作者：李 达
《现代军事》 2010年第3期


　　据美国空军官方网站2009年12月11日报道，波音公司研制的绰号为“乘波者”(WaveRider)的X－51A验证机已于12月9日首次成功升空，用项目负责人查理·布林科的话说，“这是最伟大的{yt}”。X－51A首先由B－52H飞机携带飞行至大约15000米的高空后从吊臂下释放，助推级点火工作约30秒，将飞行器推到18000米高空并达到马赫数4.5的速度。在助推过程中，空气进入发动机内，通过级间段流出，逐渐加热发动机及其燃料。在助推级燃料燃尽后，助推级与中间级和巡航级分离。分离未采用猛烈的爆破方式，而是采用机械方式进行。中间级分离后，巡航级在无动力状态下滑翔数秒钟，然后超燃冲压发动机点火开始进入高超声速试验阶段。巡航级的发动机点火后工作300秒，使飞行器爬升到大约24000米的高度，且速度{zg}达到了惊人的马赫数7，超过预期的马赫数6。发动机熄火后，飞行器在500秒的下降阶段内进行机动飞行，{zh1}溅落到太平洋海上。
　　在此之前美国进行过多次高超声速飞行器试验，其中包括国家空天飞机项目X－30和X－43A。它们都是为了研制一种新的航天运载工具，并不是直接用于军事。然而X－51A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年的研究和试验阶段。早在20世纪90年代末，美国国防高级研究计划局(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——乘波者”(SED-WR)。2004年1月，AFRL选择了波音公司(负责机体)和普拉特惠特尼公司(负责发动机)的联合研制队伍，要求制造一架SED— WRY，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。价值2.46亿美元的合同中，空军研究实验室投资占3／4，其余部分由美国国防高级研究计划局提供。至今，X－51A计划的进展还算比较顺利。普·惠公司于2008年11月交付给波音公司4台用于 X－51A验证机的超燃冲压发动机。2009年2月飞行试验准备工作在德莱顿飞行研究中心正式启动。同年6月25日德莱顿飞行研究中心接收到{dy}架 X－51A验证机并于7月6日起开始了与B－52飞机联合实施各种地面兼容试验。于2009年8?9月分别在爱德华兹试验场和太平洋上空进行了通信遥测系统测试和模拟演练，这一系列紧凑而充分的准备都是为了12月的首飞。
　　7.8米长的X－51A试验机由助推级，中间级和巡航级三级组成。其中巡航级长4.27米，质量为680千克，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。X－51A试验飞行器的巡航级采用了特殊的乘波构型。我们知道飞行器在大气中以超声速的速度飞行时，会产生一系列的激波，从而带来极大的波阻。然而采用专门设计的尖鼻锥头部，xx设计各部分的角度，合理分布产生的激波系，使激波系产生的压力直接作用于机体下方，可以提供一部分飞行所需的升力。采用乘波构型，还可以将高超声速飞行时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。由于X－51A无法从静止状态启动，必须用助推器给予一定的初速度，助推级是美陆军战术导弹系统的改进型，该系统增加了空气动力整流装置和钛制喷管。高超声速飞行所产生的大量热量使发动机结构外部也需要进行耐热处理。X－51A机身蒙皮采用了航天飞机的波音轻量烧蚀涂层的特殊喷涂处理技术，该技术能够耐受1260度的表面温度。这种涂层允许在飞行器结构中采用传统合金。比如质量约为31千克的铝制框架构成了发动机结构的主要部分。飞行器采用了68千克的钨制鼻锥，并在外部覆盖二氧化硅隔热层，而不是特殊的耐高温复合材料。
　　X－51A计划承担着一个重要的任务通过飞行试验来验证超燃；中压发动机技术是否成熟及其可行性。我们知道传统以涡轮发动机为动力的飞行器{zd0}飞行速度为马赫数3，冲压发动机典型的工作范围也只是在马赫数3.0-5.0之间，但当速度超过马赫数5时，空气在进气道内的滞止过程将发动机内的温度增加到某一值后，难以通过燃烧有效地增加更多的热量，工作效率将很低，甚至丧失推力，无法在高超声速领域应用。发动机是飞行器的心脏，X－51A能够实现长达5分钟的超高速飞行主要得益于超燃冲压发动机。5年前，在同一空域X－43A不可思议地以马赫数9.8的速度飞行了10秒，其发动机就是超燃冲压发动机。但是由于此重型铜制发动机缺乏有效的冷却方式，仅仅工作短短的十几秒就会熔化，没有太大的实用价值。X－51A验证机使用一种代号为SJX61— 2(简称X-2)的超燃冲压发动机，是一系列双模超燃冲压发动机中{zx1}的。该系列可以追溯到2001年AFRL取消X-30项目后启动的HySET计划中的性能测试发动机。{dy}台全尺寸地面验证发动机(GDEl)在2003年试车，其燃料系统是开放的。JP-7燃料的一部分用于发动机结构冷却，另一部分被加热并且注入超燃冲压发动机。在{dy}台发动机研制工作完成了95％时，NASA于2004年取消了HySET计划，但超燃冲压发动机还是完成了研制，并命名为GDE-2，且首次在热系统上实现了闭环，这样发动机就可以采用镍合金来制造，而无需采用更加笨重的高温材料。2006年10月，X-51 A验证机的首台样机X-1发动机开始地面试验，验证了发动机可以在马赫数4.5-6.5范围内稳定工作。
　　达到闭环燃料系统的热平衡是使超燃冲压发动机实用化的关键之一。X－2发动机是一种实用化的超燃冲压发动机，它采用了一个全数字式发动机控制系统和一个闭环热管理系统。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，以保持其有效地冷却，同时不会出现再次循环或者因多余而放出。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，使得发动机及其他结构不至于过热。在X－51A中，空气经进气道进入发动机后，首先与乙烯混合，然后是JP－7燃料，燃烧温度高达1870 度。为了防止发动机过热，燃料流过超声速冲压发动机壁上细小的管道用来当作冷却剂。当燃料从前向后流过整个发动机时，在热交换面上热结合接触反应涂层将 JP－7燃料“裂解”成更轻质易燃的气态碳氢燃料，然后被送入可将气化的燃料喷射到燃烧室的高温气体分流阀。同时设计人员通过大量的试验摸索出不同马赫数下的燃油喷嘴位置，确保了燃烧的稳定。因为JP－7需要一定的加热时间，因此X－51A的燃烧室采用喷射乙烯的方法来启动。易燃乙烯被用来启动燃烧和开始加热碳氢燃料，以便当注入超声速气流中时它更容易燃烧。X－51A试验飞行器内储存有2.7千克用于启动发动机的乙烯，但是能够容纳这些乙烯的储存箱占据了大部分的载荷空间，这是摆在设计者面前的一个难题。乙烯储箱尽管笨重，但是限于资金和技术，目前还是必须配备的。如果能有资金支持后续项目，X－51A项目负责人查理·布林克和波音公司项目经理约瑟芬·沃吉尔相信，新的“乘波者”飞行器的设计将只依靠JP－7作为燃料，这样就能够xxxx对乙烯的依赖。
　　按照试飞进度，到2010年2月底X－51A验证机总共还将进行3次飞行试验，4次飞行试验具有同一个目的，那就是发动机点火并尽可能加速到所能达到的{zd0}马赫数。但是第3、4次飞行将采用NASA兰利研究中心开发的专用软件，用于测量X－51A验证机在飞行过程中的各种气动参数。
　　虽然X－51A验证机的首次试验取得成功，但X－51A项目仍然面临着很大的风险。波音公司的x－51A项目官员称，仅依靠4次试验就成功完成高超声速飞行器(指X－51A)的飞行试验项目几乎是不可能的。尽管约瑟芬·沃吉尔对依靠有资金支持的4次试验的成功完成表示乐观，但他仍认为{zh0}能进行10次飞行。如果能寻求到新的资金来源，试验次数最少应该再增加2次。美国空军研究实验室(AFRL)X－51A项目负责人查理·布林克将高超声速飞行器比作巡航导弹技术。而巡航导弹的飞行试验是出了名的问题项目。在以往的巡航导弹项目中，最初的20次飞行试验中有10次是失败的。约瑟芬·沃吉尔说，他们已经设计了不同的X－51改进型，从B到H。计划中的X－51B将以一台Alliant技术系统公司的冲压发动机为动力，这是一种单级的亚声速燃烧发动机，它可使飞行器保持马赫数5的速度巡航飞行。这种发动机使用JP-10燃料，不需要乙烯加热燃烧室，只需硅烷作为点火源。
　　X－51A验证机的首次飞行获得成功，如果后续项目也进展顺利的话，那么这项计划将直接推动高超声速导弹武器的研制。这将使得美国空军离 “全球快速打击计划”更近一步。“全球快速打击计划”提出于上世纪90年代，目的是让美军能在1小时内用常规武器打击地球上的任何目标。该计划的关键就在于“速度”，配套研制的各种飞行器速度必须达到马赫数5。高超声速飞行器可以承担全球实时侦察，快速部署和远程xx打击任务，将大大改变未来战争的样式。尤其是最容易实现的高超声速巡航导弹，相比一般巡航导弹有如下优势：一是更快的反应速度。亚声速巡航导弹打击1000千米外的目标需要1个多小时，高超声速巡航导弹只需要不到10分钟。如洛克希德·马丁公司的AGM－165联合防区外发射空对地导弹(JASSM)实现打击480千米处的目标可能需要1小时；而与X－51A大小相当的“乘波者”导弹能够在10分钟内飞行965千米。二是更强的突防能力。现有的巡航导弹主要依靠超低空飞行与隐身技术突破防御，但由于速度太慢，暴露后很容易被拦截，在科索沃战争中就有数十枚“战斧”遭击落。而对在高空飞行的高超声速巡航导弹来说，现有的防空武器对它基本无计可施。三是更大的破坏力。高超声速武器具有惊人的动能，对钢筋混凝土的侵彻深度可达十几米，特别适合打击深埋于地下的指挥中心等坚固目标。高超声速巡航导弹一旦投入使用，则意味着美军不但拥有了{dj1}的导弹防御系统，在主动打击方面，也大步走在了世界最前列。未来发展怎样，我们试目以待。