全球最快的飛行器

【專家解說(shuō)】：世界上最快的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)是前蘇聯(lián)研制的米格-31戰(zhàn)斗機(jī)。速度約3.1馬赫。最快的轟炸機(jī)是美國(guó)的FB-111A的最快速度為2.5馬赫，但最快的有人飛機(jī)的速度是偵察機(jī)SR-71“黑鳥”創(chuàng)造的，為3。2馬赫。目前美國(guó)的無(wú)人飛機(jī)，X-43A創(chuàng)造的飛行速度大約了7倍音速，未來(lái)還要沖擊10倍音速。 2004年3月27日，太平洋標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間中午12時(shí)40分，一架B－52轟炸機(jī)攜帶“包裹”著X－43A試驗(yàn)機(jī)的“飛馬”火箭離開(kāi)地面。經(jīng)過(guò)1個(gè)多小時(shí)的飛行，于下午2時(shí)在離太平洋海面大約12000米的高空投下了“飛馬”火箭，這個(gè)高度為“飛馬”火箭的正常發(fā)射高度，有助于減少火箭控制表面承受的大氣載荷。隨即，火箭點(diǎn)火爬升到大約28500米的高空。這時(shí)，X－43A從火箭中分離出來(lái)，依靠自身的超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)工作了大約10秒鐘，最高時(shí)速達(dá)到8000公里，相當(dāng)于7馬赫。這一速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了美國(guó)高空偵察機(jī)“SR－71”（俗稱“黑鳥”）于1964年創(chuàng)下的3.2馬赫的紀(jì)錄，同時(shí)也超過(guò)了美國(guó)航空航天局采用火箭助推的X－15試驗(yàn)機(jī)的最高速度6.7馬赫。此后，發(fā)動(dòng)機(jī)停止工作，X－43A在空中自由滑行約6分鐘后，按預(yù)定計(jì)劃墜入加利福尼亞州附近的太平洋海域。 高超音速飛機(jī)什么樣？ 1994年11月，鑒于經(jīng)費(fèi)緊張，美國(guó)政府取消了航空航天局耗資龐大的國(guó)家天空飛機(jī)計(jì)劃，研制中的X－30試驗(yàn)機(jī)被迫下馬。順應(yīng)航空航天局新提出的“更好、更快、更廉價(jià)”的航空航天戰(zhàn)略，Hyper－X計(jì)劃項(xiàng)目孕育而生，它研究的核心內(nèi)容為X－43試驗(yàn)飛機(jī)。 “Hyper”代表“高超音速”；“X”代表“試驗(yàn)”?！癏yper－X”表示的是“高超音速試驗(yàn)”， 而“X－43”表示的是美國(guó)航空航天局第43種試驗(yàn)飛機(jī)。X－43有3種型號(hào)，它們分別是X－43A、X－43B和X－43C。目前，除X－43A進(jìn)行了兩次試飛外，其他兩種還在研制過(guò)程中。 X－43A同下馬的X－30有人駕駛單級(jí)入軌NASP飛機(jī)不僅外型相仿，而且所要試驗(yàn)的發(fā)動(dòng)機(jī)方案也相同，它們均為與機(jī)身一體化的超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。X－43A的前機(jī)體設(shè)計(jì)成能產(chǎn)生激波的形狀，以對(duì)進(jìn)入超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道（安裝在機(jī)體下方）的空氣進(jìn)行壓縮。X－43A試驗(yàn)飛機(jī)擁有先進(jìn)的扁平小巧的機(jī)身，機(jī)身長(zhǎng)3.6米，翼展1.5米，重量約為1噸。在X－43A研究眾多的目的中，驗(yàn)證同機(jī)身一體化的沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)/超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)名列榜首，其次為空氣動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)的開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)工具的驗(yàn)證和吸氣高超音速飛行器的多種方式。 為何要借助B－52轟炸機(jī)？ 高超音速飛行X－43A采用的是高超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料為飛機(jī)上攜帶的液態(tài)氫，助燃劑（氧化劑）為空氣中的氧。顯然，在靜止?fàn)顟B(tài)下，高超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法獲得足夠的氧，因此X－43A飛機(jī)不能像戰(zhàn)斗機(jī)或民航客機(jī)那樣靠自身的動(dòng)力自行從地面起飛。只能借助B－52型轟炸機(jī)和“飛馬”助推火箭。 強(qiáng)大推力靠什么產(chǎn)生？ 飛行速度達(dá)到7馬赫，新的記錄誕生了！其最為重要的原因是超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)大推力。 高超音速飛機(jī)采用的是超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，它類屬于沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的原理由法國(guó)人雷恩?洛蘭于1913年提出，1939年首次被德國(guó)用于V－1飛彈上。沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道、燃燒室、推進(jìn)噴管三部分組成，它比渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)單得多。沖壓是利用迎面氣流進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)后減速、提高靜壓的過(guò)程。該過(guò)程不需要高速旋轉(zhuǎn)的、復(fù)雜的壓氣機(jī)。高速氣流經(jīng)擴(kuò)張減速，氣壓和溫度升高后，進(jìn)入燃燒室與燃油混合燃燒，溫度為2000—2200℃，甚至更高，經(jīng)膨脹加速，由噴口高速排出，產(chǎn)生推力。 沖壓噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)目前分為亞音速、超音速、超音速燃燒（或高超音速）三類。亞音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)以航空煤油為燃料，采用擴(kuò)散形進(jìn)氣道和收斂形噴管，飛行時(shí)增壓比不超過(guò)1.89。速度在小于0.5馬赫時(shí)一般無(wú)法工作。超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)采用超音速進(jìn)氣道，燃燒室入口為亞音速氣流，采用收斂形或收斂擴(kuò)散形噴管。用航空煤油或烴類作為燃料。推進(jìn)速度為2至5馬赫，可用于超音速靶機(jī)和地對(duì)空導(dǎo)彈。超音速燃燒（高超音速）發(fā)動(dòng)機(jī)是一種使用碳?xì)淙剂匣蛞簹淙剂闲路f的發(fā)動(dòng)機(jī)，空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的流速始終保持為超音速，飛行速度高達(dá)5至16馬赫。 與噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)有何不同？ 今天噴氣式飛機(jī)使用的最普通的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)是渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)。帶有外涵道的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的早期設(shè)計(jì)出現(xiàn)在20世紀(jì)30年代。40和50年代，人們對(duì)早期的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。然而，由于對(duì)風(fēng)扇葉片設(shè)計(jì)制造的要求非常高，因此直到60年代，人們才得以制造出符合渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)要求的風(fēng)扇葉片，從而揭開(kāi)了渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)用化的階段。渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣道、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管組成，發(fā)動(dòng)機(jī)利用氣壓機(jī)先對(duì)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣進(jìn)行壓縮，壓縮的空氣和燃料混合并被點(diǎn)燃，隨后氣體爆炸推動(dòng)飛機(jī)前進(jìn)，后面的渦扇和前面的壓縮機(jī)處在同一根軸承上。 超音速燃燒發(fā)動(dòng)機(jī)同渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)存在不同。其實(shí)，它也有別于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。雖然，多級(jí)火箭的速度極高，可達(dá)20多馬赫，但是它攜帶著全部的燃料，因而在相同體積的情況下，其有效負(fù)載低于安裝有超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器。 為何進(jìn)行高超音速試驗(yàn)？ 此項(xiàng)試驗(yàn)重要目的在于演示與機(jī)身一體化的吸氣超高音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)。采用該技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)，所需要的、同液態(tài)氫進(jìn)行燃燒的氧氣來(lái)自大氣層中的空氣，而不是飛機(jī)或飛行器自身攜帶的液態(tài)氧。吸氣超高音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)被認(rèn)為在未來(lái)將廣泛用于高超音速飛機(jī)和重復(fù)使用的發(fā)射器。其原因是這些飛行器在使用吸氣超高音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)后，由于免除了液態(tài)氧的位置和重量，因而能夠提高有效負(fù)載量或減小自身體積。 Hyper-X計(jì)劃的目標(biāo)是為人類通向高超音速積累知識(shí)、樹立信心和完善技術(shù)。X-43A試飛成功，為進(jìn)一步研究采用吸氣超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的高超音速飛機(jī)打下了基礎(chǔ)。然而，高超音速何時(shí)能實(shí)際應(yīng)用至今還是一個(gè)未知數(shù)。無(wú)論今后進(jìn)展快或慢，有一點(diǎn)可以肯定，那就是盡管在今后20年內(nèi)，美國(guó)航空航天局表面上講只是打算開(kāi)發(fā)、測(cè)試和試飛高超音速技術(shù)，以支持開(kāi)發(fā)未來(lái)重復(fù)使用的發(fā)射器和加強(qiáng)太空探索。但是，一旦該發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)成熟，它將有潛力用于其他目的。例如，攜帶（常規(guī)或核）武器實(shí)施同導(dǎo)彈相同的遠(yuǎn)程攻擊任務(wù)，其將氧燃料的重量換成武器負(fù)荷的能力使得它具有更強(qiáng)打擊力；或者說(shuō)，它小巧的體積更難讓對(duì)手捕捉到自己。 首次試飛為什么失??？ 根據(jù)原計(jì)劃，X－43A應(yīng)在2000年1月至2001年9月內(nèi)完成擬訂的3次試飛。但是，由于種種原因，特別是2001年6月的第一次試飛失敗，整個(gè)項(xiàng)目被迫推遲。在那次試飛中，“包裹”著X－43A的助推火箭在7000多米的空中由B－52型轟炸機(jī)放下后，雖然順利點(diǎn)火，但是不久就偏離航線，同時(shí)出現(xiàn)翻滾的現(xiàn)象，無(wú)奈之中研究人員只好啟動(dòng)緊急按鈕，帶有X－43A的火箭在空中自毀。盡管X－43A當(dāng)時(shí)沒(méi)有來(lái)得及同火箭分離，但是研究人員表示他們?nèi)匀猾@得了不少寶貴的、有助于下次試飛的資料。 第二次試飛原定于今年2月，由于11日在對(duì)X－43A的方向舵致動(dòng)器進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，因一名技術(shù)人員操作失誤導(dǎo)致致動(dòng)器出現(xiàn)故障，盡管該故障可能不會(huì)影響致動(dòng)器的功能。但是，為保險(xiǎn)起見(jiàn)，航空航天局還是決定更換致動(dòng)器，并重新計(jì)算飛行剖面。 下一步還要進(jìn)行哪些試驗(yàn)？ 2010年以前，最大的吸氣高超音速試驗(yàn)機(jī)X－43B將進(jìn)行試飛。X－43B將采用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和吸氣超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組合動(dòng)力。這種發(fā)動(dòng)機(jī)組合十分適合高超音速飛機(jī)，因?yàn)樗梢宰詣?dòng)調(diào)整推動(dòng)力以使飛行達(dá)到最佳速度。當(dāng)飛機(jī)的速度只有兩倍音速左右時(shí)，飛機(jī)借助渦扇噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)前進(jìn)，這同普通飛機(jī)沒(méi)有兩樣；當(dāng)飛機(jī)在以高超音速飛行時(shí)（5至15馬赫），它就開(kāi)始利用吸氣超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)。 現(xiàn)在，美國(guó)航空航天局的一研究中心已領(lǐng)命研究高馬赫渦輪推進(jìn)技術(shù)———革命性渦輪加速器（RTA）。計(jì)劃在2010年內(nèi)，讓采用了以RTA技術(shù)的燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)能將飛行器的速度提升到4馬赫以上。通常，超音速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的推力同飛機(jī)重量的比值不超過(guò)4，而未來(lái)利用RTA技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的這一比值可達(dá)15至20。如果可能的話，航空航天局準(zhǔn)備將小型的渦輪加速器演示機(jī)同雙模式超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合用于X－43B試驗(yàn)機(jī)的試飛。 X－43C是X－43A計(jì)劃的繼續(xù)，X－43A用于演示飛行器在7馬赫和10馬赫速度的時(shí)候超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的短期飛行性能，而X－43C計(jì)劃將演示裝有超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器從5馬赫加速到7馬赫時(shí)的自由飛行性能和超音速燃燒沖壓負(fù)電荷的性能。X－43C試驗(yàn)機(jī)采用的發(fā)動(dòng)機(jī)將有普通沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超音速?zèng)_壓發(fā)動(dòng)機(jī)這兩種工作模式。X－43C演示飛行時(shí)，它將被火箭推進(jìn)器加速到5馬赫的速度，并送到大約24000米的高度。隨后，X－43C將與推進(jìn)器分離，并使用自身的動(dòng)力和自動(dòng)控制系統(tǒng)將速度提高到7馬赫。