美國高超聲速技術(shù)驗證計劃美國X-51A項目總結(jié)與前景分析

驗證機測試結(jié)果x-51a是美國武裝部的一項重點高超速技術(shù)驗證計劃。2010—2013年,美空軍完成了計劃的4次飛行試驗,并在最后一次試驗中取得成功,驗證機實現(xiàn)了240s(含助推時間)的有動力飛行,最大飛行速度達(dá)Ma=5.1,飛行距離超過426km,創(chuàng)造了新的吸氣式高超聲速飛行記錄。X-51A項目的完成,標(biāo)志著美國取得了高超聲速關(guān)鍵技術(shù)的重大突破,具備了從試驗研究轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用的基本條件,為未來發(fā)展常規(guī)全球快速打擊能力和快速響應(yīng)進(jìn)入空間能力奠定技術(shù)基礎(chǔ)。1x-53a助力美國特點X-51A項目由美國空軍和國防高級研究計劃局(DARPA)聯(lián)合開展,主要目標(biāo)是通過飛行試驗,驗證碳?xì)淙剂?主動冷卻型超燃沖壓發(fā)動機的可行性;檢驗飛行器從Ma=4.5加速到Ma=6的飛行性能;驗證熱防護(hù)材料、機身與發(fā)動機的一體化設(shè)計以及高速飛行條件下驗證機的穩(wěn)定性與控制技術(shù)。從2004年啟動至今,美國為該項目累計投入約3億美元。圖1示出了X-51A項目的重要里程碑。X-51A項目的順利開展得益于完善的組織管理、周密的計劃安排和國家級研究團隊的大力協(xié)同。X-51A項目由空軍研究實驗室推進(jìn)委員會管理,普惠公司負(fù)責(zé)研制超燃沖壓發(fā)動機,波音公司鬼怪工廠負(fù)責(zé)驗證機的總體設(shè)計以及各分系統(tǒng)的組裝和測試,空軍飛行測試中心承擔(dān)飛行試驗的具體工作,NASA也為該項目提供技術(shù)支持并承擔(dān)發(fā)動機地面試驗任務(wù)。X-51A項目充分體現(xiàn)了美軍積極發(fā)展常規(guī)全球快速打擊能力和快速響應(yīng)進(jìn)入空間能力的戰(zhàn)略思想。美空軍計劃通過X-51A項目將超燃沖壓發(fā)動機的技術(shù)成熟度提高到6級水平,進(jìn)而發(fā)展更大尺寸的中型超燃沖壓發(fā)動機、大型超燃沖壓發(fā)動機,甚至組合循環(huán)發(fā)動機;對應(yīng)的裝備型號將從中近程高超聲速巡航導(dǎo)彈、遠(yuǎn)程高超聲速巡航導(dǎo)彈,發(fā)展到可重復(fù)使用的高超聲速巡航飛行器,甚至空天飛機。2碳?xì)淙剂?主動冷卻型超燃沖發(fā)動機x-65a乘波體構(gòu)型設(shè)計可顯著提高巡航級的氣動性能。專門設(shè)計的尖銳頭部可以按精確設(shè)計角度來分布和組織所需的激波系,使激波系產(chǎn)生的所有壓力直接作用在機體下方,從而提供升力。在產(chǎn)生升力的同時,乘波體構(gòu)型還可將激波聚集在腹部的矩形進(jìn)氣口,起到壓縮空氣的作用。碳?xì)淙剂?主動冷卻型超燃沖壓發(fā)動機是飛行器的核心。使用碳?xì)涮剂鲜荴-51A最顯著的特征。與氫燃料相比,碳?xì)淙剂细阌诤笄诰S護(hù),且存儲體積小,因此,使用碳?xì)淙剂媳黄毡橐曌骷夹g(shù)實用化的關(guān)鍵步驟。X-51A的發(fā)動機具有主動冷卻能力,發(fā)動機的殼體被設(shè)計成熱交換器的結(jié)構(gòu),一方面可利用JP-7碳?xì)淙剂侠鋮s發(fā)動機,另一方面燃料吸熱后還可以蒸發(fā)、催化裂解為小分子產(chǎn)物,提高燃燒效率。驗證機的主體結(jié)構(gòu)采用鋁、鋼、鉻鎳鐵合金和鈦等材料。巡航級的舵片前緣和進(jìn)氣道唇口前緣采用碳/碳復(fù)合材料。驗證機的上表面涂覆一層耐熱燒蝕材料,在驗證機的腹部粘貼了隔熱瓦。3氣動數(shù)據(jù)庫的建立X-51A項目在執(zhí)行過程中開展了大量地面試驗和仿真分析,為推動關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、確保設(shè)計研制工作的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。在空氣動力學(xué)研究方面,X-51A項目團隊通過地面風(fēng)洞試驗并結(jié)合數(shù)值仿真計算,首先獲得一些關(guān)鍵參數(shù)條件下的氣動數(shù)據(jù),進(jìn)而通過數(shù)據(jù)內(nèi)插/外推計算,形成完整的氣動數(shù)據(jù)庫。項目團隊針對14%比例的整體驗證機模型和20%比例的巡航級模型開展超過1700h、3200余次風(fēng)洞試驗;運行大約3000個歐拉算例,500個納維爾-斯托克斯算例,對驗證機安全分離、氣動加熱、飛行器性能、邊界層轉(zhuǎn)捩以及尾翼偏轉(zhuǎn)等進(jìn)行了研究。美國空軍在HyTech計劃下為X-51A的發(fā)動機系統(tǒng)完成許多基礎(chǔ)性的研發(fā)。部件級試驗包括:燃燒室直連式試驗、進(jìn)氣道/隔熱裝置模型試驗、模擬燃燒室條件下熱載荷熱交換器子部件測試、燃料分配閥性能測試以及燃料系統(tǒng)與軟件的閉環(huán)測試。在這些試驗的基礎(chǔ)上,空軍又啟動一系列尺寸更大、結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的發(fā)動機自由射流試驗,并在2008年完成飛行許可發(fā)動機(SJX61-2)的測試工作,具備開展飛行試驗的基礎(chǔ)條件。4x-97a助力發(fā)動機飛行在設(shè)計的試驗方案中,驗證機在由B-52H載機投放后,將利用助推器加速至Ma=4.5,高度21.3km,之后助推器連同中間過渡段一起與巡航級分離;超燃沖壓發(fā)動機開始點火,持續(xù)工作時間為210s,巡航級的最大加速度為0.22g,巡航速度將達(dá)到Ma=6以上;發(fā)動機關(guān)機后,巡航級繼續(xù)無動力飛行,在完成一系列驗證參數(shù)的機動操作后,墜入太平洋,驗證機的飛行總時間為300s。2010年5月~2013年5月,X-51A項目經(jīng)歷4次飛行試驗,表2對X-51A的4次飛行試驗基本情況做了總結(jié)。試驗中采集的數(shù)據(jù)和暴露出的問題,使項目團隊對超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)、機身與發(fā)動機的一體化設(shè)計有了進(jìn)一步的了解。通過對前3次飛行試驗的經(jīng)驗總結(jié)、故障分析與方案調(diào)整,最終促成第四次飛行試驗的成功。4.1發(fā)動機/噴管連接系統(tǒng)首飛試驗之后,研究人員經(jīng)過調(diào)查認(rèn)為,超燃沖壓發(fā)動機和機身噴管之間的密封故障引起的熱燃?xì)庑孤?是導(dǎo)致試驗提前結(jié)束的主要原因。熱密封失效導(dǎo)致熱泄漏,熱燃?xì)膺M(jìn)入機體,使飛行器的加速度低于預(yù)期,還出現(xiàn)非計劃的橫滾和側(cè)滑,最終使得飛行器的航電和線路出現(xiàn)問題,導(dǎo)致遙測信號丟失,飛行終止。對此,X-51A項目團隊將另外3架X-51A的超燃沖壓發(fā)動機進(jìn)行拆卸檢查,也發(fā)現(xiàn)熱密封問題。根據(jù)故障診斷結(jié)果,項目團隊對剩余3架X-51A的發(fā)動機/噴管連接進(jìn)行了設(shè)計修改。在此過程中,調(diào)查人員還設(shè)計了一種對成品飛行器進(jìn)行壓力測試的方法,以檢查發(fā)動機與噴管之間的密封是否存在泄漏。4.2地面試驗的壓力和速度X-51A項目經(jīng)理查理·布林克將第二次試驗的進(jìn)氣道不啟動歸結(jié)為超燃沖壓發(fā)動機與機身的一體化設(shè)計問題。在超燃沖壓發(fā)動機的設(shè)計中,位于燃燒室上游的隔離段可以承受燃燒產(chǎn)生的反壓,防止激波系統(tǒng)前移甚至被推出進(jìn)氣口,造成進(jìn)氣道不啟動。飛行試驗數(shù)據(jù)顯示,發(fā)動機啟動過程中,燃燒壓力已經(jīng)超出地面風(fēng)洞試驗的測量值,達(dá)到隔離段所能承受的極限。經(jīng)過深入研究,項目團隊認(rèn)為有三個因素造成壓力過高,導(dǎo)致進(jìn)氣道不啟動。首先,在啟動過程中,氣動載荷過大導(dǎo)致發(fā)動機結(jié)構(gòu)變形向下偏離,鏟形整流罩偏離機身0.5~0.76cm。這使得鏟形整流罩激波的坡度增加,且強度加大,從而提高進(jìn)氣道喉部的壓力。這一因素的影響占50%。第二,在發(fā)生進(jìn)氣道不啟動的時刻,乙烯和JP-7的混合,使發(fā)動機的燃燒效率提高9%。布林克稱,“我們并沒有使發(fā)動機過油,但是燃燒效果確實超出我們的設(shè)想,這一因素的影響占40%”。第三,剩余的10%的因素源于“污染效應(yīng)”。地面試驗中,為模擬超燃沖壓發(fā)動機在高空、高速條件下的飛行工況,采用經(jīng)過燃燒加熱獲得的熱氣體作為試驗工質(zhì),其中含有若干真實大氣中并不存在或含量甚微的“污染組分”,會影響燃燒效率。因此,超燃沖壓發(fā)動機在實際飛行試驗中的燃燒效果要好于地面試驗。4.3彈簧振動控制波在第三次飛行試驗的故障調(diào)查中,項目團隊主要關(guān)注驗證機在助推階段產(chǎn)生的機身振動,這誘發(fā)鎖閉機構(gòu)螺線管中的彈簧振動,導(dǎo)致控制舵解鎖。布林克解釋:“驗證機的次彎矩接近彈簧的二階固有頻率”。在設(shè)計中,線性作動器螺旋傳動的直徑得到加大,但并未再次開展振動試驗。針對第四次飛行試驗,在X-51A從載機上被投放后1~2s就通電啟動作動器,提前解鎖控制舵,使飛行器在沒有意外動壓的情況下自由飛行。5u3000空天運輸發(fā)展新趨勢X-51A項目是美國半個多世紀(jì)以來在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域不斷積累、傳承、創(chuàng)新的結(jié)果,將對未來空天裝備的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。1)X-51A項目凸顯美國以高新技術(shù)領(lǐng)跑世界的思維,將引發(fā)全球新一輪的高超聲速技術(shù)競賽?！案?、更快、更先進(jìn)”是美國空天裝備的發(fā)展目標(biāo)。為實現(xiàn)全球領(lǐng)先、維系霸主地位的戰(zhàn)略意圖,美國始終密切關(guān)注空天領(lǐng)域高新技術(shù)的發(fā)展,積極瞄準(zhǔn)、搶占技術(shù)制高點,試圖不斷拉大與其它國家的技術(shù)差距,以技術(shù)優(yōu)勢形成能力威懾和裝備代差。X-51A飛行試驗的成功將進(jìn)一步確立美國在高超聲速領(lǐng)域的技術(shù)領(lǐng)先地位,并使美國在未來空天領(lǐng)域的技術(shù)競爭中占得先機。除X-51A外,近年來,美國發(fā)展的X-37B、HTV-2、AHW等項目均取得重大突破,取得了全面的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。這一態(tài)勢已經(jīng)引發(fā)了各國的高度關(guān)注。當(dāng)前,俄羅斯、歐洲、日本、印度都在積極發(fā)展高超聲速技術(shù),X-51A項目的成功將激勵各國進(jìn)一步加快對高超聲速技術(shù)的探索,未來空天領(lǐng)域的競爭態(tài)勢將更加嚴(yán)峻。2)X-51A項目的成果將助力空天裝備的創(chuàng)新發(fā)展,為實現(xiàn)全球打擊和快速響應(yīng)進(jìn)入空間提供技術(shù)支持。X-51A驗證機采用的乘波體構(gòu)型和主動冷卻超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)具有劃時代意義,創(chuàng)新性的設(shè)計方案為設(shè)計高超聲速巡航導(dǎo)彈提供重要參考,也為未來發(fā)展能執(zhí)行天地往返運輸任務(wù)的跨大氣層飛行器和空天飛機奠定基礎(chǔ)。通過4次飛行試驗,美國不斷加深對關(guān)鍵技術(shù)的理解,初步具備將試驗技術(shù)推向?qū)嵺`應(yīng)用的基本條件。在X-51A基礎(chǔ)上發(fā)展高超聲速巡航導(dǎo)彈/飛行器能有效對抗來自空天防御系統(tǒng)的威脅,可為執(zhí)行全球快速打擊作戰(zhàn)提供重要的方案選擇,作為美國“新三位一體”戰(zhàn)略力量的重要組成部分,顯著提升戰(zhàn)略威懾的作戰(zhàn)靈活性和有效性。基于超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)發(fā)展的可重復(fù)使用天地往返運輸系統(tǒng)能顯著降低航天發(fā)射成本、縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間、提高發(fā)射效率。3)美軍著眼未來戰(zhàn)爭,已啟動X-51A后續(xù)武器型的發(fā)展。在X-51A項目尚未結(jié)束之時,美空軍已經(jīng)開始考慮吸氣式高超聲速技術(shù)的武器化發(fā)展應(yīng)用。2012年,空軍研究試驗室明確提出高速打擊武器(HSSW)計劃和高速偵察/打擊飛行器計劃,作為近期和遠(yuǎn)期發(fā)展目標(biāo),主要定位于適應(yīng)所謂“反介入/區(qū)域拒止”的作戰(zhàn)環(huán)境,提高美軍的區(qū)域介入能力。HSSW計劃將重點研究X-51A在武器化進(jìn)程中必須解決的高精度制導(dǎo)、殺傷效能選擇和載機適配性等問題。HSSW的飛行速度將達(dá)到Ma=5以上,能夠?qū)崿F(xiàn)防區(qū)外發(fā)射快速打擊固定目標(biāo)和移動目標(biāo)。美國空軍在2013財年正式啟動HSSW計劃,計劃到2017年底,將驗證機的技術(shù)成熟度提高到6級水平。高速偵察/打擊飛行器計劃目前仍處于概念論證階段,組合循環(huán)發(fā)動機等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破。空軍的目標(biāo)是在2020年左右驗證渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機的模態(tài)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。4)一體化設(shè)計技術(shù)和超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)是該項目成功的關(guān)鍵。X-51A的4次飛行試驗結(jié)果表明,高超聲速飛行器研發(fā)過程中在重點關(guān)注超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的同時,還需要重視提高飛行器的一體化設(shè)計水平。超燃沖壓發(fā)動機是吸氣式高超聲速飛行器的核心,其技術(shù)成熟度直接決定飛行器具備初始作戰(zhàn)能力的時間。2004年,NASA利用X-43A飛行器對使用氫燃料的超燃沖壓發(fā)動機開展飛行試驗,實現(xiàn)Ma=7和Ma=10的飛行,但飛行時間只持續(xù)10s,使超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)達(dá)到一個新的水平。X-51A項目在首飛和最后一次試驗中,對超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)進(jìn)行有效驗證,分別實現(xiàn)143s和210s的運行,但是發(fā)動機的加速性能并未達(dá)到預(yù)期,最大速度只有Ma=5.1,距離Ma=6的設(shè)計指標(biāo)尚有不小的差距,技術(shù)成熟度仍需進(jìn)一步提高。與傳統(tǒng)的飛行器相比,高超聲速飛行器分系統(tǒng)之間的耦合更加強烈,尤以機體與超燃沖壓發(fā)動機之間的耦合最為突出,完全打破傳統(tǒng)飛行器機體與發(fā)動機之間的分工關(guān)系。X-51A驗證機前兩次試驗的故障根源都與這種強耦合的設(shè)計特點密不可分,需要引起高度的重視。6項目發(fā)展通過以上總結(jié)分析,可以得出以下啟示。1)制定十分明確的高超聲速發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃和切實可行的技術(shù)發(fā)展路線圖。以遠(yuǎn)景目標(biāo)為牽引、以現(xiàn)實需求為動力,堅定不移地推動技術(shù)創(chuàng)新和能力創(chuàng)新,表現(xiàn)出極強的頂層策劃能力和操作執(zhí)行能力。2)計劃的組織管理能力突出。X-51A項目的發(fā)展涉及空軍、DARPA、NASA、海軍、高校、設(shè)計單位等多個部門,組成國家性的研究團隊,參研單位分工明確,責(zé)任清晰,實現(xiàn)集智攻關(guān)。3)注重技術(shù)繼承和創(chuàng)新發(fā)展。X-51A驗證機大量借鑒之前項目的研究成果,并不斷總結(jié)創(chuàng)新,設(shè)計的乘波體構(gòu)型和主動冷卻超燃沖壓發(fā)動機方案體現(xiàn)了這一領(lǐng)域的最高技術(shù)發(fā)展水平,成為后繼其它計劃仿效的對象。4)建立相對完善的試驗保障體系。地面/飛行試驗的組織籌劃更加系統(tǒng)、科學(xué),數(shù)值仿真在試驗研究中的比例大幅增加,顯著降低試驗成本,并有效彌補地面風(fēng)洞試驗?zāi)芰Φ牟蛔?測控技術(shù)發(fā)展迅速,地面/飛行試驗的數(shù)據(jù)采集能力顯著增強,利于試驗后的彈道重構(gòu)和數(shù)據(jù)分析工作,試驗數(shù)據(jù)還可修正仿真模型,提高數(shù)值仿真的置信度。較為完善的試驗體系,能有效驗證設(shè)計方案的技術(shù)成熟度,進(jìn)一步降低不確定性風(fēng)險。7x-53a驗證機組成X-51A是美國近年來開展的