腾飞的乘波者X51A

　　2013年5月2日据美国《航空周刊》网站报道，5月1日美国高超音速试验飞行器X51A的第四次也是预定最后一次飞行试验获得成功。在美国近些年来高超音速项目屡屡不顺的情况下，X51A的成功无疑给美国高超音速研究打了一针强心剂，X51A项目四次试验成败的经验教训，将成为美国未来高超音速飞行的研究和应用的基石。
　　X51A的技术来自于早期的ARRMD，ARRMD试图以20万美元的单价实现高超音速远程打击
　　
　　X51A项目开始于2004年，它是美国在高超音速飞行器和超燃冲压发动机领域的新尝试，它的技术最晚可以追溯到1996年。1996年美国先进项目研究局（DARPA）启动了低成本快速反应导弹演示项目（ARRMD），它使用轴对称的碳氢燃料超燃冲压发动机，可视为是X51A项目的前身。1998年波音公司从DARPA获得了ARRMD项目的研制合同，并提出了新颖的乘波体和传统的轴对称两种截然不同的气动外形设计，虽然2000年左右ARRMD项目取消，但波音公司的两种高超音速飞行器设计分别演进为不同的项目，即超燃冲压发动机演示样机乘波体（SEDWR）和高超音速飞行演示计划（HyFly）计划。2004年美国空军研究实验室（AFRL）和波音公司签订超燃冲压发动机演示样机乘波体项目的研究合同，2005年9月美国空军正式为这个项目授予X51A的项目编号。
　　X51A飞行器巡航器结构图，它的总体结构相当简单，是一个试验飞行器不会直接发展为导弹
　　
　　X51A飞行器也被称为“乘波者”（WaveRider），这个称呼形象的表达了它的飞行方式，即通过在激波上滑行增加升力。X51A是一种典型的乘波飞行器，由波音公司负责总体研制，而超燃冲压发动机由普惠？洛克达因公司负责，充分发挥了两家公司在乘波飞行器和超燃冲压发动机上的经验优势。X51A飞行器一般指的是它的巡航器，而实际试飞中它通常使用美国陆军战术导弹系统（ATACMS）的固体火箭发动机作为助推器，加速到4。5马赫以上分离后，启动超燃冲压发动机进行高超音速飞行。X51A飞行器独特的乘波体外形颇似鸭嘴兽，尾部有四个控制舵面，飞行器前端整流罩后为电池部分，随后为飞行试验设备、全权限数字式电子控制和惯性单元等子系统，飞行器中部为燃料箱、燃料输送系统和发动机系统，尾部为飞行控制系统以及天线和传感器。X51A飞行器的长度约4。27米（加上助推器为7。62米），包括助推器总重约1。8吨，飞行器内部JP7碳氢煤油燃料质量约123千克，燃料可支持约300秒的高超音速飞行，最大试验飞行距离约400海里740千米。
　　X51A项目的主要目标是验证乘波体气动控制技术和碳氢燃料的超燃冲压发动机，为实用的高超音速导弹进行技术验证。按照计划X51A飞行器的试验速度将达到6马赫以上，实际飞行高度约70000英尺21000米，结合400海里的飞行距离等试验指标看，美国空军和先进项目研究局试图使用X51A飞行器为高超音速打击武器铺路，事实上X51A的指标距离距离当初ARRMD项目要求的68马赫飞行速度、28分钟飞行时间和400600海里射程等主要指标已经不远了，X51A的试验如果完全达到预期，将是美国高超音速和超燃冲压发动机研究的重要里程碑，并为高超音速导弹的研制彻底扫清障碍，。然我们现在已经知道，X51A项目最终虽然取得了突破，但并未实现预期的目标。
　　X51A的发动机在兰利研究中心风洞内进行地面测试
　　
　　作为X51A项目的核心，同时也是技术难度最大的部分，超燃冲压发动机SJX61由普惠？洛克达因公司（PWR）研制，本身属于早期的HySET超燃冲压发动机进一步发展的结果。洛克达因公司在美国空军早期的HyTech项目下，进行了HySET发动机的研究，以验证马赫数48之间碳氢燃料超燃发动机的性能和耐用性。HySET发动机的速度指标并不出众，但使用碳氢燃料可谓可圈可点，美国空军试图使用碳氢燃料在进入燃烧室前充当冷却剂，一方面满足超燃冲压发动机长时间工作的要求，另一方面降低碳氢燃料超音速点火的难度。
　　2000年至2001年碳氢燃料超燃发动机进行了一系列地面测试，自由射流试车台上的试验中超燃冲压发动机测量的正推力和预计推力相吻合，而且验证了JP7碳氢燃料吸热的技术。2003年的进一步试验取得了更大的成功，地面试验发动机1号（GDE1）不仅完成了4。5马赫和6。5马赫的一系列试验，而且发动机不少性能超过预计的指标，此外地面实验发动机2号（GDE2）也做好了试验准备。2003年在美国空军研究实验室的支持下，普惠公司和波音公司启动碳氢燃料双模超燃冲压发动机的研究，为X51A飞行器的发动机奠定了基础。2006年GDE2发动机的测试基本完成。HySET的研究最终演进为实际飞行的SJX61发动机，美国航空航天局兰利研究中心的8英尺风洞开始对X51A项目第一台试验发动机（SJX611X1）进行高超音速地面测试，2007年7月完成测试前已经检验了4。6、5。0和6。5马赫的模拟飞行环境下发动机的表现。2008年10月第二台实验发动机开始地面测试，累计工作时间长达11。4分钟，这些相对完善的测试为实际飞行试验奠定了基础，但实际飞行试验中X51A的发动机仍屡屡出现意外，导致接二连三的试验失败。
　　第一次试飞前，X51A吊挂在B52H轰炸机机翼下，这个角度可以清晰的看到进气道
　　
　　按照美国空军的最初计划，X51A项目将在2008年下半年开始试飞，经过4次试飞验证最终速度达到6。5马赫的实际飞行。X51A项目涉及到碳氢燃料的超燃冲压发动机技术、高温材料和机体与发动机的一体化等众多关键技术，其中虽然超燃冲压发动机技术最为关键。由于各方面因素影响，X51A的首次试飞几经推迟，2010年5月26日终于挂载在B52H轰炸机的翼下飞上天空。当地时间上午10点B52H轰炸机在15000米高度释放了X51A飞行器，固体助推器将其加速到4。8马赫后在19800米高度分离。固体助推器分离后，X51A飞行器首先受空气阻力影响速度降低到4。73马赫，随后发动机启动开始加速并爬升，但遗憾的是加速度仅有0。15g远低于预定的0。22g，而且X51A飞行器在速度超过5马赫后遭遇进气道启动的问题失去推力，飞行器减速，虽然很快重启发动机成功，但随后由于密封问题发动机舱出现异常的高温，最后在超燃冲压发动机工作仅140秒后就不得不启动自毁程序。虽然第一次飞行中X51A试图让发动机工作300秒最终加速到6马赫，这次试验只能算部分成功，但相对更早的X43A试验，X51A飞行器发动机的工作时间长达140秒，仍然堪称历史性的突破。
　　与第一次的部分成功相比，另外两次失败就不那么光彩了。X51A飞行器的第二次飞行试验发生在2011年6月13日，这次试验中虽然固体助推器将X51A飞行器加速到5马赫，但超燃冲压发动机使用乙烯短暂点火成功后，未能点燃JP7主燃料燃烧，此后发动机试图重启也未能成功，最后飞行器只能落海坠毁。NASA时候认为，进气道无法启动的原因是激波速度过快越过进口道，导致进入发动机气流的气压剧减，最终未能启动发动机。超燃冲压发动机的启动和工作技术难度很大，不亚于在飓风中点燃一根火柴并保持不灭，极其敏感的依赖于飞行器激波和进气道气流的稳定。不知是偶然还是必然，第一次飞行试验中同样是5马赫速度时出现类似问题，幸运的是发动机重启成功。后期的调查还发现，对比第一次飞行试验，第二次飞行试验中X51A飞行器的超燃发动机在短暂工作期间推力过大，这种情况以前从未发生过，让X51A项目团队人员们都大惑不解。
　　X51A飞行器的第三次飞行试验发生在2012年8月14日，X51A飞行器从B52H轰炸机的分离和固体助推器的点火都相当正常，但固体助推器工作仅16秒后X51A飞行器就失去控制，此时X51A飞行器甚至还没有从固体助推器分离，更进一步的超燃冲压发动机的试验和研究跟从无从验证。事后调查表明这是X51A的一个控制舵面的作动器突然开启，导致X51A飞行器螺旋下降并最终坠落在海面。虽然已经排除了控制软件故障或是电源问题，但X51A飞行器翼面作动器故障的原因并不清楚，有些迹象表明很可能是助推飞行过程中突然的振动导致的，但即使美国空军随后进行了振颤试验，也无法确定是否是这个原因，最后美国空军只好决定第四次也就是最后一次飞行试验中，X51A离开B52H载机后12秒内就开启作动器，防止出现类似的意外。
　　第四次试飞中释放前的X51A，虽然外形上没有变化，但工程师们对它进行了大量优化，终于实现了一次成功的高超音速飞行
　　
　　经历接二连三的失败后，在项目正式中止前的最终一次飞行试验中，X51A项目终于迎来了渴望已久的成功。根据《航空周刊》和美国空军网站的报道，在第四次飞行试验中，X51A挂载在B52H“同温层堡垒”大型轰炸机翼下，自加利福尼亚州爱德华兹空军基地起飞，B52H在50000英尺（约15。24千米）高速释放了X51A飞行器，在固体火箭发动机的推动下26秒后加速到4。8倍音速，随后X51A与固体助推器分离，它的碳氢燃料超燃冲压发动机点火。超燃冲压发动机点火后，产生的推力将X51A最终加速到5。1倍音速，飞行高度也增加到60000英尺（约18。29千米）。X51A飞行器超燃冲压发动机工作约240秒后耗尽燃料，随后X51A继续回传遥测信号直到溅落入海中。本次试验中从X51A飞行器开始独立飞行到最终撞击海面坠毁累计时间约370秒，飞行距离约240海里425千米，试验中碳氢燃料超燃冲压发动机基本按照计划正常工作，堪称超燃冲压发动机研究工作中空前的成功，240秒的工作时间也是超燃冲压发动机飞行试验工作时间之最。美国空军研究实验室（AFRL）X51A项目主管查理？布林克宣布本次试验取得圆满成功，并表示这次成功是一支惊人的团队做出一系列艰苦努力的结果，这支团队包括X51A项目主承包商波音公司、X51A超燃冲压发动机分包商普惠？洛克达因公司、美国国防部先进研究项目局（DARPA）、美国航空航天局的德莱登（Dryden）研究中心和美国空军的爱德华兹空军基地的第412试验联队，它们都为最后的成功做出了重要的贡献。
　　X51A项目在最终结束前实现了第一次完整的飞行，虽然在飞行速度、飞行高度和加速度上留有遗憾，但仍堪称美军过去十年高超音速领域研究的巅峰之作。面对X51A的成绩，即使是X51A项目的主管也认为瑕不遮瑜，对试验结果表示满意。X51A项目只是一个技术演示和验证项目，即使最后一次试验大获成功，也不会直接发展为实际的高超音速导弹或是航空器。虽然波音公司曾建议飞行试验增加到六次，并认为最好进行十次左右的飞行试验，获取足够充分的高超音速气动、控制和超燃冲压发动机工作的数据和经验，但这些建议并没有变成美国空军的正式决策，投资超过3亿美元的X51A项目目前只制造了4架验证飞行器，未来如果要继续进行类似的高超音速试验，恐怕多半也是在新项目的名义下了，当然X51A的成功作为美国高超音速领域近些年来最大的成绩，必然给波音公司未来角逐这样的项目增加了更多的优势。
　　X51A需要固体火箭加速到4。5马赫以上，这虽不影响作为导弹的前途，但根本无法用于民用航空
　　
　　X51A项目的试验成功也不意味着人类高超音速时代的到来。首先X51A高超音速飞行器需要一个固体助推器加速到高超音速，然后才能启动超燃冲压发动机，这对高超音速导弹来说或者并不是太大的问题，但对高超音速飞行器如空天飞机或是高超音速客机来说就不具备可行性了；其次X51A项目最后一次试验虽然取得成功，但成果比预期大为缩水，如X51A项目打算验证加速6马赫的速度，而实际飞行试验只达到了5。1马赫，何况飞行高度低于预期；此外最后一次飞行中为了确保实现最基本的成功，不仅飞行时间缩短到240秒，而且在飞行控制上做了一定的简化，距离实用化反而更远了，高超音速和超燃冲压发动机的研究仍有大量未知的障碍等待突破。
　　即使如此，X51A最后一次试验的成功仍然是人类高超音速和超燃冲压发动机研究的一个重要里程碑。近些年来美国进行的高超音速研究相当不顺利，且不说X51A曾经发生的接二连三的失败，同样是波音公司负责的HyFly项目更是在三次失败后寿终正寝，而洛克希德马丁公司负责FalconHTV项目也接连失败。X51A项目完成后美国空军仍将继续进行高超音速研究工作，X51A项目的的成功将为后续的研究工作，如美国空军研究实验室尚处于早期阶段的高超音速打击武器（HSSW）提供一定的帮助。
　　飞行中的X51A模拟图，X51A并未获得预想的成功，但仍是美国高超音速研究的重大突破
　　
　　可以预见X51A项目验证的乘波体高超音速飞行器和碳氢燃料的超燃发动机进一步成熟后，美军将获得十几年来梦寐以求的高超音速打击能力，结合ARRMD和X51A的指标，在21000米高空以6马赫以上的速度高速巡航，射程达到400海里以上的高超音速导弹，无论是否是廉价的，都是现有防空系统根本无法防御的。如果美国空军和美国海军具备这样革命性的穿透打击能力，其效果完全可以比照隐身技术带来的影响。此外高超音速的特征不仅缩短了对方的反应时间，而且实现了时敏打击能力，可以在战线后方对前线的时间敏感性目标如机动式防空导弹、机动式弹道导弹等重要目标及时进行打击，这将使美国海空军的对地攻击能力提高到一个前所未有的水平，带来的影响同样是革命性的。