就此向空軍提出后續工程的建議，但前景并不樂觀。美國空軍X-51A項目經理查理-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沒有后續計劃了。”

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年美國總統布什宣布重返月球計劃后，X-43C因經費不足被放棄了。

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6的準實用型飛行器。“黑速”原計劃201 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。為爭取經費而飛行，這才是X-51A真正要打的硬仗。