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X-51A验证机进行首次高超声速飞行试验

作者:shuaishuai  时间:2019-07-15 16:55
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X-51A验证机进行首次高超声速飞行试验


X-51超燃冲压飞行器将成美全球打击新武器
    据《中国航空报》报道:近日,波音公司宣布,第一架X-51A验证机将于5月25日在美国爱德华兹空军基地进行首次高超声速飞行试验。

    作为美国空军、NASA和美国国防预先研究计划局(DARPA)联合提出的一项计划,X-51A验证机采用了普惠·罗克达因公司研制的一台SYJ61超燃冲压发动机,旨在验证吸气式高超声速推进技术的可行性。自2009年6月25日正式公开亮相后,X-51A验证机的试飞准备工作一直在紧锣密鼓地进行着,首次发射试验正在蓄势待发。

    研制背景

    X-51A验证机的问世直接来自于作战需求的牵引,曾经在研制与发展过程中几易其名。早在20世纪90年代末,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-乘波机”(SED-WR)。

    2004年1月,AFRL选择了波音公司(负责机体)和普惠公司(负责发动机)的联合研制队伍,要求制造一架SED-WR飞行试验平台,旨在通过飞行试验来验证超燃冲压发动机的技术是否成熟及其可行性。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。

    这项计划的近期目标是应用于一种高速、远程作战响应的攻击武器,远期目标是用于一种作战响应的空间平台。由此看出,如果试飞达到预期性能目标,那么X-51验证机所具有的气动外形和推进系统首先将会成为高超声速巡航导弹的设计构型。毫无疑问,X-51A计划朝着发展高超声速导弹迈出了实质性的第一步,将为五角大楼提供一种全新的“全球敏捷打击”(PGS)能力。因此,首次发射试验能否成功,引起了世界的广泛关注。

    总体设计

    X-51验证机在总体布局上采用了乘波构型,由楔形头部、升力体机身、腹部进气道和控制面所组成,外形如同一只鲨鱼。据介绍,X-51验证机的长度为4.26米,采用标准的镍合金制造,空重约635千克。作为一种全新的验证平台,它主要用于验证机体与发动机一体化、热防护系统材料、高速稳定性与控制等关键技术。

    X-51验证机采用专门设计的尖锐头部,可以按精确设计角度来分布和组织所需的激波系,使激波系产生的所有压力直接作用在机体下方提供所需的升力,从而将高超声速飞行中的不利因素转化为有利因素。

    乘波构型将高超声速下气流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。利用一个隔离段将高压气流调节到适合于燃烧室工作需要的稳定压力,尽管将气流减速会增加飞行器的阻力,但是可以实现更加完全的燃烧。随后,压缩空气与雾化的JP-7喷气燃料混合,在点火燃烧后产生推力。因为高超声速的飞行速度持续产生的温度高达4500摄氏度,燃料还作为冷却剂,以避免发动机壁面被熔化。

    它的头部采用了钨材料,外部覆盖了二氧化硅隔热层,以承受高温载荷。在高超声速飞行时,由于面临着压力、阻力和高温等因素的影响,X-51A验证机不得不充分考虑飞行控制的要求,为此,它在机身后部采用了4个控制面,分别起到俯仰控制和方向控制的作用。

    核心技术

    自2000年以来,普惠·罗克达因公司的高超声速计划队伍先后研制出世界上两台实用型碳氢燃料超燃冲压发动机的地面验证发动机,分别称为GDE-1型和GDE-2型。其中,前者采用开环燃油系统解决了碳氢燃料超燃冲压发动机的结构冷却问题,而后者采用了闭环燃油系统,为X-51A计划的发展铺平了道路。

    作为X-51验证机的动力装置,SJX61-1发动机的首台样机在2006年10月开始地面试验,验证了可以在马赫数4.5~6.5范围内的加速和稳定工作。通过这台发动机,普惠·罗克达因公司已经证实了这种推进技术已经不再局限于技术研究的范畴内,完全可以投入实际应用,同时基于SJX61-1的下一代实用发动机已经在制造之中。

    随着研制工作的顺利进展,普惠·罗克达因公司研制出SJX61-2发动机,降低了X-51A验证机发射试验的风险。这是一种实用化的超燃冲压发动机,采用了一个全权限数字式发动机控制系统和一个闭环热管理系统,地面试验中利用了X-51A验证机的乙烯瓶和燃油泵。

    作为超燃冲压发动机投入实用前的一个关键,SJX61-2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,以保持其冷却,同时,燃油也获得了足够的热量,可以比较容易地燃烧。因此,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,获得足够的热量,从而产生最大推力。

    在X-51A验证机内,燃油从SJX61-2发动机壁面内的细微通道中流过。当燃油从前向后流过整个发动机结构时,其热量与热交换器平板内的一种催化涂层相结合,在分解JP-7燃料后,燃油被向前输送到热燃气分配阀,将汽化的燃油喷射进入燃烧室。

  试飞程序

    在25日的首次发射试验中,B-52H飞机将在机翼下方挂载一个完整的X-51A试验系统,飞行到大约15000米高空后投放。首先,助推器持续燃烧30秒钟,将整个系统加速到马赫数4.6~4.8。在助推过程中,空气将进入X-51A验证机的超燃冲压发动机内,通过级间段流出,以便起动进气道,开始逐渐加热发动机及其燃油。

    在助推器分离后,X-51A验证机将借助惯性继续滑行数秒钟,然后在发动机内部依次点燃乙烯和燃油,达到热平衡后,仅利用JP-7燃料的燃烧实现不断加速。整个动力飞行过程大约300秒,预期飞行速度将达到马赫数6.5。随着全部燃料消耗殆尽,X-51A验证机将开始减速,接着是500秒的无动力飞行,逐渐下滑,最后坠落进太平洋。

    如果试飞顺利,X-51A验证机将持续飞行5分钟,并打破此前超燃冲压发动机持续点火燃烧创下的所有纪录。值得一提的是,5分钟续航时间只是局限于目前油箱的容量,如果设计一种更大的燃料箱,改进型飞行器可以非常容易地延长飞行时间。

    美国空军预计将在今年内陆续实施4次飞行试验,目标只有一个:点火、加速到设计马赫数。对于试飞结果,波音公司持有谨慎的态度,认为这些试飞总会出现意想不到的问题,如果能取得2次成功就已经令人满意。一旦试飞能够满足所预期的最低目标,这将成为航空动力技术发展的一次重大飞跃。

     可以看出,美国通过高超声速领域的多年研究,已经突破了各项关键技术的瓶颈,目前正在致力于高超声速技术的实用化。如果X-51A验证机的发射试验达到预期目标,这项计划将直接推动高超声速武器的型号研制,还将成为发展吸气式空间飞行器和全球打击/侦察系统的关键一步。

    目前,美国总统奥巴马正在考虑批准研制一种以超燃冲压发动机为动力的高超声速巡航导弹,美国空军则希望这种巡航速度达到马赫数6的远距空对地导弹能够在2015~2020年间问世,从而实现酝酿多年“全球敏捷打击”计划。此次发射试验能否取得成功,还是让我们拭目以待。

(来源:中国航空报)

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