太空探索的尖兵

“飛行浴缸”的貢獻

上世紀60年代，美國空軍公布由三部分構(gòu)成的航天飛機科技和先進再入試驗計劃，其中第二部分機動重返和精確回收計劃的目的是驗證不同構(gòu)型、控制系統(tǒng)和應(yīng)用燒蝕材料對升力體式太空軌道器性能的影響。

實際上，早在1959年，萊特一帕特森空軍基地的飛行動力實驗室就提出制造一種廉價的小型超音速滑翔機進行有翼載人航天器的試驗，并提出了代號ASSET(意為“氣動熱力學(xué)／氣動彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)環(huán)境試驗”)的計劃，并取得了一定的成功。

美國空軍隨后在ASSET基礎(chǔ)上提出了X-23 PRIME亞軌道無人驗證機計劃，承包商是經(jīng)驗豐富的馬丁-瑪麗埃塔公司。馬丁-瑪麗埃塔為此展開了長達6年的研究工作，在設(shè)計、材料研究和風(fēng)洞測試等工作上投入了超過200萬小時的工程時間。

X-23A為典型的升力體布局，從前方看去像是一個平底的V字，弧形的機身頂部，兩片和機身相融合的垂直翼面。機身的主要結(jié)構(gòu)材料是鈦合金和鈹合金，某些部位使用不銹鋼和鋁合金。整個機身外包裹著一層馬丁－瑪麗埃塔自行研制的燒蝕材料隔熱層。機身內(nèi)部設(shè)有名為冷卻板的設(shè)備，其內(nèi)裝有帶吸熱材料的淺盤狀容器，并與排放管道相連接。當(dāng)機內(nèi)的電子設(shè)備工作時，它們產(chǎn)生的熱量被傳遞給冷卻板內(nèi)的水中，后者隨后蒸發(fā)將熱量帶走。

X-23A是一種滑翔機，因此沒有推進系統(tǒng)，在試飛時由通用動力公司康威爾分部開發(fā)的SLV-3運載火箭發(fā)射升空。

X-23A進行的是高超音速軌道器再入操縱試驗，軌道器先在運載火箭推動下，進入30480米的高空以馬赫30的速度飛行，再入大氣層時，在速度馬赫2時啟動減速裝置在空中完成回收。X-23A共完成了3次試飛。其中前兩次試飛的飛行過程都頗為順利，但都因回收失敗導(dǎo)致試驗功敗垂成。1967年4月18日的第三次試飛取得了成功，后續(xù)驗證任務(wù)由更先進的X-24A接手。

X-24A同樣由馬丁-瑪麗埃塔公司研制，它在X-23A基礎(chǔ)上做了不少改進。X-24A有著球狀楔形外形，機身上下表面成弧形，主要結(jié)構(gòu)材料為鋁合金。飛行姿態(tài)控制由8個氣動控制面負責(zé)，尾部上下共有上下兩排4片襟翼，兩片垂尾上另有4片方向舵。

X-24A的動力裝置是一臺XLR-11-RM-13火箭發(fā)動機。它設(shè)有4組獨立運行的燃燒室，并配備一具渦輪泵來對燃料加壓。發(fā)動機的額定推力為3854公斤，機內(nèi)載有1139公斤的水／甲醇燃料和1257公斤的液態(tài)氧化劑，足以供發(fā)動機工作140秒。

1969年4月17日，X-24A由B-52投放，完成首次滑行飛行。1970年3月19日X-24A。又完成了首次動力飛行。X-24A總共進行了18次動力飛行，共累計了2小時54分鐘的飛行時間，飛行速度和高度分別達到馬赫1.6和217627米。

X-24A在1971年6月4日完成最后一次飛行后，曾被暫時封存。后來，NASA決定將其改造成X-24B。飛機隨即被空運至丹佛市的馬丁-瑪麗埃塔工廠接受為期10個月改造工程。

X-24B基本是在X-24B前段套上新的機鼻段，再在機身結(jié)構(gòu)上略加修改與更換新蒙皮而成。飛行時的俯仰控制大部分由下排襟翼控制，偏航和滾轉(zhuǎn)動作利用襟翼差動和方向舵實現(xiàn)。飛機的動力裝置仍是xLR-11火箭發(fā)動機，飛行方式與X-24A完全相同。

X-24B于1973年8月1日完成首次無動力滑翔飛行。在26個月的飛行測試中，X-24B共完成36次空射飛行，總飛行時間3d，時46分鐘。其中30次試飛中進行過基本飛行研究，另外6次則進行飛行員飛行驗證計劃。X-24B從首次試飛起，只用了15個月的時間就完成了最高馬赫數(shù)的飛行包線拓展計劃。

X-23A、X-24A和X-24B這一系列升力體驗證機對航天飛機的成功做出了巨大的貢獻。X-23A是第一種能在高速再入過程中提供操縱能力的驗證機，并同時驗證了燒蝕材料技術(shù)和內(nèi)部蒸發(fā)冷卻的可行性。X-24A提供了升力體式飛行器在控制系統(tǒng)、高升阻比、近場著陸等方面的實際測試計劃，并且證明了低速情況下安全操縱的可能性。X-24B進行了從馬赫1.76到無動力飛行著陸范圍內(nèi)的飛行測試，同時證明了從現(xiàn)有試驗機改裝成新構(gòu)型能節(jié)省大筆經(jīng)費，并提高計劃的效率。升力體的成功徹底證明了航天飛機飛行方式的可行性，給予NASA足夠的信心實施航天飛機計劃，航天飛機的出現(xiàn)由此變成水到渠成的事情。

新一代航天飛機的夭折

航天飛機服役后，雖然性能方面相比傳統(tǒng)的宇宙飛船有了很大進步，但在最為重要的經(jīng)濟性方面卻與人們的預(yù)期存在很大落差。為了解決這個問題，美國在上世紀80年代就開始著手研制其替代產(chǎn)品，并先后提出了X-30和X-33兩個計劃。

1986年2月4日，時任美國總統(tǒng)的羅納德·里根在國情咨文講話中透露，國防部已經(jīng)批準撥款研制一種代號“東方快車”的“國家空天飛機”(NAsP)。里根在講話中極力強調(diào)NASP的和平用途，表示這種飛機將用于未來的高超音速商用飛行，但如此先進的飛行器無疑有著不容忽視的軍事價值，率先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也是在所難免。

隨后DARPA開始對開發(fā)所需技術(shù)進行評估。這一階段計劃于1993年完成。然后按N ASP要求制造一架代號X－30的單級入軌水平飛機驗證機，并在2000年前后開始試飛。經(jīng)過論證后，有關(guān)方面選中麥克唐納一道格拉斯公司負責(zé)中機身、操縱穩(wěn)定性和熱控制，通用公司負責(zé)后機身、機體與發(fā)動機的整合，羅克韋爾公司負責(zé)前機身、飛行管理系統(tǒng)與分系統(tǒng)，普拉特·惠特尼集團公司和火箭動力公司負責(zé)推進系統(tǒng)。1989年1月羅克韋爾公司試驗了1／7比例的超音速燃燒沖壓發(fā)動機。

按照設(shè)計方案，X-30將采用尖頭、狹長機體、大后掠三角翼、單垂尾布局，以減少高速飛行時的阻力，機身從前到后為頭錐，兩人駕駛艙、電子設(shè)備艙、液氧艙、由氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氫混成的糊態(tài)氫艙及液氧艙。動力裝置由渦輪沖壓／超音速燃燒沖壓／A軌和再人大氣火箭發(fā)動機構(gòu)成。機體主要用鈦基復(fù)合材料，表面高熱部分用有內(nèi)部冷卻的防熱材料。

然而，X-30的技術(shù)提升幅度實在太大，因此幾乎從項目啟動伊始就遇到棘手的技術(shù)難題，最終在1993年被取消。NASP項目中的高超音速技術(shù)研究在1994年演變成高超音速系統(tǒng)技術(shù)項目(HySTR)，其具體成果便是X-43驗證機。

X-33計劃下馬前，NAsA還提出過另外一種技術(shù)難度要低得多的驗證機計劃，這就是X-33“冒險星”計劃。為了盡可能地縮減航天飛機的運營成本，NAsA于1992年提出研制使用單極入軌體制的下一代載人航天器。1994年6、7月，NASAaE式?jīng)Q定展開T--代可重復(fù)使用載人航天器的研制工作，為減小研制風(fēng)險，NAsA計劃先在正式設(shè)計方案基礎(chǔ)上制造出代號X一33的縮比驗證機，待關(guān)鍵技術(shù)得到驗證后再制造全尺寸航天器，具體的研制由洛克希德一馬丁公司主導(dǎo)。

X-33是正式的“冒險星”航天器的53％比例縮比驗證機，它的基本布局源自70年代NAsA制造過的一系列升力體驗證機，但身上大量應(yīng)用90年代的先進技術(shù)。X-33為無人駕駛體制，依靠自動駕駛裝置完成全部飛行。按照計劃，X-33在實驗時應(yīng)在愛德華茲空軍基地以與其他骯天器相同的垂直姿態(tài)發(fā)射升空，然后爬升至95公里高空，以馬赫15的速度展開在軌測試。試飛結(jié)束后，X-33以與普通飛機相同的方式返回基地。X-33身上設(shè)有一個1_5×3米大小的貨艙，但不會在測試中搭載任何載荷。

如何應(yīng)對再入大氣層是產(chǎn)生的高溫是任何載人航天器都無法繞開的挑戰(zhàn)。X-33打算在關(guān)鍵部位使用“因康奈爾”－617合金和Ti-100鈦合金制成部件。飛機機體為環(huán)氧石墨結(jié)構(gòu)，液體燃料箱外部被厚4英寸的隔熱層包裹。在再入大氣層過程中，飛機外部溫度最高的部位是機鼻和機翼前緣部分，其中機鼻處的溫度最高時可達華氏2135度，為此X-33的這兩個部位將被碳一碳耐高溫材料所覆蓋。

X-33的技術(shù)水準相比X-30雖然降低不少，但依然在研制中遇到了大量技術(shù)難題。復(fù)合材料液氫燃料箱的研制失敗更是導(dǎo)致項目在2000年末出現(xiàn)嚴重超支現(xiàn)象。NAsA于2001年3月決定停止向X-33撥款，這時驗證機已經(jīng)完成75％，洛一馬本可采用自籌資金的方式完成飛機的制造，但在權(quán)衡一番后，制造商還是選擇了放棄。

X-30和X-33的相繼失敗凸顯出未來有翼航天器的技術(shù)難度復(fù)雜性遠遠超出了人們的預(yù)期。但這兩個計劃仍在相關(guān)技術(shù)上做出了有益的探索，他們的設(shè)計確定了美國未來有翼航天器的基本方向。為兩個項目開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)在后續(xù)的驗證機計劃中得到了很好的應(yīng)用。

未來探索

在X-30和X-33進行的同時，NASA還進行了其他多項未來航天飛機技術(shù)的研究，并推出了X-34、X-37、X-40、X-43及X-51等一系列驗證機

N A S A干1993年發(fā)起了“低成本航天器研究”計劃，目標是將小型載荷(227公斤)的入軌成本壓縮至500~\"美元及以下。1994年10月19日，NASA正式提出與航天企業(yè)合作研制X-34航天器的計劃。次年3月8日，軌道科學(xué)公司的方案因在性能和成本方面最接近NAsA的要求而中選。

X-34是一架無尾三角翼布局無人機，機身結(jié)構(gòu)、蒙皮及燃料箱均主要以復(fù)合材料制造。飛機采用了先進的熱防護系統(tǒng)及材料，這也是整個計劃的重點驗證項目之一。飛機的機載設(shè)備以廉價為主要原則，使用了差動式全球定位系統(tǒng)、綜合飛機環(huán)境檢測系統(tǒng)及自動檢查裝置。按照設(shè)計，X-34可以攜帶186公斤載荷人軌。X-34的機翼為傳統(tǒng)的單塊式三角翼設(shè)計，后緣安裝了液壓制動襟副翼。垂尾為全動式，其后部設(shè)有相當(dāng)于垂尾面積1／3大小的氣動減速板。

飛機以一臺NASA馬歇爾宇航中心研制的M C-1發(fā)動機為動力，該發(fā)動機也是70年代末以來，美國開發(fā)的首種液體燃料火箭發(fā)動機。MC-1以經(jīng)濟適用為主要設(shè)計原則，大量使用了現(xiàn)成的商業(yè)部件，制造工藝和耗費的工時也明顯少于以往的同類發(fā)動機。MC-1長2.1米、寬1.21米，重908公斤，推力27240公斤，足以推動X-34在76200米的最大高度上以馬赫8的高速飛行。

首架X-34于1999年6月開始由1架L-1011客機搭載升空機型測試，首飛時間被定在2000年末。前三次試飛在白沙導(dǎo)彈試驗靶場進行，之后的全面性能測試改在肯尼迪航天中心附件的大西洋上空進行。盡管項目一直進展順利，但開支卻不斷攀升，日程也出現(xiàn)一些延誤。2001年3月，就在X-34即將開始試飛前，NASA宣布取消整個項目。

美國空軍與N A s A在上世紀90年代提出太空機動飛船(SMV)計劃，1999年波音獲得研制X-37驗證機的合約，該機后來發(fā)展成前段時間發(fā)射成功的X-37B。為降低X-37的技術(shù)風(fēng)險，波音制造了一個相當(dāng)于X-37體型90％比例測試平臺，這種代號X-40的驗證機是X-37B的亞音速測試平臺。

X-40于1998428月11日完成首次投放試驗，至2001年5月18日項目結(jié)束，共完成8次試飛，證明了X-37制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、軟件、數(shù)據(jù)計算系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)及氣動設(shè)計的有效性，為日后X-37B的研制做出了重要貢獻。

此外，超燃沖壓發(fā)動機是決定未來航天飛機成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。N A S A在1994年發(fā)起了前文提到的HySTR計劃，為該項目制造的3架X-43A無人驗證機分別在2001年6月2日、2004年3月30日和2004年11月6日完成各自的測試。除第一次試驗失敗外，其他兩次試驗均告成功，X-43A在最后一次測試飛出了馬赫9.8(12135公里／小時)的驚人記錄。今年5月26日，另外一種超燃沖壓發(fā)動機驗證機X-51A也在首次測試中取得成功，其詳情見我刊上期介紹，這里不再贅述。

這一階段美國在未來航天飛機研究上對基礎(chǔ)研究更加重視，X-34重點研究了長期困擾航天飛機的成本問題，意圖使未來的航天飛行變得更加廉價；X-40和X-37B的成功展現(xiàn)了未來航天飛機在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的潛力；X-43A和X-51A則充分驗證了超燃沖壓發(fā)動機的巨大潛力，可以肯定，在未來的航天飛機或空天飛機上，必然會有這種發(fā)動機的一席之地。

可以說，自航天飛機投入使用以來，美國從來就沒有停止過未來航天飛機的研究。當(dāng)中雖然遭遇到不少失敗，但在基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的長足進步卻不容忽視。待到一個成熟的時機，克服現(xiàn)有缺點的新一代航天飛機必將重新出現(xiàn)在地球蒼穹的盡頭。