美打造超高音速衝壓飛機 形似外星飛船可達6倍音速 zt

美打造超高音速衝壓發動機飛機形似外星飛船

幾十年來，工程師一直在嚐試製造出實用的超高音速衝壓發動機——讓飛機能在兩個小時之內從紐約飛到東京。現在，重大的技術突破意味著超高音速旅行時代終於要來臨了。

美國國防部預先研究計劃局的HTV-3X，也就是所說的“黑色燕子”，應該是第一架真正可重複使用、能自由飛行的超音速衝壓發動機飛機。這種無人駕駛飛機看上去就像是外星人的飛船，帶有黑色的曲線、雙刃劍一樣的機頭和橢圓形的尾噴口。作為美國國防部預先研究計劃局“獵鷹”計劃的一部分，它仍然處於計劃階段，但是它能代表自噴氣式飛機誕生以來最大的氣動技術突破，它將第一次全麵驗證一架超音速衝壓發動機飛機完全依靠自身的動力，完成起飛、降落和飛行全過程所需的所有技術。

HTV-3X最早將於2012年開始首次試飛。它的完美試飛過程應該是這樣:一架HTV-3X無人駕駛飛機從愛德華空軍基地的機庫內滑出，在兩台常規渦輪發動機的驅動下，飛機在跑道上加速並飛上天空。在達到音速之前，始終會有一架觀察機跟在它的後麵。在HTV-3X的速度達到兩倍音速之後，飛機切斷渦輪發動機的工作，讓氣流進入超音速衝壓發動機，尾氣從與渦輪發動機相同的噴口噴出。此後飛機會加速到6倍音速，這個速度是人類建造過的速度最快的噴氣式發動機最大速度的兩倍。然後飛機減速到亞音速狀態，切換到渦輪發動機，在機場跑道上降落。試飛全過程結束。

到目前為止，美國國防部預先研究計劃局的官員依然對HTV-3X計劃保持沉默。但是該局聘用的工程師已經在著手研製HTV-3X使用的發動機——交替工作的渦輪發動機和超音速衝壓發動機。而且，人們普遍認為，洛克希德·馬丁公司著名的“臭鼬工廠”已經開始了飛機的製造工作。

假如能夠取得成功，HTV-3X將是第一架可重複使用的超音速衝壓發動機飛機。它能從普通跑道起飛後，然後以6倍音速在空中飛行，最後安全著陸。


SR-71
在此之前，世界上飛行速度最快的飛機是SR-71“黑色怪鳥”間諜飛機，它的最大飛行速度是3.3馬赫，這個紀錄是1990年一架SR-71從洛杉磯飛向華盛頓的時候創造的，這個速度幾乎已經是噴氣式飛機的極限。絕大多數飛機的最大飛行速度都要遠遠低於這個數字，即使是飛行速度較快的戰鬥機一般也不會超過1.6馬赫。而在理論上，超音速衝壓發動機能讓飛機的速度達到15馬赫，將近1.6萬千米/小時。這意味著，一架超音速衝壓發動機飛機隻需要兩個小時就能從紐約飛到東京。

這還意味著假如以超音速衝壓發動機飛機作為發射平台，幾分鍾之內導彈就能打到地球上任何一個角落，明白了這點你就能理解為什麽幾乎今天所有的軍事大國都在競相研究這種發動機了。現在，在經過幾十年的研究之後，超音速衝壓發動機終於走下了圖紙，將要來到我們身邊了。

“短命”引擎

去年3月，一群工程師聚集在美國航空航天局朗利研究中心高溫隧道的控製室裏麵。他們來自PWR公司。5、4、3、2、1……短暫的倒計時後，一股甲烷燃燒發出的藍色火焰咆哮著從高溫隧道裏麵噴了出來，它發出的聲音聽起來就像是發射台上的火箭發出來的一樣。實際上，這個感覺錯得並不是太遠。“發動機進入。”當火焰達到最大時，一名試驗主管大聲喊道。他的話音剛落，一個表麵覆蓋著銅板的傾斜基座從地板下麵升了起來，將一台名為“X-1”的試驗用超音速衝壓發動機帶進了地獄一樣的環境裏。“保持正確的迎角！”當發動機開始在基座上緩慢傾斜時，那名試驗主管喊道。“讓發動機保持在中線上，點火！”一股溫度超過1100攝氏度的廢氣混合著甲烷從發動機的尾部噴了出來。隨著推力的逐漸加大，火焰也越來越明亮。1分鍾之後，發動機沉寂了下來，又消失在了地板的下麵。

這次試驗是X-51A飛行試驗項目的一部分。X-51A項目是由美國空軍研究實驗室和美國國防部預先研究計劃局共同資助的，這個項目的目的是建造出能和火箭飛得一樣快的噴氣式飛機。而取得成功的關鍵就是超音速衝壓發動機，這種發動機能在極高的速度下吸入空氣，然後將空氣壓縮，使其溫度達到幾千攝氏度，然後將高壓空氣與燃料混合，獲得比以往任何發動機更大的推力和更高的速度。

X-51A

最終用於X-51A飛機的X-1超音速衝壓發動機是到目前為止人們建造過的最先進的衝壓發動機。上麵進行的試驗就是要測試當飛機的速度超過6倍音速、有大量熱量積聚時發動機的狀況。PWR公司X-51A項目的主管柯蒂斯·伯傑說，“在所有這些試驗中，發動機總的工作時間隻有17.8分鍾。”他頓了一下，以便讓我能理解這件事。“但是對於一台超音速衝壓發動機來說，超過17分鍾的工作時間已經很長了。”


突破時限

2002年，澳大利亞昆士蘭大學高超音速中心HyShot項目的研究人員創造了曆史——他們成功進行了人類曆史上第一次超音速衝壓發動機飛行試驗:使一台小型超音速衝壓發動機在5秒鍾內達到了7.6倍音速，速度超過了8000千米/小時；並得以在實驗室風洞之外，在超高溫和超調整下以低成本搜集到了超音速衝壓發動機的工作數據。

在那以後，美國軍方和昆士蘭大學就多個項目展開了合作。盡管到目前為止進行的所有試驗中，所有發動機的工作時間都隻有幾秒鍾，但是研究人員仍然取得了重大的技術突破。

2004年，美國航空航天局無人駕駛的X-43A驗證機達到了9.6倍音速，創造了噴氣式飛機的速度紀錄，是超音速衝壓發動機工作了10秒鍾，使其達到了這個速度。而澳大利亞HyCause項目(HyShot的後續項目)的研究人員在去年夏天進行的一次試驗中，試驗機的速度達到了10倍音速，但是超音速衝壓發動機僅工作了3秒鍾。

X-43A

一台超音速衝壓發動機隻要能維持工作幾分鍾，就足以驅動一枚高超音速遠程導彈，而這也正是美國軍方的最低目標。

然而，要想進入實用階段，也就是攜帶有效載荷、由飛行員駕駛飛機在跑道上起飛和降落，超音速衝壓發動機的工作時間需要更久，這就是X-51A飛行試驗項目的目標。

到目前為止，X-1發動機經受了其他超音速發動機所從未麵對的嚴酷環境的考驗。X-1由鋼鎳合金製造，能夠承受1150攝氏度的高溫，而且前緣覆蓋著能耐更高溫度的碳纖維網。

然而，即使這樣仍然無法滿足發動機工作時的高溫環境，於是項目人員從火箭設計師那裏借鑒了一項通常用來循環燃料的技術——燃料在進入燃燒室之前，首先在發動機殼體內的管道內循環。這樣不僅降低了燃燒室的溫度，還能對燃油進行預處理，將其變成高溫的蒸氣，將燃油提高10%。

X-51A項目的目標是讓超音速衝壓發動機能不間斷地工作5分鍾，這是因為目前飛機油箱裏裝的燃油隻夠發動機工作這麽長時間。假如5分鍾的目標能夠實現，那麽隻要換上更大的油箱，發動機的工作時間就能很容易提高到1個小時乃至更長。

X-1目前已經不再處於技術研發階段。以X-1為基礎的下一代發動機已經在PWR位於美國佛羅裏達的工廠開始製造。

假如運氣好的話，到明年X-51A將打破現有的超音速衝壓發動機飛機的一切紀錄。按照PWR公司項目人員的試飛構想，X-51A有可能在5分鍾時間裏加速到6倍音速。最後飛機墜入太平洋，岸上的工程師通過遙測安全地取回所有數據。

The X-51A is a concept plane that will demonstrate the scalability of scramjets, engines that achieve speeds similar to rockets but that use air from the atmosphere to burn fuel. In this kind of plane, the engine becomes part of the body of the plane itself (or vice versa). The X-51A will reach Mach 6.5 thanks to new concepts introduced in its design, high temperature materials and airframe/engine integration.

這次試飛還將標記一個偉大的時刻:在超音速衝壓發動機從實驗室裏麵曇花一現的技術變成了實用的工具。“這是一架飛機。”伯傑說，“而不是隨便將超音速衝壓發動機綁在什麽東西上，點火後看著它能飛到哪兒。在飛機上應用要比用作某種武器複雜得多，我們需要製造出能自由飛行、大小合適的飛行工具。”

回溯

曾經最負盛名的超音速衝壓發動機項目是美國的國家航空航天飛機項目(NASP)。美國前總統裏根於1986年在國情谘文中公布了這個項目，並將其稱為“東方快車”，因為它從杜勒斯機場起飛後，兩個小時就能到達東京。NASP按照一個通用的平台，能滿足各種不同的需求:成為美國下一代航天飛機，成為美國空軍的高超音速轟炸機，成為下一代高超音速大型客機。當時的計劃是在上世紀90年代完成整個項目，但是到了1994年，項目難以為繼，時任美國總統的克林頓終止了這個項目。