本人拥有的美国原版高超音速飞行器全套设计手册中的部分页面
航空与太空是两种不同的航空技术,但又有着密不可分的关系性,航天器在进入太空时,必须穿越大气层,而在返航穿越大气层,在1960年代初,美国就设想了一种将航空与太空两种飞行技术的紧密结合的崭新构想,这是一种又可以在大气层内以正常飞机方式飞行,在正常机场起降,又能飞出大气层的跨大气层飞行器,但当时的喷气发动机需要吸入空气压缩燃烧再喷出,在没有空气的太空外无法运作,火箭发动机可在大气层内外运作,但所携带的推进剂比较笨重,比冲值小,技术条件与实际上相差太远,且使用需求并不明确,因此计划中止,
计划中止了25年后,美国开始有15个国家积极参加建造的空间站计划,在国际空间站施工至一定程度后,就要向空间站运送宇航员、物资及器材等补给任务,高峰期将达每年将近千次之多。这些任务如果使用运载火箭1年的运输费用将达到上百亿美元。这钱谁也花不起,为了省点钱,美国在1986年提出研发代号为X-30的航天飞机计划,最大的要求就是别象运载火箭那么浪费,应该可以在跑道起降并可重复使用,最好采用并兼具液态火箭发动机的混合式冲压发动机
美国空军也一眼看中其可执行发射、维修军事卫星的军事用途,洛克希德·马丁公司在1996年展开X-30研发计划,X-30概念机全长23m,不载人不设观测窗,采与航天飞机相同的起降模式,飞行速度13马赫,X-30计划于1991年11月因预算缩减被迫终止后,由其概念衍生而来的X-33冒险之星紧接着发展,这些计划都是为了更省钱的把东西和人送入太空,不过为了省钱X-33研发计划因为没钱了在2001年被丢一边去了
在X-33计划进行的同时,美国宇航局也做了多手准备,于1997年开始X-43的研制(即Hyper-X计划),以X-43A为基础研发飞行速度15马赫系列实验机,预定于2025年研制出首架实用化的空天飞机,X-43A设计要求充分利用大氧层中的氧气,减少飞行器自带的氧化剂以减轻起重量,还要可重复使用,除消耗推进剂外不抛任何助推器和可在跑道起降并可减少维修费用,飞行范围是从大层内到大气层外:速度最终达到25马赫。绕地球飞行一周只要数小时。
如此大的速度及操作环境变化·是目前现役任何单类型发动机所无法胜任,需要一种突破性的发动机,X43的采用使用液态氢为燃料冲压发动机作为动力来源,其结构由冲压涵道、燃烧室、尾管等三部所组成,构造简单,重量轻、推重比大,在超音速飞行时,气流进入发动机涵道中扩张减速·任气流自行压缩以提高压力将动能转装成压力能(如进气速度为3马赫时,理论上可使气体本身压力提高至37倍)
压力和温度升高后进入燃烧室与燃料混合燃烧,将温度提高至2000-2200℃·甚至更高,燃气由喷嘴高速排出后产生推力。但无法在静止的状态下起动,所以X43就以精准自动仪器公司制造X计划的飞马火箭为加速动力源。在到达冲压发动机能正常运作的巡航速度时火箭就与之脱离。
飞马火箭采3节式设计,全长16.9m(含长1.83m,直径1.17m的整流罩时),直径1.27m翼展6.7m,重达23130kg,总推力约97741.7kg,可将1枚重达453kg的微型卫星至低轨道,最大特色是具有三角翼,
X-43全长3.65m,宽1.52m,重997kg,最高飞行速度10马赫,框架是快速固化粉末治金工方式制造的高纯度耐高温合金材料,发动机与机身整合为一·构成高度流线化的乘波体外形。机身前段整合获动机涵道,后段机身整合发动机尾管在整合设计中,
说是空天飞机不够资格,只能和东风17一样列为乘波体高超音速飞行器,东风17我们是没机会看到其内部结构的了,但可以看看X-43的内部结构,虽然一个是武器级,一个是试验机,但同样是乘波体高超音速飞行器,机身内部的结构大同小异,也可供参考参考
乘波体高超音速飞行器面临的一个很大难题是需要多次进出大气层,每次重返皆会与空气剧烈摩擦而产生大量的热,机首处温度约为摄氏1800C,机尾温度约为1460C,机身下方约为980℃,机身上方约为760℃。隔热系统在起飞爬升阶段要承受发动机的冲击力、震动、空气动力,在重返阶段要经受频动,起落架收放及触地冲击等作用都要保持良好的气动力外型,航天飞机因受气动力热效应的时间短,机体表面覆盖的二氧化硅隔热瓷片即可达到满意的耐绝效果,但如果需要重复使用的空天飞机则无法使用这种一性的隔热瓷片,
X-43的解决方式是在机首、机翼前缘等局部高温区域使用导热效率特别高的热量交换管来吸收机体表面热量,以将热量转移到温度较低的部位。低温的推进剂也在夹层内或管道内流动吸收机表面摩擦所产生的热量。机首与机翼等部位最高温度处需用化硅缓维复合材料的隔热层,这种复合材料表面有碳化硅,重量轻且时高温性能好,
X-43A的首次试飞于2001年6月2日在澳大利亚附近的太平洋上空7300m高度展开,依据设定的程序,做为X-43A助推器的飞马火箭脱离NB-52B之后,火箭发动机就会点火起动,将X-43A推送到28500m高空。X-43A将在此高度动发动机使用本身动力以马赫7的速度飞行,20:45,1号机在发射并脱离NB-52B轰炸机的挂架,但飞马火箭随即偏离轨道失去控制。监测并纪录相关数据的地面飞行管制人员立即下达指令让X-43A和飞马火箭自行摧毁。首次试飞任务失败
2004年3月27日2号机由NB-52B轰炸机搭载从加州莫哈维沙漠西侧的爱德华空军基地起飞,飞行至13752m的高度后,带着X-43A的飞马火箭脱离NB-52B炸机的挂架,整个试飞任务进入关键阶段自由降落5秒钟后,高度比NB-52轰炸机低100m,此时飞马火箭第1节点燃,随后陆续点燃第2节及第3节?在80秒内将X-43A推送至近34380m的高空,
此时燃料烧完的飞马火箭与X-43A脱离,接着X-43A欧动发动机点燃发动机10秒钟后,X-43A的飞行速度达到马赫7。最后·X-43A从34380m,高空一路滑翔并进行一连串飞行动作以减速6分钟后坠入南加州海岸外约720km处的太平洋,整个试飞过程约10分钟。
3号机预定于2004年秋季试飞,测试目标10马赫,并预计2008年试飞改良型X-43B及X-43C全长约5.5m,构型仍与X-43A相同,助推器仍是飞马火箭。与X-43A不同的是X-43C使用JP-7航空燃油,不过11月16日3号机试飞后,试验团队已经明白如何在超音速下运作X-43就是一个大难题,因此以X-43A来达到2025年研制出首架实用化的乘波体高超音速飞行器其实是个遥不可及的梦想,团队也就此解散了
为什么美国会在这场世界最顶级的科技之争中起了个大早,赶了个晚集呢?关键还是在投资巨大的风洞,美国仅仅分析航天飞机重返大气层的空气动力就进行了10万小时的风洞测试,X-43的气动问题比航天飞机要复杂许多。
因为空天飞机飞行速度变化极大马赫数从0~25·在极音速范围内;飞行高度变化也很大,从地面到几百公里高的太空;航天飞机重返大气层时下降时间只有十几分钟,而太空天飞机则为1~2小时,解决空天飞机气动力问题可能需进行上百万小时的测试。
既使以一座每天24小时持续不停的测试要花费将近100多年的时间,当然有一百座就只需一年,更不幸的是美国现在连一座马赫数跨越如此大范围的测试风洞设施也没有,美国现有的风洞都是九十年代以前建立的老旧风洞,而对手有一整套的风洞群,没有实体风洞的帮助,美国研究人员只能用取巧的方式,以超级计算机仿真方式来解决气动问题,
不过仿真方式在可能性与实际之间存在一段很大的距离,导致真机试飞大多以失败告终,而且美国的超级计算机数量和计算能力也不及对手的一半,在这种世界最顶级的科技之争,想胜出不是靠吃老本,而是拼命砸钱,如同马拉松赛跑,美国经验丰富抢先领跑,慢慢体力不继(没钱),对手后来居上,逐渐赶超,英国就是最好的例子,发明了无数改变世界的科技,到最后,自己反而造不出了。
这是越南河内科技大学网站上看到的,图片中的文字意思是越南高速飞行器,介绍说可达5倍音速,可能纯粹某些人的设想图,并非实物。
这种高科技,不是谁都能成功的,参看
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