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高超音速X-51超燃冲压发动机将于5月进行试飞

搭载普惠火箭发动机SJY61超燃冲压发动机的波音幻影工程X-51A飞行器在满月时悬挂在B-52H机翼支架上。

最早将于5月25日在加利福尼亚州爱德华兹空军基地开始第一次以X-51超燃冲压发动机为动力的高超音速长时间飞行,为五角大楼提供一种新的“即时全球打击”能力,将大气和太空推进联系起来。X-vehiclescramjet飞行测试也是使用吸气推进向太空发射的关键一步。

尽管航天飞机飞行仍然壮观,但它们也是关于过去的。超燃冲压喷气推进关乎未来。与火箭发动机不同,超燃冲压发动机(超音速燃烧冲压发动机)是一种吸气式发动机,它从大气中吸入氧气,以实现接近火箭发动机的速度和高度,而不携带成吨的氧化剂供应。

超燃冲压喷气式飞机最终应该能够飞行到高超音速的近太空速度和高度,就像高性能喷气发动机将英法协和式飞机推进到高层大气中的超音速飞行一样。

测试将由四辆无人驾驶X-51“Waverrider”飞行器进行,该飞行器由美国空军、国防高级研究计划局、美国国家航空航天局、波音PhantomWorks和普惠公司等团队开发。

这种吸气式超燃冲压发动机的能力预计将在2025年左右开始美国太空发射能力的革命,特别是对于小型但关键的美国军用航天器的快速、类似飞机的发射。

超燃冲压发动机革命

如果X-51试验成功,巴拉克·奥巴马总统也准备批准一种具有革命性的超燃冲压发动机动力的常规武装“快速全球打击”导弹。从加利福尼亚州范登堡空军基地发射后60分钟内,这种超燃冲压发动机驱动的高超音速导弹可以用非凡的动能打击地球上的任何地方。国防部/美国国家航空航天局X-51项目是这一新武器系统概念中最关键的元素。“快速打击”计划直接隶属于前宇航员空军上将凯文·奇尔顿,他是美国战略司令部的负责人,也是冷战后世界战略空军司令部的继任者。

这一新能力将为美国提供一种新的常规武装快速打击武器,该武器可以重新部署在优先目标上,并在不完全依赖破坏稳定的弹道导弹的情况下提供威慑,即使洲际弹道导弹是常规武装的。

PromptStrike超燃冲压发动机以每小时4000英里的速度飞行,可以比亚音速巡航导弹更快地到达恐怖分子或威胁伊朗或朝鲜的导弹发射台。1998年8月,比尔·克林顿总统下令对海军战斧巡航导弹进行打击,几分钟后就击中了目标,杀死了奥萨马·本·拉登。

俄亥俄州莱特帕特森空军基地空军研究实验室的X-51A项目经理查理·布林克说:“每架X-51将飞行几分钟,飞行数百英里,这将是超燃冲压喷气发动机技术的首次实际演示。”

军事应用优先

Brink说,虽然首要任务是在2015年左右研制出快速打击导弹,但超燃冲压发动机更广泛地说“完全是为了太空升力”。“这是AFRL最兴奋的应用,”他说。

X-51从49000英尺的B-52H上降落后,将由陆军战术弹道导弹计划的固体火箭发动机直接提供动力。为了稳定起见,每架X-51都将缓慢滚动,爬升到大约60000英尺,马赫数为4,固体发动机将在那里分离。

X-51的超燃冲压发动机由传统的JP-7基煤油提供燃料和冷却,然后将完成爬升至约100000英尺,按计划发射300秒,同时加速至6.5马赫,超过4000英里/小时。普惠公司的图形显示,在最后一次滚动之前,车辆倒置,进气口位于点火位置的顶部,进气口位于最低点。

随着航天飞机及其已有35年历史的技术被逐步淘汰,美国空军、美国国家航空航天局和奥巴马政府看到了一系列超燃冲压发动机动力飞行器的光明未来,这些飞行器将跨越大气层和太空之间的边界,进行更多类型的往返轨道的操作。

除了吸气式航天发射外,超燃冲压发动机/冲压发动机的组合还将实现吸气式发动机动力着陆,而不是像航天飞机那样使用风险更高的无动力滑翔。

独立于商业航天

作为一项战略技术项目,无论近期向国际空间站进行商业载人和货物发射的转变发生什么,超燃冲压发动机的开发都将继续进行。

如果四次X-51飞行甚至部分成功,它们应该会加速开发用于水平起飞航天运载火箭的先进吸气发动机。例如,俄亥俄州克利夫兰的NASAGlenn研究中心对一种名为“开拓者”的无人驾驶130000磅超燃冲压发动机驱动的有翼可重复使用太空飞机概念进行了广泛研究,该概念可以将300磅的有效载荷送入轨道。

美国国防部的高超音速路线图也主要针对美国新的太空接入能力以及导弹或侦察飞行器应用。

这些超燃冲压发动机的应用将满足美国空军对响应式太空接入(RSA)军用发射器的主要要求,该发射器将涉及“空对空”能力的无缝集成。

根据五角大楼的高超音速路线图,“这是为了使人们能够以类似飞机的行动节奏进入太空、返回地球,然后返回太空”,这是一项管理美国军方和美国国家航空航天局正在进行的越来越多的超燃冲压发动机相关开发的正式战略。

每架X-51都将从一架B-52轰炸机上空投下来,该轰炸机从爱德华兹起飞后向南飞越太平洋。每个X-51长26英尺,重2000磅。

高超音速协和式飞机

美国空军研究实验室(AFRL)的一个未来应用概念描述了一种可重复使用的协和式高超音速运输工具,配备四台X-51型超燃冲压发动机。概念中搭载的是美国空军X-37型无人太空飞机,该飞机从卡纳维拉尔角发射阿特拉斯5号后,目前正在太空中进行测试。

项目消息人士称,本月正在进行的测试本应在2月或3月开始,但由于B-52的初始圈养携带测试发现追逐飞机和遥测采集的协调需要更明确的定义,因此被推迟。

X-51将使用普惠SJY61超燃冲压发动机加速至6.5-7马赫,同时在自己的冲击波上“摇摆”,以提高空气动力学和发动机性能。

开发X-51的美国空军研究实验室推进局前局长William U.Borger博士表示,同样高的超燃冲压发动机目标是到2025年开发“具有‘飞机类型’操作的操作响应空间升力能力”。

他将超燃冲压发动机列为航空史上四大吸气式推进发展项目之一。第一阶段是莱特兄弟1903年的莱特飞行器,它克服了人类飞行所需的功率重量比。博格说,第二阶段始于20世纪50年代,是喷气发动机的发展,“彻底改变了航空航天飞行器的形状和速度”。

在1970年的第三阶段,大型高涵道比涡扇发动机使波音747等大型喷气式飞机得以发展,而第四阶段是目前超燃冲压喷气式飞机发展的时代,他在最近从美国空军研究实验室退休前表示,这将“实现持续的高超音速飞行和常规进入太空”。

除了普惠公司,总部位于犹他州的生产航天飞机固体火箭发动机的联盟技术系统公司(ATK)也大力参与了超燃冲压发动机的开发,有朝一日也将参与超燃冲压喷气发动机的生产。

国际超燃冲压发动机竞赛

美国也注意到这一重要的新型推进领域的国际竞争。超过12个国家已经进行了一定程度的超燃冲压发动机部件开发。

中国正在进行大规模的超燃冲压技术研究,而俄罗斯和法国也进行了超燃冲压工作,其中一些是合作的。澳大利亚也在与美国合作进行重要的超燃冲压发动机部件测试。但X-51是第一款设计用于长时间飞行的超燃燃冲压发动机飞行测试飞行器。

自1968年X-15火箭飞机项目结束以来,爱德华兹空军基地还没有进行过这样的高速动力飞行试验。爱德华兹高超音速联合特遣部队负责人约翰·阿姆斯特朗表示,X-51将X-15项目的兴奋感带回了洛杉矶东部莫哈韦沙漠的传奇飞行测试中心。超燃冲压喷气发动机与任何其他吸气式动力装置都有很大的区别。

常规喷气发动机内部的气流必须保持在亚音速,以便在空气穿过数十个旋转的涡轮叶片时保持燃烧。即使飞机以超音速飞行,通过传统喷气发动机的气流也必须通过进气口降到超音速才能使发动机工作。

在超燃冲压发动机中,这种反对是正确的。超燃冲压发动机没有运动部件,通过它的气流必须保持在超音速。超燃冲压发动机的进气口也是飞行器整体形状的一个重要组成部分。

超燃冲压发动机的工作原理

X-51的整体进气道形状类似于任何更大的超燃冲压发动机驱动的航空航天飞行器。这是因为超燃冲压发动机驱动的飞行器本质上是大型的飞行进气道,它们雕刻出空气动力学冲击波供发动机吸收,在X-51这样的摇摆器的情况下,利用冲击波将它们向上推动,就像产生升力一样。

这些条件是通过理解和利用极其复杂的流场来实现的。这使得冲压发动机能够在上层大气过渡到太空真空的高度以高达15马赫的速度推进飞行器。未来在高层大气中如此快速飞行的飞行器将需要与航天飞机开创的以25马赫的速度重返大气层的热保护相同的热保护。

这就是为什么超燃冲压发动机是奥巴马总统所说的未来太空作战所需的革命性推进装置的一个例子。奥巴马政府在下一个预算年度寻求超过2亿美元用于超燃冲压发动机/快速打击相关的开发。

联邦政府已经在对超燃冲压发动机进行更多的开发工作,以从地球进入太空,甚至是深空推进,以更快的速度进入太空,接近遥远的目标。超过10亿美元的超燃冲压发动机技术工作已经完成,X-51项目总计约2亿美元。

罗纳德·里根总统在20世纪80年代呼吁开发X-30国家航空航天飞机,这是一种冲压发动机驱动的飞行器,可以证明在三小时内从纽约飞往东京的能力。美国国家航空航天局、空军和国防高级研究计划局从未开发过飞行模型,但他们开创了使超燃冲压发动机推进成为现实的技术。

乔治·H·布什、比尔·克林顿和乔治·W·布什总统继续进行里根时期开始的技术工作。这反过来又使奥巴马政府能够批准开发超燃冲压发动机导弹,以扩大战略打击选择。

X-51导弹的开发也将加速用于太空发射的超燃冲压发动机的开发。未来的超燃冲压发动机驱动的太空运载火箭可以降低发射成本,并大大提高发射灵活性,因为它们可以使飞机型跑道起飞加速到60%左右的轨道速度,而不需要携带重型氧化剂和燃料箱。

在早些时候耗资2.4亿美元的测试项目中,美国国家航空航天局较小的X-43A氢气动力超燃冲压发动机在10秒的飞行中加速至9.6马赫,即接近7000英里/小时。它是从美国国家航空航天局德莱顿飞行研究中心的B-52上落下的,然后通过Pegasusrocket发动机提高到超燃冲压发动机的启动速度。

在复杂的内部空气流场计算机建模使超燃冲压发动机推进成为可能之前,只有使用火箭发动机驱动的飞行器才能实现超超音速燃烧,该飞行器的质量百分比很大,专门用于重金属罐中携带的氧化剂。

在为期数周的测试中,每架X-51都将从一架B-52H轰炸机的机翼挂架上落下,该轰炸机在加利福尼亚海岸外的太平洋上空飞行近50000英尺。

未来的任务

X-51的速度不会像2004年的X-43那样快,但它将使用更常见的JP-7煤油燃料和独特的冷却设计,以进行近400英里的更长飞行。Brink说,有了更大的油箱,X-51的发动机可以在任务要求的时间内运行。

对于进入太空的任务,未来的冲压发动机动力飞行器应在消耗大气中氧气的空气呼吸发动机上达到接近15马赫的速度,然后使用机上携带的氧化剂将速度加速到达到轨道所需的25马赫。

B-52H从爱德华兹起飞后,每架X-51都将降落在洛杉矶以北50英里的高度仪器化的穆古角海军空战海上靶场上方的太平洋上空。

普惠公司多年的工程设计和发动机内部流动建模使X-51成为超燃冲压发动机运行的真正垫脚石,用于最终的太空空气呼吸任务。普惠Rocketdyne X-51A项目经理George Thum表示:“我们相信X-51将引领实用的吸气式高超音速飞行之路。”

当发动机点火时,它将首先燃烧乙烯和JP-7燃料的混合物,然后完全切换到JP-7。与操作系统一样,使用标准JP碳氢化合物燃料是测试的重要组成部分。每架X-51将有270磅JP-7。

佛罗里达州西棕榈滩普惠太空推进高超音速公司的飞行路径气热分析和系统集成专家Dean Andreadis在“工业物理学家”网站上总结了这种喷气式飞机显著的内部流动特性。它说明了普惠工程师为使X-51成为现实所掌握的知识。

安德雷迪斯说:“超燃冲压发动机的高速进气系统由飞行器的前机身和内部入口组成,它们捕获和压缩空气,供发动机的其他部件处理。与喷气发动机不同,在高超音速或高超音速飞行的飞行器可以在没有机械压缩机的情况下实现足够的压缩。”

在超燃冲压发动机中,“机身提供初始压缩,内部进气口提供最终压缩。尽管保持超音速,但当空气通过机身前部和内部进气口的冲击波时,马赫数会减少,压力和温度会增加。在气流路径图上可见的隔离器是一个关键部件。它允许超音速流调整到静态背压高于入口静压,”他说。

Andreadis在他的演讲中说:“隔离器使燃烧室能够实现燃烧室压力的诱导上升,而不会产生一种称为“入口不启动”的情况,即冲击波阻止气流进入隔离器。燃烧室接受气流,并在其长度上的几个点提供有效的燃料-空气混合,从而优化发动机推力。”

超燃冲压发动机将使燃料在发动机壁后循环,以冷却结构。如果没有这种主动冷却,超燃冲压发动机的温度可能达到5000华氏度,高到几乎可以熔化地球上的任何金属。解决冷却难题是AFRL/普惠公司的主要成就。

在运行设计中,发动机将被配置为冲压发动机,在改变紧急停堆运行的几何形状之前,加速至4马赫。当车辆达到4马赫的点火条件时,空气在车辆的下表面被压缩,并在高压下进入发动机进气口。

在传统的喷气发动机中,涡轮叶片用于在进气口将空气减慢到亚音速后压缩空气。在已经达到4马赫的超燃冲压发动机中,进入发动机的空气已经被充分压缩,并被进一步压缩,但仍保持在超超音速。

然后,将这种超音速压缩空气与燃烧室中的燃料混合,在燃烧室中,空气和燃料在彼此相遇的0.001秒内点燃。燃料必须在汽化状态下进入燃烧室,否则将无法点燃。

普惠公司是如何实现这种蒸发燃料条件的,这就是为什么X-51发动机是一种革命性的飞行重量设计,几乎可以在PromptGlobal Strike导弹的作战设计中扩大规模。

JP-7燃料首先被泵送到发动机前部发动机壁后的微小通道中。它沿着高温发动机结构的壁流动,冷却发动机,直到到达超燃冲压发动机的后部。然而,这不仅仅是冷却。

发动机壁后面的通道涂有催化剂材料。当JP-7从结构中吸收热量时,燃料的温度和压力上升,直到催化剂与JP-7反应并“裂解”它,将其分解成更小的碳氢化合物成分,如氢气、乙烯和甲烷。

在发动机的后部,柴油被收集并反转,现在被向前泵送,作为蒸汽喷入燃烧室并点燃。燃烧产物随后在后喷嘴中急剧膨胀,从超燃冲压发动机中喷出,产生约1000磅的推力。这听起来不算多,但在60000-100000英尺的测试发动机中,如果一切顺利,车辆在点火时已经以4马赫的速度移动,它的推力足以使车辆持续加速至6马赫。

X-51空气动力学的Waverider方面也在这个时候发挥作用。车辆以约4000英里/小时的速度在稀薄的大气中移动所产生的冲击波通常会产生阻力,但X-51的设计旨在将冲击波转化为优势。车辆的形状引导冲击波,使其提升车辆,在X-51结构上向上推动,同时以适当的角度进入入口。

每个X-51都被设计为在燃料耗尽之前飞行约350-400英里。对运载火箭300个元件的遥测将被传输到由35名超燃冲压发动机项目人员操纵的穆古控制室。一架海军P-3猎户座中继飞机也将被安置在地面轨道上,以中继数据。

Brink说,所有四次飞行都有一个共同的目标,“尽可能多地起飞并加速通过马赫数。”和任何复杂的飞行测试项目一样,他预计飞行过程中会出现问题,如果四次测试中只有两次成功,他会很高兴。300秒的飞行之后将是500秒的飞行。潜入太平洋。四架X-51不会被回收,但未来最先进的飞行器可能会携带回收降落伞。


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