美打造超高音速冲压飞机 形似外星飞船可达6倍音速 zt

美打造超高音速冲压发动机飞机形似外星飞船

几十年来，工程师一直在尝试制造出实用的超高音速冲压发动机——让飞机能在两个小时之内从纽约飞到东京。现在，重大的技术突破意味着超高音速旅行时代终于要来临了。

美国国防部预先研究计划局的HTV-3X，也就是所说的“黑色燕子”，应该是第一架真正可重复使用、能自由飞行的超音速冲压发动机飞机。这种无人驾驶飞机看上去就像是外星人的飞船，带有黑色的曲线、双刃剑一样的机头和椭圆形的尾喷口。作为美国国防部预先研究计划局“猎鹰”计划的一部分，它仍然处于计划阶段，但是它能代表自喷气式飞机诞生以来最大的气动技术突破，它将第一次全面验证一架超音速冲压发动机飞机完全依靠自身的动力，完成起飞、降落和飞行全过程所需的所有技术。

HTV-3X最早将于2012年开始首次试飞。它的完美试飞过程应该是这样:一架HTV-3X无人驾驶飞机从爱德华空军基地的机库内滑出，在两台常规涡轮发动机的驱动下，飞机在跑道上加速并飞上天空。在达到音速之前，始终会有一架观察机跟在它的后面。在HTV-3X的速度达到两倍音速之后，飞机切断涡轮发动机的工作，让气流进入超音速冲压发动机，尾气从与涡轮发动机相同的喷口喷出。此后飞机会加速到6倍音速，这个速度是人类建造过的速度最快的喷气式发动机最大速度的两倍。然后飞机减速到亚音速状态，切换到涡轮发动机，在机场跑道上降落。试飞全过程结束。

到目前为止，美国国防部预先研究计划局的官员依然对HTV-3X计划保持沉默。但是该局聘用的工程师已经在着手研制HTV-3X使用的发动机——交替工作的涡轮发动机和超音速冲压发动机。而且，人们普遍认为，洛克希德·马丁公司著名的“臭鼬工厂”已经开始了飞机的制造工作。

假如能够取得成功，HTV-3X将是第一架可重复使用的超音速冲压发动机飞机。它能从普通跑道起飞后，然后以6倍音速在空中飞行，最后安全着陆。


SR-71
在此之前，世界上飞行速度最快的飞机是SR-71“黑色怪鸟”间谍飞机，它的最大飞行速度是3.3马赫，这个纪录是1990年一架SR-71从洛杉矶飞向华盛顿的时候创造的，这个速度几乎已经是喷气式飞机的极限。绝大多数飞机的最大飞行速度都要远远低于这个数字，即使是飞行速度较快的战斗机一般也不会超过1.6马赫。而在理论上，超音速冲压发动机能让飞机的速度达到15马赫，将近1.6万千米/小时。这意味着，一架超音速冲压发动机飞机只需要两个小时就能从纽约飞到东京。

这还意味着假如以超音速冲压发动机飞机作为发射平台，几分钟之内导弹就能打到地球上任何一个角落，明白了这点你就能理解为什么几乎今天所有的军事大国都在竞相研究这种发动机了。现在，在经过几十年的研究之后，超音速冲压发动机终于走下了图纸，将要来到我们身边了。

“短命”引擎

去年3月，一群工程师聚集在美国航空航天局朗利研究中心高温隧道的控制室里面。他们来自PWR公司。5、4、3、2、1……短暂的倒计时后，一股甲烷燃烧发出的蓝色火焰咆哮着从高温隧道里面喷了出来，它发出的声音听起来就像是发射台上的火箭发出来的一样。实际上，这个感觉错得并不是太远。“发动机进入。”当火焰达到最大时，一名试验主管大声喊道。他的话音刚落，一个表面覆盖着铜板的倾斜基座从地板下面升了起来，将一台名为“X-1”的试验用超音速冲压发动机带进了地狱一样的环境里。“保持正确的迎角！”当发动机开始在基座上缓慢倾斜时，那名试验主管喊道。“让发动机保持在中线上，点火！”一股温度超过1100摄氏度的废气混合着甲烷从发动机的尾部喷了出来。随着推力的逐渐加大，火焰也越来越明亮。1分钟之后，发动机沉寂了下来，又消失在了地板的下面。

这次试验是X-51A飞行试验项目的一部分。X-51A项目是由美国空军研究实验室和美国国防部预先研究计划局共同资助的，这个项目的目的是建造出能和火箭飞得一样快的喷气式飞机。而取得成功的关键就是超音速冲压发动机，这种发动机能在极高的速度下吸入空气，然后将空气压缩，使其温度达到几千摄氏度，然后将高压空气与燃料混合，获得比以往任何发动机更大的推力和更高的速度。

X-51A

最终用于X-51A飞机的X-1超音速冲压发动机是到目前为止人们建造过的最先进的冲压发动机。上面进行的试验就是要测试当飞机的速度超过6倍音速、有大量热量积聚时发动机的状况。PWR公司X-51A项目的主管柯蒂斯·伯杰说，“在所有这些试验中，发动机总的工作时间只有17.8分钟。”他顿了一下，以便让我能理解这件事。“但是对于一台超音速冲压发动机来说，超过17分钟的工作时间已经很长了。”


突破时限

2002年，澳大利亚昆士兰大学高超音速中心HyShot项目的研究人员创造了历史——他们成功进行了人类历史上第一次超音速冲压发动机飞行试验:使一台小型超音速冲压发动机在5秒钟内达到了7.6倍音速，速度超过了8000千米/小时；并得以在实验室风洞之外，在超高温和超调整下以低成本搜集到了超音速冲压发动机的工作数据。

在那以后，美国军方和昆士兰大学就多个项目展开了合作。尽管到目前为止进行的所有试验中，所有发动机的工作时间都只有几秒钟，但是研究人员仍然取得了重大的技术突破。

2004年，美国航空航天局无人驾驶的X-43A验证机达到了9.6倍音速，创造了喷气式飞机的速度纪录，是超音速冲压发动机工作了10秒钟，使其达到了这个速度。而澳大利亚HyCause项目(HyShot的后续项目)的研究人员在去年夏天进行的一次试验中，试验机的速度达到了10倍音速，但是超音速冲压发动机仅工作了3秒钟。

X-43A

一台超音速冲压发动机只要能维持工作几分钟，就足以驱动一枚高超音速远程导弹，而这也正是美国军方的最低目标。

然而，要想进入实用阶段，也就是携带有效载荷、由飞行员驾驶飞机在跑道上起飞和降落，超音速冲压发动机的工作时间需要更久，这就是X-51A飞行试验项目的目标。

到目前为止，X-1发动机经受了其他超音速发动机所从未面对的严酷环境的考验。X-1由钢镍合金制造，能够承受1150摄氏度的高温，而且前缘覆盖着能耐更高温度的碳纤维网。

然而，即使这样仍然无法满足发动机工作时的高温环境，于是项目人员从火箭设计师那里借鉴了一项通常用来循环燃料的技术——燃料在进入燃烧室之前，首先在发动机壳体内的管道内循环。这样不仅降低了燃烧室的温度，还能对燃油进行预处理，将其变成高温的蒸气，将燃油提高10%。

X-51A项目的目标是让超音速冲压发动机能不间断地工作5分钟，这是因为目前飞机油箱里装的燃油只够发动机工作这么长时间。假如5分钟的目标能够实现，那么只要换上更大的油箱，发动机的工作时间就能很容易提高到1个小时乃至更长。

X-1目前已经不再处于技术研发阶段。以X-1为基础的下一代发动机已经在PWR位于美国佛罗里达的工厂开始制造。

假如运气好的话，到明年X-51A将打破现有的超音速冲压发动机飞机的一切纪录。按照PWR公司项目人员的试飞构想，X-51A有可能在5分钟时间里加速到6倍音速。最后飞机坠入太平洋，岸上的工程师通过遥测安全地取回所有数据。

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.

这次试飞还将标记一个伟大的时刻:在超音速冲压发动机从实验室里面昙花一现的技术变成了实用的工具。“这是一架飞机。”伯杰说，“而不是随便将超音速冲压发动机绑在什么东西上，点火后看着它能飞到哪儿。在飞机上应用要比用作某种武器复杂得多，我们需要制造出能自由飞行、大小合适的飞行工具。”

回溯

曾经最负盛名的超音速冲压发动机项目是美国的国家航空航天飞机项目(NASP)。美国前总统里根于1986年在国情咨文中公布了这个项目，并将其称为“东方快车”，因为它从杜勒斯机场起飞后，两个小时就能到达东京。NASP按照一个通用的平台，能满足各种不同的需求:成为美国下一代航天飞机，成为美国空军的高超音速轰炸机，成为下一代高超音速大型客机。当时的计划是在上世纪90年代完成整个项目，但是到了1994年，项目难以为继，时任美国总统的克林顿终止了这个项目。