X-51及高超声速飞行器简介

美国X-51A飞行器及总体设计及其关键技术简介

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摘要：从计划的背景、飞行器的构造、热防护材料研发测试以及实际飞行试验等方面对X-51A 的发展计划作了较为详细的介绍,并据此对美国发展高超声速飞行技术的研究流程和理念有个一定的了解与认识。

关键词：X-51A 高超声速导弹热防护系统结构材料飞行器

引言：美国自二十世纪九十年代启动“全球敏捷打击”计划以来，一直处于低速发展过程中，该计划近期开始迅速升级，从改造“三叉戟”导弹开始，美国正推出一系列先进攻击武器概念，包括飞机、无人机和导弹。其中，X-51高超声速巡航导弹是美国武器库目前速度最快的全球打击武器，可以在一小时内攻击地球上任一目标。

1项目概况

巡航导弹在美国武器系统中具有特殊的地位，在未来信息化战争中，巡航导弹不要要成为首选的打击武器，也是美军实行远程军事打击的必备武器。

美国于20世纪90年代启动的“全球敏捷打击”计划自推出以来一直处于低速发展过程中,直至近年该计划开始迅速发展。美国从改造三叉戟导弹开始,陆续推出一系列的先进攻击武器概念,包括新一代的飞机、无人机和导弹。

X-51A计划是由美国空军研究试验室(AFRL)、国防高级研究计划局(DARPA)、NASA、波音公司和普惠公司联合实施的旨在验证高超声速飞行能力的计划。终极目标是发展一种马赫数达到5~7的可以在1 h内进行全球打击的武器,包括快速响应的空间飞行器和高超声速巡航导弹。X-51A于2010年2月中旬进行了首次高超声速飞行试验。

X-51A的首飞创造了又一个人类历史记录———超燃冲压发动机推进的历时最长的高超声速飞行,刷新了X2 43创造的12 s的记录。X2 51A首飞的成功意味着, 超燃冲压发动机将提供一种全新的快速全球打击能力。据称,该高超声速导弹将能够在60 min内实施全球打击。美国国防部/NASA的X2 51A项目则是这一新型武器系统方案的关键部分。X2 51A 的飞行试验对于空间进入、侦察、打击、全球到达以及商业运输等都有重要意义。

2 X-51A计划的背景

美国空军认为,高超声速推进技术是美国亟须发展的关键领域之一,为了达到这一目的,必须走“阶梯式发展”的道路。1979年首次发射的先进战略空射导弹(ASLAM)是早期的高超声速导弹,它使用高速冲压发动机实现了马赫数为5. 5的飞行,虽然达到了高超声速,但由于冲压发动机的燃烧是在亚声速状态下进行,效率非常低。解决这一问题的方法是使用超燃冲压动机,于是X-51A计划应运而生。

20世纪90年代中期,国家空天飞机(NASP,NationalAerospace Plane)计划终止后,美国空军转而投资HyTech(Hypersonic Technology)计划以延续其对高超声速技术的研究。2004年1月, AFRL选择波音公司与普惠公司共同制造SED-WR的验证机,由波音公司制造机身,普惠公司

生产发动机。2005年9月,美国空军正式将该计划编号为X-51A。X-51A计划的主要目的之一是对美国空军的HyTech超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料,能将飞行器的飞行马赫数从4. 5提升到6. 5。

但是，高超声速技术有几大难点：新动力装置的制造及新燃料的选择；动力装置和飞行器机体的连接；新型耐高温材料的研制；飞行器各子系统和整体控制系统的研究。

3 X-51A飞行器的整体构造

X-51A飞行器的整体构造如图1所示,它是由巡航体、级间以及助推器三部分组成,整个飞行器长7. 62 m,质量1 780 kg,最大宽度为584. 2 mm,其中巡航体长4. 27 m,质量为671 kg。X-51A的主体部分是在金属材料的基本结构外覆盖着轻质TPS泡沫与陶瓷材料。机体部分的框架板壁等由铝制成。前鼻端内部是金属钨,外部则是二氧化硅隔热层,其作用是承受飞行器头部高强度的气动热载荷,并实现纵向配平,以保证飞行器的纵向稳定性。巡航体与机体的过渡部分采用了铬镍铁合金,目的是阻止热量传导到飞行器的其余部分。巡航体与级间部分的蒙皮,包括助推器的四个全动尾翼均为铝制。此外,为了在推进段保持稳定,助推器上还另外安装了两个铝制的水平尾翼。超燃冲压发动机的舱壁则是用由燃料冷却的薄壁铬镍铁合金板制成,巡航体的四个可动小翼除在前缘采用了碳-碳复合热结构材料外,也均使用铬镍铁合金制成。整个飞行器仅在级间部分的某些结构以及助推器的尾锥上使用了钛合金。助推器的外表面仍由钢制成,不过钢质的尾喷管被加长了以获得更大的膨胀率,从而提高性能。

X-51A SED的主要设计工作是运用经风洞试验数据验证的计算工具来完成的。它用CART3D 软件计算所得的欧拉解以及OVERFLOW软件计算得到的Navier-Stokes解建立起了全面的空气动力学数据库,在约80多套网格上运行了近2 000个算例,用以对安全分离、气动加热、飞行器性能、边界层转捩以及尾翼偏转等各个方面进行研究。同时,对整个飞行器及巡航体进行了超过1 700 h、3 200余次风洞试验,利用试验结果验证并完善了数据库。

4超燃冲压发动机

高超声速武器引起速度极大，必然需要有强大动力性能的发动机，美国空军一直致力于超然发动机的研究。X-51验证机的一个重要任务就是对超然发动机的性能参数进行验证。超燃(超声速燃烧)冲压发动机是冲压发动机的一种,它的特征是吸入发动机燃烧室内的空气流的速度为超声速,而普通冲压发动机内气流速度为亚声速。超燃冲压发动机的基本组成包括:进气压缩管(由于飞行器的高速飞行,吸入的空气受到压缩),燃烧室(燃料与压缩空气混合,燃烧),喷嘴(通过它以高于进气口空气流的速度排出燃烧产物,产生推力)。冲压发动机是靠吸入的空气流作为助燃剂工作。进入超燃冲压喷气发动机的空气流的速度是超声速,因而会产生一定的冲击波,如何实现不打乱、不中断吸入的空气流,并保持发动机不熄火连续有序地工作,这正是超燃冲压发动机要解决的难题。在超声速环境下把空气流的速度降低后再进入冲压喷气发动机,将限制发动机最终的运转速度。另一方面,产生的冲击波会压缩空气流,使进入发动机的空气流的速度达到高超声速,经过适当的隔离器调节后挤进燃烧室的气流将获得相对稳定的压力,实现更完全的燃烧。进入燃烧室的压缩气流与注入的燃料混合、点火、燃烧,然后通过喷嘴将燃烧后的产物以高于入口处空气的速度排出,从而产生前进的推力。