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美国 X 系列试验未来飞行器简史(5

第五部分:X-41------X-50

X-41

  由于 X-40A 只能将卫星或武器带到 160.4 公里至 320.8 公里之间的近地轨道,但如果要将卫星和武器发射到更高轨道,则 X-40A 将不能被回收。于是,美国军方开始了飞得更高的 X-41 和 X-42 研制计划。

  X-41 通用航空飞行器(CAV)是一种机动性再入可回收试验飞行器,可携带各种类别的太空载荷,沿亚轨道飞行,再入大气层时在大气层将所携载荷放出。作为美国军方军用空间计划(MSP)的重要一环,X-41 可由弹道导弹、飞机或航天飞机进行部署,其可能配备的武器载荷包括一枚 450 千克侵彻战斗部炸弹、4 枚小直径炸弹或 6 枚微型导弹。由于具有亚轨道飞行能力,相较于目前常规火力投放平台 X-41 具有攻击范围更广、作战费用更低等优势。

X-42

  X-42 则是一种一次性液体推进火箭的试验段,可将 900~1,800 千克的载荷送入轨道。X-42 采用先进的助推技术、新型的液体燃料,将为未来军用和民用轨道载荷运送任务提供一种廉价而又高效的运载工具。由于 X-41 和 X-42 同属于美国军方高度保密项目,所以关于它们的详细情况很少。

X-43

  1994 年 11 月,美国政府取消了 NASA 耗资庞大的国家空天飞机(NASP)项目,X-30 试验机也随即下马。为了顺应“更好、更快、更廉价”的航空航天战略,美国高超音速试验计划(Hyper-X)计划应运而生,其中 X-43 就是其研究核心。X-43 计划有 4 个型号即 X-43A、X-43B、X-43C 和 X-43D,其设计速度目标为马赫 7 至马赫 10。

X-43A 想象图

X-43A 从助推火箭上分离的想象图

  X-43A 与 X-30 不仅在外形上十分相似,而且发动机方案也都是采用机身一体化的超音速燃烧冲压发动机冲压喷气发动机目前分为亚音速、超音速、超音速燃烧(或高超音速)三类。亚音速冲压发动机以航空煤油为燃料,采用扩散形进气道和收敛形喷管,飞行时增压比不超过 1.89。速度在小于 0.5 马赫时一般无法工作。超音速冲压发动机采用超音速进气道,燃烧室入口为亚音速气流,采用收敛形或收敛扩散形喷管。用航空煤油或烃类作为燃料。推进速度为 2 至 5 马赫,可用于超音速靶机和地对空导弹。超音速燃烧(高超音速)发动机是一种使用碳氢燃料或液氢燃料新颖的发动机,空气在发动机内的流速始终保持为超音速,飞行速度高达 5 至 16 马赫。。X-43A 的前机体设计成能产生激波的形状,以对进入超音速燃烧冲压发动机进气道(安装在机体下方)的空气进行压缩。X-43A 试验飞机拥有先进的扁平小巧的机身,机身长 3.6 米,翼展 1.5 米,重量约为 1 吨。由于 X-43A 采用的是高超音速冲压发动机,其燃料为飞机上携带的液态氢,助燃剂(氧化剂)为空气中的氧,因而需要借助 B-52 载机和助推火箭飞入空中。

  2001 年 6 月,X-43A 在第一次试飞中由于助推火箭偏离航线并出现翻滚被控制人员在空中紧急自毁。这次惨重的失败,让 X-43A 的试验计划大大延迟。直到 2004 年 3 月 27 日,X-43A 才开始了第二次试飞。B-52 载机在离太平洋海面大约 12,000 米的空域投下了“包裹”着 X-43A 的助推火箭,随后助推火箭迅速爬升至 28,500 米的高空。这时,X-43A 从火箭中分离出来,依靠自身的超音速燃烧冲压发动机工作了大约 10 秒钟,最高速度达到 8,000 公里/小时,相当于 7 马赫,已经超过了使用火箭动力的 X-15A-2 试验机创造的 6.72 马赫。这之后,X-43A 发动机停转,并在空中自由滑翔飞行约 6 分钟后,按预定计划坠入加利福尼亚州附近的太平洋海域。X-43A 的试飞成功具有划时代的意义,由于不象使用火箭发动机的飞行器那样必须携带所有的燃料和助燃剂,采用高超音速冲压发动机的飞行器不仅能够减小自身体积,还能够提高飞行器有效载荷量。如在军事应用中,与 X-43A 类似的飞行器将能携带更大重量的打击武器,其小巧的体积也让敌方防不胜防。

携载 X-43A 的助推火箭与载机 B-52 脱离

助推火箭发动机点火

  X-43B 将于 2010 年以前试飞,与 X-43A 不同它将采用涡轮发动机和吸气超音速燃烧冲压发动机的组合动力。这种新颖的组合动力可以自动调整使用那种推动力以使飞行达到最佳速度:当飞机的速度只有两倍音速左右时,飞机借助涡扇喷气发动机前进,这同普通飞机没有两样;当飞机在以高超音速飞行时(5 至 15 马赫),它就开始利用吸气超音速燃烧冲压发动机推进。X-43C 则用来验证装有超音速燃烧冲压发动机的飞行器从 5 马赫加速到 7 马赫时的自由飞行性能和超音速燃烧冲压负电荷的性能,其采用的发动机具有普通冲压发动机和超音速冲压发动机的两种工作模式,预计将于 2008 年进行试飞。X-43D 的研制工作也在进行中,它将装备一种冷却氢气燃料的双模式超音速冲压喷气发动机,可将 X-43D 的速度增加至 15 马赫。

X-43A 三视图

X-44

  X-44 是由 NASA 和美国空军联合提出的,其名称为“多轴无尾飞机”(MANTA)。X-44 将用一架 F-22 原型机改装,将其水平尾翼和垂直尾翼拆除,机翼换成三角翼,即取消所有的气动控制面,只使用多轴推力矢量系统来提供所有的飞行控制。X-44 将于 2006 年开始试飞,有可能作为洛克希德.马丁公司提出的 FB-22 战斗轰炸机的试验平台使用。

X-44 想象图

X-45

  X-45 是 DARPA 和美国空军联合提出的一项先期概念演示计划,其主要任务是用来验证无人作战飞机(UCAV)的技术可行性,以更快、更高效的应付 21 世纪的全球突发性事件。X-45 无人作战飞机具有低探测、维护方便、执行任务费效比高等诸多优点,预计首批 12 架 X-45 于 2008 年具备初始作战能力。

  2002 年 5 月 22 日,第一架 X-45A 在爱德华兹空军基地完成了首次试飞。飞行总共持续了 14 分钟,X-45A 的其飞行速度达每小时 360 公里,飞行高度为 2,280 米。X-45A 的此次飞行不仅标志着美国 UCAV 计划取得了初步的成功,也让波音公司在 JSF 项目失败后获得了一次鼓舞人心的胜利。X-45A 的无尾翼设计借鉴了于 1996 年首飞成功的 X-36 无人试验机的设计,两种机型的机翼外形十分相似,如机翼边缘控制面和偏航向矢量排气喷管等。不过两者还是有很大区别的,如 X-45A 就要比 X-36 大许多,而且后者不具备自动驾驶能力X-45A 采用“人在回路”(Man-in-the-Loop)控制,在其进入飞行的关键阶段进行人为监控,这些工作可以在地面/舰船站、F-15E 和 F/A-18F 等攻击机或 E-3 和 E-8 指挥控制机上进行。。X-45A 动力为一台霍尼维尔 F124-GA-100 涡扇喷气发动机,其进气口置于飞机的上方。X-45A 机身内部有两个武器弹舱,其中一个携带试验设备,另一个则挂载一枚 450 千克中的 JDAM 炸弹或者 6 枚 113 千克炸弹。X-45A 的试验将在 2004 年达到顶点,届时将演示多机控制、协调飞行、无人机间的通信、途中改变任务、合作瞄准和武器投放。

  X-45B 没有进入实质性的研制阶段就被取消了,取而代之的是 X-45C。X-45C 型无人机的最大起飞重量为 16 吨,远远超过了 A 型机的 6.8 吨,机长也由 A 型的 8.08 米增加至 11 米,翼展则为 14.6 米。由于重量大幅增加,X-45B 采用了通用电气公司强劲的 F404-102D 发动机。X-45B 也有 2 个内置武器舱,可携带两枚 750 千克重的 JDAM 炸弹。根据研制计划,X-45C 将在 2006 年首飞。

X-45A

第一次进行投掷制导炸弹试验的 X-45A

X-46

  X-46A 是波音公司为美国海军研制的海军型无人作战飞机(UCAV-N),它将与诺斯罗普.格鲁门公司的 X-47A 争夺美国海军的这项合同。X-46 将用来验证无人机是否能在航空母舰上进行起降,并完成监视、压制敌防空和纵深攻击任务。

  X-46A 与 X-45A 很相似,大约 10.4 米长,翼展 13.4 米,可携带 1,200 千克重的武器弹药,航程要求达到 1,200 千米,续航时间要求达到 12 小时。

X-46 想象图

X-47

  X-47 是诺斯罗普.格鲁门公司研制的一种无人作战飞机,目前其型号有 X-47A 和 X-47B。X-47A 采用了类似风筝的气动布局,其外形更接近于进行秘密行动任务的飞机的理想外形。机翼前缘后掠角 55 度,后缘前掠角 35 度,采用单发动机布局,发动机进气口位于机身上方前部。X-47A 的设计特点是有 6 个操纵表面,2 个升降副翼和 4 个“嵌入面”。“嵌入面”是一种小型的可收式控制表面,用以代替分段方向舵,提供方向安定性。两个位于机翼上部,其余两个在机翼下部的对应位置。与机翼后缘采用的分段方向舵相比,“嵌入面”具有较小的雷达反射截面积。2004 年 2 月 23 日,X-47A 成功完成了历时 12 分钟的首次试飞。

  为了与波音公司的 X-45C 竞争,诺斯罗普.格鲁门公司与洛克希德.马丁公司联手推出了 X-47B。与 X-47A 相比,X-47B 的体积将会更大,作战能力也会有质的提高。X-47B 具有极佳的隐身性能和战场生存能力,可以携带各种传感设备和内部武器装备载荷,并能进行空中加油。

X-47B

X-48

  X-48 是一种采用由波音公司“鬼怪工程队”开发的“混合机翼机体”(BWB)技术的验证机,这种长为 10.7 米、重为 670 千克的飞行器目前正在 NASA 的兰利研究中心建造,计划将在今年进行试飞。

  BWB 技术将使飞行器相比于目前常规飞行器具有更好的结构强度、更远的航程和更便宜的飞行成本,它在军事和民用领域的应用潜力十分巨大。比如使用 BWB 技术的新型加油机将能有更大的空间来装备 3 具硬管和 2 具软管输油系统,并能实现加油过程的全自动化。由于这种加油机的储油将储存在机翼油箱中,所以它的机舱中还能最多载运 23 个货柜和 40 名全副武装的士兵。

BWB 技术飞机为 X-45 机队加油的想象图

X-48 想象图

X-49

  直到现在,DARPA 也没有将 X-49 的研制代号指定给任何一个具体的试验飞行器,而早在 2002 年 X-50A 的研制代号就已经公开指定了。也有人猜测 X-49 本身就是极端保密的项目,因而外界不可能获取任何相关信息。

X-50

  波音公司研制的 X-50A“蜻蜓”是一种使用“前翼/旋翼”技术(CRW)的垂直起降试验机,它在起飞时就象普通直升飞机一样使用顶部旋翼,而在高速巡航时(最高时速可达 700 公里/小时)则将顶部旋翼锁定变成固定翼飞机。X-50A 机长 5.39 米,机高 1.98 米,顶部旋翼直径 3.66 米,机鼻前翼翼展为 2.71 米,重量为 662 千克。

  X-50A 可以在没有任何机场辅助设施的地方起降,如海滨地区、城市中心等,其最终研制目标是成为一种由有人机控制的无人驾驶垂直起降飞机。2003 年 12 月 3 日,X-50A 在研究人员的遥控下进行了首次悬停飞行试验,在空中停留了 80 多秒钟并上升到距离地面 12 英尺的空中。

X-50A

悬停状态的 X-50A

结语

  美国 X 系列试验飞机先后创造了多项人类飞行史上的记录,如第一次突破音障、第一次飞到了 30,000 米、60,000 米、90,000 米的高空,第一次使用合成金属制造飞行器主结构,第一次突破 4 马赫、5 马赫和 6 马赫、第一次在接近音速条件下验证了整个机翼的层流控制理论、第一次的火箭洲际航行……凭借这些科研“排头兵”,美国在航空航天领域的研究长期处于世界领先地位,不断抢占着高科技的“制高点”。

  纵观美国整个 X 系列试验飞行器的发展史,我们发现虽然其中许多型号都是以失败而告终,而且花费了大量的人力、物力和财力,但正是有了这些尖端科学技术的“开拓者”,才有了今日美国航空航天研究领域的辉煌成就。任何对于这些失败项目的冷嘲热讽和沾沾自喜对于我们自身来说都是极端危险的,因为在未知领域里的探索完全不犯错误是不可能的,妄想一步到位不失败的思想更是不可取的。

  X 系列试验飞行器计划艰辛的发展历程告诉我们:失败并不可怕,关键是对待失败的态度。该计划能够持续发展数十年并取得众多骄人的成绩,并不能简单的用“充足的资金保证”这一点来解释的,认真负责充满想象力的设计师、勇敢而又沉着的试飞员、周密详细的项目规划、正确而又合理的政策引导等才是其成功的主要原因。

  希望 X 系列试验飞行器计划带给我们的不仅仅是那一连串令人眼花缭乱的先进技术验证机,而是隐藏其间的众多经验和教训。

美国 X 系列试验未来飞行器简史(4

第三部分:X-31------X-40

X-31

  X-31 增强战斗机机动性(EFM)项目由波音公司与欧洲航空防务航天公司联合开展研究,它是 X 系列试验飞行器中第一个国际合作项目。X-31 机长 14.85 米,机高 4.45 米,翼展 7.28 米,采用鸭式前翼、机腹进气、双三角机翼、单垂尾、无平尾布局,并带有翼根前边条。其机翼采用铝合金翼梁和翼肋、碳纤维复合材料蒙皮,机身结构大部分为铝合金材料。X-31 机身腹部的矩形进气口带前伸的附面层板,其下唇口板可调节。

  X-31 的动力系统与 X-29A 一样,都是通用电气的 F404-GE-400 涡扇喷气发动机。其发动机尾喷口处安装有三片推力导向片(可作正负 10 度的偏转,并能长时间承受最高 1,500 度的高温),可使飞机在上下或左右方向上的控制更加自如。X-31 采用数字飞行控制系统,其中三台同步主计算机控制飞机飞行控制面的工作,余下一台计算机则在前面三台计算机出现冲突时充当连接断路器的角色,但这四台计算机都不具有与 X-29A 类似的备份功能。

X-31

X-31 着陆时打开了后向边条

X-31 控制翼面示意图

  X-31 主要用来验证推力矢量技术与高级飞控系统配合的实用性,即用推力矢量技术和可控前翼完成常规飞机无法实现的大迎角机动飞行。与同时代的“先进技术战斗机”(ATF)和“欧洲战斗机”(EFA)等先进战斗机强调中距空战能力的设计思想不同,X-31 计要求主要是研究如何提高近距空战格斗能力,使飞机能够在很大的迎角和很低的速度下飞行,使其具有更高的转弯角速度。

  首架 X-31 于 1990 年 10 月 11 日进行了首飞,随后的飞行试验大部分都是在验证大迎角条件下的飞行状态。在这些试验中,X-31 尝试了多个角度上的失速飞行,为突破“失速障”这一技术难题积累了大量试验数据。1994 年,X-31 开始进行超音速飞行时无尾翼飞机飞行状态研究的试验。

X-32

  通常情况下,战斗机的原型机是不能进入 X 系列试验飞行器计划的,但鉴于 X-32 和 X-35 在设计中都将尝试一种新颖的而且风险极大的“短距起飞和垂直降落”技术,所以破例为它们都赋予了“X”的编号。

  X-32 是波音公司为了获得美国军方JSF联合攻击战斗机项目而推出的样机,机长 14.33 米,机高 3.96 米,翼展 10.97 米(CTOL 型)。JSF 项目有多种型号:空军常规起降型(CTOL)、海军常规起降舰载型和短距起飞垂直着陆型(STOVL),其中 X-32A 进行常规起降的试验,X-32B 则验证短距起飞和垂直降落的性能。

  X-32 外形比较奇特,由于它有一对联接在发动机后部的可转向的喷气升力喷管,因而发动机必须安装在飞机前部。X-32 采用很厚的整体式机翼,可承载大部分的结构载荷,并能装载近 9 吨燃油。机头下方有一个缝式进气口,每秒可吸入 180 千克的空气,供一台普惠 F119--SE614 涡轮风扇发动机使用。从总体上看,X-32 使用了大量先进技术,因而其技术实现难度也较大。在与 X-35 的竞争中,“前卫”的 X-32 败下阵来从而也失去了美国军方 21 世纪最大一笔军机采用订单。

X-32

X-33

  X-33 由洛克希德.马丁公司著名的“臭鼬工程队”研制,它是无人驾驶单级入轨可重复使用航天运载飞行器“冒险星”的 1/2 比例的原型机,机长 20.29 米,机高 5.88 米,翼展 22.06 米。

  X-33 采用垂直起飞方式,亚轨道飞行,能在飞行跑道上着陆。X-33的 动力采用一台波音公司特别开发的 J2S 火箭发动机,其余部件也是包含了诸多高科技元素。2001 年 3 月,同样由于存在诸多难以突破的技术难关(如线性气塞式发动机),NASA 取消了已经耗资了 13 亿美元的 X-33 项目。

X-33 想象图

X-34

  X-34 也是一种蕴涵了许多最顶尖科技的无人驾驶可重复使用低成本航天运载飞行器,它的主要任务是验证大幅度降低航天运载成本技术的可行性。X-34 机长为 17.76 米,机高 3.50 米,翼展 8.44 米。

  X-34 项目的目标就是要将现在航天入轨飞行中 10,000 美元/磅的运载成本降至 1,000 美元/磅。虽然其目标很诱人,但 X-34 仍然由于其技术太超前和项目超支于 2001 年 3 月被取消,取消之前制造了 3 架空射试验平台,进行了 3 次系留飞行试验。

X-34

X-35

  X-35A/B/C 是洛克希德.马丁公司为参加美国军方 JSF 战斗机项目竞标而研制,采用一台普惠 F119-SE611 发动机,并采用升力风扇系统来实现垂直飞行。X-35A 机长 17.34 米,机高 4.41 米,翼展 10.05 米。

  相较于 X-32 来说,X-35 的设计更加务实,采用的大多数都是已经很成熟的技术。所以从外形上看,X-35 更象是一架常规设计的战斗机。在试飞试验中,X-35 成为了第一架突破马赫 1 的垂直起降飞机。由于赢得了 JSF 的订单,X-35 将成为 21 世纪初生产数量最大的一种战斗机,它将装备美国空军、海军、海军陆战队和英国皇家空军、皇家海军等多个客户。

X-35

X-36

  由 NASA 和波音公司(原麦道公司)联合研制的 X-36 是一种遥控无尾技术验证机,它在试验中获取的的数据将能极大的提升未来战斗机空战操控性和生存能力。X-36 将用来研究战斗机隐身设计与飞行敏捷性的配合,及其对其它性能的影响。

  X-36 机长 5.55 米,翼展 3.175 米,机高 0.95 米,空重 494 千克,最大起飞重量 576 千克,最大速度为 450 公里/小时。X-36 采用翼身融合设计鸭式布局构型,没有大多数传统飞机上的垂直尾翼和水平尾翼结构。其结构主要采用铝合金与石墨复合材料蒙皮,机翼前缘与后院都具有 40 度的后掠角。由于是无尾设计,X-36 的雷达反射面积有了大幅度的减小,但却给飞机的飞行敏捷性和高升力特征产生不利的影响。因而 X-36 采用了分裂式副翼和推力矢量装置进行方向操纵,另外还使用了一种非常先进的单通道数字飞行控制系统来使飞机飞行时保持稳定。X-36 采用一台威廉姆斯国际 F112 涡扇发动机,其最大推力为 320 千克。

X-36

  为了节省资金以及获得更可靠的飞行数据,X-36 没有采用异常昂贵复杂的自动飞行控制系统,而是采用遥控的方式。X-36 机鼻处安装有一台微型摄影机和一个微型话筒,这样飞行控制人员在地面虚拟座舱中通过它们所获取的飞行信息对 X-36 进行遥控飞行。首架 X-36 于 1997 年 5 月 17 日成功首飞,随后的试验主要验证了其在低速/大迎角和高速/小迎角状态下的飞行敏捷性,结果显示 X-36 飞行十分稳定而且操控性和机动性也十分出色。X-36 采用常规滑跑起飞和着陆方式,紧急情况下可采用伞降回收。

X-36 三视图

X-37

  X-37 无人可重复使用航天飞行器由波音公司的“鬼怪工程队”研制完成,它不仅可以进行轨道飞行也可做再入地球轨道飞行。X-37 机长 8.38 米,机高 2.74 米,翼展 4.57 米,可由载人航天飞机带入轨道,作为第二载荷运载体以节省飞行费用。

  X-37 机身为全复合材料,采用一台 AR2-3 火箭发动机作为动力。设计中的 X-37 能在轨道连续运行 21 天,返回地球后能在常规飞机跑道上着陆。X-37 是 X-40A 航天飞行器的尺寸放大型。

X-37 飞行想象图

X-38

  X-38 是一种太空站成员返回飞行器(CRV)原型机,作为宇航员紧急逃逸装置使用。根据设计构想,CRV 将由绕轨道飞行的航天飞机从货舱中释放,然后与太空站进行对接,最后携载最多 7 名宇航员离开。CRV 上的生命维持系统最长工作时间为 7 个小时,当它进入地球大气层后到达 12,000 米高度后着陆降落伞会展开保证安全降落。

  X-38 最初打算作为国际空间站(ISS)的宇航员紧急救生船 80% 缩比大气层试验原型机使用,但后来 NASA 认为其功能太单一而不得不进行大的修改,以使它既能运送宇航员上空间站,又能用于宇航员撤离空间站。

X-38

刚从 NB-52B 载机上脱离的 X-38

  X-38 机长 7.31 米,机高 2.22 米,翼展 3.81 米,其外形借鉴了早期美国空军 X-24A 等升力体的设计,同样是标志性的钝头锥无主翼形体。X-38 外壳采用了大量的复合材料如玻璃纤维和碳纤维环氧树脂等,并在受力点上使用钢材料和铝材料进行加固。此外,为了抵御返回大气层时的高温,外壳上还覆盖有一层特殊的热防护层(TPS)。除了使用降落伞实施降落以外,X-38 机体底部还安装有和 X-15 类似的滑撬降落装置。X-38 使用惯性导航和 GPS 定位系统,并由自动飞行控制系统驾驶,按预先指定好的着陆路线飞行。X-38 携带有一组蓄电池为其航电、导航、飞控等系统提供必要的电力,同时它还安装有能够短时间使用的姿态调整火箭。

  X-38 的大气层飞行试验先由 NASA 的 B-52 载机(它也是 X-15 项目中的载机,因而被人亲密的称作 Mother Ship)挂于翼下带入空中,并在 25,000 英尺至 45,000 英尺空域间释放,以验证其飞行控制能力以及着陆降落伞的等功能。

从左至右依次是 X-31、F-15ACTIVE、SR-71、F-106、F-16XL、X-38、无线电控制载机和 X-36

X-38 三视图

X-39

  X-39至今仍然没有被公开命名,但却早已预留给美国空军研究实验室。据外界猜测,X-39 即是该实验室研制正在进行未来战斗机技术提升(FATE)项目的验证机代号。FATE 项目将会为战斗机设计带来新一轮的技术革新浪潮,它将使未来美国空军获得一种真正意义上的空天飞机。FATE 项目的关键技术包括:低可探测系统、主动空气弹性变形机翼、复合材料机体、自适应飞行控制系统等。

X-39 想象图

X-40

  X-40A 是波音公司在上个世纪 90 年代中期研制一种无人航天飞行器,最早是作为美国空军航天机动飞行器(SMV)项目的 90% 缩尺比例原型机,但实际上基本是作为 X-37 的亚音速空气动力验证机来使用。X-40A 只进行过 1 次 SMV试验,而参与 X-37 项目投放的试验则有 7 次之多。

  X-40A 长 6.7 米,高 2.19 米,翼展 3.50 米,重 1.13 吨,机身采用碳纤维环氧树脂和铝制造,将依靠运载火箭发射升空。因为 X-40A 体积较小,它最长可以在轨道中运行 1 年时间。X-40 的发射准备时间只要数天,而目前的太空船和不可回收火箭的发射都需要进行数周的准备。一旦进入轨道,X-40 就能马上开始工作。任务完成后,X-40 依靠全球定位系统 GPS 返回大气层,再通过自动着陆系统安全降落在地面跑道上。X-40A 是无动力的,据称另外一种具有动力的 X-40B 也在秘密研制中。

飞行试验中的 X-40A

地面测试中的 X-40A

美国 X 系列试验未来飞行器简史(3

第三部分:X-21------X-30

X-21

  诺斯罗普公司的 X-21 是用来进行层流控制研究,它是由道格拉斯公司 WB-66D 飞机改进而来的。层流控制飞机在飞行时,导致其燃料效率低下的很大一部分阻力是由于在机翼边缘处的平滑气流与机翼附面层作用,最终形成紊流所造成的。进行层流控制就是要防止紊流的产生,使整个翼面上能始终保持平滑气流,即层流。在进行飞机设计时,机体表面要尽量的光滑。但这只是被动防止紊流出现的措施,而层流控制技术则是一种主动防止措施,其具体方法就是在机体表面开设许多小孔,以吸走造成紊流发生的附面层附近的空气。是当时航空学领域一项前沿研究项目,它将提高飞行器燃料使用效率、航程、寿命,减小超音速飞行阻力等,典型的层流控制措施如在机翼上使用多孔物质、多重狭窄表面缝隙、微小穿孔等。

  X-21 机长 10.75 米,机高 7.77 米,翼展 28.49 米,其机翼表面上开有多重狭窄缝隙,可使空气注入从而诱发非湍层流的出现。X-21 的试验飞行于 1963 年 4 月开始,但其表现却是不尽如人意。机翼表面不够平滑,而且雨水、冰晶、尘土和其它细小微粒也会经常阻塞缝隙从而影响试验效果。在这种情况下,对 X-21 的主翼必须进行大改,否则不可能获得有用的试验数据。但此时美国空军的注意力已经完全集中到了越南,X-21 项目的研究随即被中止。

X-21

X-22

  贝尔飞机公司的 X-22 同样是一种倾转翼飞机,它由 D2127 运输机改进而来。X-22 机长 12.03 米,机高 6.27 米,翼展 11.97 米。X-22 的设计比较另类,其前机身两侧紧贴着两台通用电气 YT53-GE-8D 轴涡轮发动机,另外两台发动机则安装在后机身的一个横梁上。

  首架 X-22 在 1966 年 8 月的一次液压系统故障中完全损毁,因而其后所有的试验飞行任务全部落在第二架 X-22 的身上。这架 X-22 也争气,一直安全使用到了 1984 年 10 月并完成了 500 次以上的飞行任务。

X-22

X-23

  X-23“PRIME”(也被称作 SV-5D)是用来验证再入大气层控制翼面和升力体技术可行性的,它为其后 X-24 和航天飞机的发展提供了十分有用的试验数据。X-23 由“阿特拉斯”运载火箭送入太空,之后返回大气层。

  X-23 机长 2.01 米,机高 0.88 米,翼展 1.22 米,于 1966 年 12 月 31 日首飞。马丁.玛丽埃塔公司总共制造了四架 X-23,其中三架用于再入大气层试验。最初的两架在试验中没有能够成功回收,直到第三架才顺利完成了再入大气层的试验。

X-23

X-24

  马丁.玛丽埃塔公司的 X-24 是一种升力体飞行器,它一半象航天器一半象飞机。升力体飞行器采用钝头锥形体,没有大多飞机所具有的主翼等结构。其锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气层时能够产生升力,同时也能增强启动稳定性。升力体飞行器可以飞到太空中承受住再入大气层时的气动加热,也能象普通飞机一样在空气中滑翔并着陆。

  在 SV-5D(即 X-23)原型机的基础上,美国空军研制出了装备 XLR-11 火箭发动机的载人升力体飞行器 SV-5P,后改称 X-24A,其机长 7.46 米,机高 3.13 米,翼展 4.17 米。最初 X-24A 的试飞由 B-52 载机(曾作为 X-15 的载机)带入空中,试验完成后打开降落伞并由专门的飞机进行回收。后来,美国空军放弃了这种难度颇大的回收方式,改用水平着陆。试验飞行过程中,试飞员发现 X-24A 启动 XLR-11 火箭发动机后,其操控性和稳定性就会变得让人难以忍受。

X-24A

X-24A 三视图

  1971 年,X-24A 开始进行大的改造,随之其代号也变为 X-24B。与它的前身相比,X-24B 已经成为了一种三角翼流线型升力体飞行器,其机长和翼展也增大至 11.43 米和 5.82 米。1975 年 8 月 5 日,X-24B 在 B-52 的挂载下升空。离开载机后,X-24B 打开火箭发动机迅速爬升到 18.3 公里的高度,然后返回爱德华兹空军基地,并顺利的完成了无动力着陆动作。这次试验飞行表明,研制一种能够象普通飞机一样在飞机跑道上着陆的再入飞行器在技术上是完全可行的。

X-24B

X-24B 三视图

X-25

  本森飞机公司研制的 X-25 旋翼机(其原型为该公司研制的 B-8M)是直升机与飞机的混合体,作为一种飞行员紧急逃逸系统来使用。越南战争中,弹射出飞机的飞行员经常降落在远离美军救援队控制的区域,因而给救护带来了诸多不便。在这种背景下,X-25 旋翼救生装置便出现了。X-25 主结构采用铝制材料,其上有一个飞行员座椅和三个着陆轮。X-25 的主旋翼是无动力的,弹出损毁飞机后在空气的推动下旋转。另外,X-25 也可在旋翼机构损坏后进行滑翔飞行。X-25 长为 3.41 米,高 2.04 米,旋翼直径 6.61 米。

  虽然 X-25 的设想很巧妙,但要与战斗机结合起来使用却是相当困难的。经过多次试验后,美国空军还是觉得弹射座椅的可靠性更好,这样 X-25 项目也就走到了终点。

X-25

本森飞机公司的 B-8M

X-26

  X-26A 是由谢维泽公司 SGS 2-32 型滑翔机改进而来的,作为美国海军年轻飞行员的训练用机。与无动力的 X-26A 不同,X-26B 是有动力的,它在越南战争中作为丛林作战时的侦察平台来使用。洛克希德公司在 SGS 2-32 型滑翔机上安装了一台 O-200A 活塞发动机,就成为了低噪声的 X-26B。

  X-26B 可以算得上是最早的“隐身”飞机了,它的发动机安装于驾驶员座舱之后,然后通过一根长轴将一个巨大的螺旋桨置于机头上方,螺旋桨下方由从机头向上伸出的短梁作为支撑,以期最低限度的降低发动机噪音完成侦察任务。

X-26A

X-26B

X-27

  洛克希德公司研制的 CL-1200“枪骑兵”战斗机是 F-104“星”战斗机的一种改型,它是为了打开国际市场而研制的。美国空军决定购买一架“枪骑兵”进行飞行验证,从而赋予其 X-27 的代号。

  X-27 保留了 F-104 的机身,机翼则变成了上单翼,进气道形状也改为矩形。X-27 机长 17.16 米,翼展 8.77 米,装备一台普惠 TF30-PW-100 发动机,后来 CL-1200“枪骑兵”在与诺斯罗普 F-5E“虎II”战斗机的竞争中败北,X-27 则因为缺乏研制经费而被中止,只留下了一架全尺寸模型样机。

X-27

X-28

  X-28A“鱼鹰 I”是乔治.佩雷拉飞机公司研制的一种超轻型水上飞机,由于其造价十分低廉美国海军对它产生了兴趣,希望能将其改造成为一种可以执行海岸巡逻任务的水上飞机。X-28A 机长 5.24 米,机高 1.58 米,翼展 7.01 米,总重量只有 410 千克。X-28A 的动力系统为一台大陆 C90-12 四缸风冷发动机,最大速度为 220 公里/小时。

  X-28A 也许是 X 系列飞行器中最具有神秘色彩的也是“寿命”最短的,仅仅只造出了一架原型机后就销声匿迹了,其飞行试验时间也只是从 1970 年 8 月持续到 1971 年 10 月。

X-28A

X-29A

  X-29A 同样是 X 系列试验飞行器中十分重要的一员,用于试验前掠翼技术以及为达到下一代战斗机所要求的高机动性、轻重量、低成本、高效率而应用的其它先进技术。X-29A 机长 16.44 米,机高 4.36 米,翼展 8.29 米,采用全动式鸭翼、前掠机翼、后机身边条布局,机翼内半翼后掠,外半翼前掠,两半翼交汇处的不利气流由鸭翼产生的脱体涡卷走,使机翼有较好的升力特性。X-29A 的机翼采用铝合金和钛金属结构,石墨环氧树脂复合材料的蒙皮。X-29A 的飞行控制系统可以极大的减小由前掠翼设计带来的飞行不稳定性,其控制计算机可以 40 次/秒的频率对各个飞行控制面进行调整。另外,三台数字控制计算机还具有备份功能,即一台计算机出现问题后其余两台可以及时接替其工作。X-29A 安装有一台通用电气的 F404-GE-400 涡扇喷气发动机,其最大推力为 7,260 千克。

  前掠翼技术早在二战开始前就已经出现了,但由于技术条件所限并没有获得多大的发展。上个世纪 70 年代,高强度复合材料的出现使前掠翼在飞行器上的应用有了技术基础。1977 年,DARPA(美国国防高级研究计划局)和美国空军飞行动力学实验室(现莱特实验室)开始联合研制一种前掠翼试验机,并将其命名为 X-29A。由复合材料制成的 X-29A 前掠翼能够在飞行中克服扭曲变形,其强度也有了很大的提高。1981 年,格鲁门飞机公司被选中建造两架 X-29A。第一架 X-29A 于 1984 年 12 月 14 日在爱德华兹空军基地首飞成功,这是 X 系列试验飞行器计划停滞近十年后的首次飞行,标志着美国重新开始了向航空科研领域最高峰的攀登历程。

X-29A

X-29A 三视图

  格鲁门公司对 X-29A 进行了 4 次试验飞行后,于 1985 年 4 月将其转交给 NASA 完成余下的试飞工作。最初的飞行试验项目包括:使用先进的数字飞行控制系统在 35% 的负静稳定裕度情况下进行放宽静稳定度飞行,试飞验证前掠翼在跨音速时的优越特性。试飞结果表明,X-29A 在 M0.9/9,100 米的设计点飞行情况相当好。

  在随后一系列试验飞行中,X-29A 表现出了极佳的大迎角飞行能力。在 45 度的迎角飞行中,X-29A 具有优异的控制响应。即使到了 67 度的极限,X-29A 的表现同样不错,并且具有很好的滚转操纵性。要知道这是不借助任何附加翼面和推力矢量技术而实现的,所以 X-29A 这些飞行试验的意义非比寻常。1992 年,X-29A 还进行了一系列的涡流控制(VFC)试验,同样取得了大量有价值的试验数据。

X-30

  X-30 是由美国国防部和 NASA 共同组织研制的一种双座高超音速研究机,同时也是由 DARPA 提出的国家空天飞机(NASP)1986 年美国总统里根开始重振大气层航天飞机计划,国家空天飞机(NASP)是其重要组成部分。根据设想,NASP 将单级飞行进入低地轨道,并以 12 至 25 马赫的速度在 30,000-100,000 米的跨大气层中巡航。除了作为航天运载工具使用,NASP 还是一架超级轰炸机,其军事上的作用潜力十分巨大。 计划的原型机。X-30 实际上是一种能水平起降单级入轨、高超音速的航天飞机,采用尖头狭身机体大后掠三角翼单垂尾布局,以减少高速飞行时的阻力。X-30 的机身从前到后为头锥、两人驾驶舱、电子设备舱、燃料舱,在机体腹部的动力装置由涡轮冲压/超音速燃烧冲压/入轨和再入大气火箭发动机构成,机体主要使用钛基复合材料,表面高热部分用带有内部冷却系统的防热材料敷设。

  由于其研制难度太大和研制费用过高,X-30 项目仅仅只是停留在缩比模型研究阶段,并在 1994 年 11 月被取消,因而没有建造任何全尺寸实体样机。

X-30 的想象图

美国 X 系列试验未来飞行器简史(2

第二部分: X-11------X-20

X-11

  康维尔公司研制的 X-11 是 SM-65“阿特拉斯”洲际弹道导弹的前身,用以搜集后者研制过程中所必须的试验技术数据,是发展“阿特拉斯”导弹的关键试验设备。“阿特拉斯”是美国部署的第一种洲际弹道导弹,其后续派生型号直到今天也还作为民用/军用空间探测发射运载工具使用。

发射中的 X-11

  X-11 为康维尔公司两级火箭计划的首个产品,长度为 29.26 米,直径为 3.66 米。X-11 安装有一台北美 XLR43-NA-5 火箭发动机,最大速度高达 10.6 马赫。总共制造了 8 枚 X-11,先后参与了“阿特拉斯”洲际弹道导弹和“水星”载人轨道飞行计划。

X-12

  与 X-11 一样,X-12 的任务也是为“阿特拉斯”洲际弹道导弹的研制工作搜集试验飞行数据。同时 X-12 是康维尔公司两级火箭计划实施的第二个产品,用以全面掌握使用洲际弹道技术。

  X-12 长度为 31.40 米,直径为 3.65 米,其第一级安装有四台北美 XLR-43-NA-5 火箭发动机,第二级则是一台,最大速度可达 18 马赫。X-12 先后制造过 5 枚,但和 X-11 一样都在试验中消耗了,没有任何一枚能够保存下来。

X-12

X-13

  瑞恩航空公司研制的 X-13 是一种纯粹使用喷气发动机来完成垂直起降(VTOL)的试验型飞机,它使用一台罗罗公司的“埃文”RA.28-49 型涡轮喷气发动机,能够很容易的在垂直与水平飞行状态之间转换。X-13 机长 7.13 米,机高 4.60 米,翼展 6.40 米。

  垂直起降技术现在看来已经不是什么新鲜事了,但在二十世纪五十年代中期却是相当前卫同时也是难度颇大的设计。鉴于瑞恩航空公司为美国海军成功研制了喷气-螺旋桨混合式战斗机 FR-1“火球”,美国空军于 1954 年 7 月决定让该公司开始研制垂直起降喷气式飞机 X-13,后来海军和 NACA 也进入其中。为了减轻 X-13 的重量,常规飞机中最常见的部件都被取消了,如起落架、襟翼、弹射座椅等。另外,X-13 所携带的燃油也受到了严格限制。1957 年 7 月,X-13 从安德鲁空军基地直接飞到了美国五角大楼附近并安全降落,这是有史以来五角大楼迎接的第一架也是唯一一架固定翼喷气式飞机。

正在降落的 X-13

  X-13 采用无尾三角翼设计,翼尖和垂尾顶部位置装有压缩空气喷嘴以控制机体空中飞行姿态。由于没有起落架,X-13 的机鼻下方安装有一个简单的吊钩以钩住平板车起降台上方的横杆。X-13 中部也有一个托架,可与起降台相连。平时平板车起降台是水平的,X-13 就停放在上面。当 X-13 即将起飞的时候,起降台就会升起至垂直位置,随后 X-13 即可垂直起飞。降落时,X-13 飞行员要将吊钩钩住横杆进行回收,整个过程需要极大的耐心和极高的飞行技术。因而虽然 X-13 在技术上是成功的,但在实用性方面却是失败的。即便如此,X-13 的成功飞行还是证明了喷气垂直起降飞机在技术上是可行的,为日后喷气垂直起降飞机的发展提供了十分有益的借鉴。

X-14

  贝尔飞机公司的 X-14 也是一种验证 VTOL 技术的飞机,与 X-13 不同的是它可以实施真正意义上的垂直起降而不是尾部立式起降,这样就不需要使用地面回收装置来帮忙了。X-14 主要用来验证飞机在垂直起降工作状态下,飞行操纵系统如何适应其配平的变化。

  X-14 的机身和机翼分别取自两种不同的飞机,所以它的外形看上去十分怪异。X-14 机长 7.92 米,机高 2.71 米,翼展 10.30 米。由于没有安装弹射座椅,X-14 的座舱是半开式的,飞行员可在紧急情况下迅速离开驾驶舱。从 1954 年 11 月首飞开始,唯一的一架 X-14 一直使用到了 1981 年,它是美国 X 系列试验飞行器中“寿命”最长的一个。

X-14

X-15

  X-15 高超音速研究项目是由 NASA 牵头,联合美国空军、海军和北美航空公司共同进行的。在近十年的时间里,X-15 先后创造了 6.72 马赫和 108,000 米的速度与升限的世界记录,它的试验飞行几乎涉及了高超音速研究亚音速:速度小于1马赫。超音速:速度在 1 至 5 马赫间。高超音速:速度在 5 马赫以上。的所有领域,并为美国后来水星、双子星、阿波罗有人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的试验数据。在 X-15 整个试验飞行过程中,研究人员根据其飞行数据总共撰写了 765 份有价值的研究报告。

  X-15 机长 15.30 米,机高 3.53 米,翼展 6.79 米,采用中单翼设计,最初装备两台 XLR-11 火箭发动机(后改为 XLR-99)。X-15 机身表面覆盖有一层称作 Inconel X 的镍铬铁合金,可抵御高速飞行时产生的 1,200 度高温。由于火箭发动机燃料消耗量惊人,所以 X-15 必须由一架 B-52 载机带入空中。从载机上释放后,X-15 自身携带的燃料只能飞行 80~120 秒,因此余下来的 10 分钟左右只能是无动力滑翔。降落时,X-15 机身前部下方安装有常规机轮,机身后部则为两个着陆滑撬。

X-15 与伴飞的 F-104 战斗机一起降落,清晰可见其后部的降落滑撬

X-15A-2

  1964 年 2 月,两架 X-15 被改装为 X-15A-2。后者机身加长了 71 厘米,机翼下增加了两个分别装有液氨和液氧的罐体,它们可以为 X-15A-2 多提供 60 秒的飞行时间。X-15A-2 在 1967 年创造出了 6.72 马赫的世界最快速度记录。

X-15 三视图

X-16

  贝尔飞机公司的 X-16 是一种高空照相侦察飞机,但只作出了一个缩比模型后就被洛克希德公司更先进的 U-2 高空侦察机给拉下了马。X-16 机翼奇长,其翼展达到了 34.75 米。根据 1953 年美国空军提出的要求,X-16 升限应该能达到 21,000 米左右,航程也应在 2,800 公里以上,同时具有亚音速飞行能力。

  X-16 是 X 系列中第一架非试验用途的飞行器,赋予其 X 编号只是为了掩人耳目罢了,这是美国人经常玩的把戏。这和后来为 F-117“夜鹰”隐形轰炸机赋予“F”编号是同样的道理,都是为了掩盖它们在未来的真实作战用途。

X-16 模型

X-17

  当美国空军在 1953 年开始决定发展远程弹道导弹的时候,如何获取导弹头锥体在高速再入过程中的试验数据以完善设计方案成为一项重要任务。为了满足这一需要,洛克希德公司于 1955 年 1 月获得了研制建造 X-17 导弹的合同。

  洛克希德公司的 X-17 是一种三级固体燃料火箭,用来获取制造再入大气层运载工具所需的试验数据。X-17 长度为 12.33 米,最大直径为 0.79 米,总共装备有四台固体火箭发动机。根据 X-17 一系列试飞试验所获得的宝贵数据,美国先后研制出了一大批再入大气层飞行器。另外,X-17 是首架采用钝形头锥设计的飞行器。

地面调试中的 X-17

  在一次典型任务中,X-17 会在第一级推进阶段爬升至 15,000 米的高空。当第一级燃料耗尽后,X-17 开始降低高度。当高度降至 36,500 米时,第二级点火推动 X-17 从马赫 5 加速至 10 马赫。当 X-17 下降至 22,000 米时,第三级点火将速度最终提升至 14.5 马赫的极限。

X-18

  美国希勒飞机公司的 X-18 是美国研制的第一种可倾转翼飞机,说它是后来 XC-142 和 V-22“鱼鹰”的“祖先”一点也不为过。X-18 的机体是在蔡斯 YC-122C 运输机的基础上改进而来的,安装的两台艾立森 T40-A-14 涡轮螺旋桨发动机来自美国海军的 XFY-1/XFV-1 立式起降战斗机。X-18 机长 19.20 米,机高 7.49 米,翼展 14.63 米。

  1961 年 7 月,X-18 在它的第 20 次试验飞行中一个倾转翼发动机发生了故障,飞机随即进入了螺旋。虽然 X-18 在坠毁前的一刹那被机组成员成功降落,但与地面碰撞后的机体还是有很大的损伤。这之后 X-18 再也没有飞上蓝天,只在地面上进行一些测试。最终 X-18 试验项目被取消,唯一的一架也被拆解当作废品买掉了。

地面试验中的 X-18

X-18

X-19

  X-19 最初是寇蒂斯-莱特公司生产的一款小型倾转翼商业飞机 M-200,后来美国军方认为该机具有执行侦察、运输任务的潜力,因而决定在它的基础上研制 X-19。四台外露螺旋桨由两台莱康明 T53-L-1 涡轮轴发动机提供动力,前者安装在翼展为 5.21 米的机身顶部短翼上可旋转 90 度。

  X-19 在试飞中的表现很糟糕,除了最大巡航速度只能达到 650 公里/小时以外,它的有效载荷能力也只有 550 千克。在 1965 年 8 月的一次飞行中,首架 X-19 由于机械故障坠入了一片沼泽地里完全损毁。在第二架开始试验飞行前,X-19 项目被取消了。

X-19

X-20

  X-20“代纳索”是波音公司为美国空军设计的一种载人航天轰炸机,可以超过 5 马赫的高超音速飞行,执行侦察、武器投放等军事任务。X-20 由“大力神”火箭送入地球轨道,可进行多圈轨道飞行。从某种意义上说,X-20 是后来航天飞机的“先行者”。

  X-20 长 14.50 米,翼展 6.22 米,采用无尾三角翼布局,头部呈圆拱形,机翼后掠 72 度,翼尖上折充当垂直安定面。后来由于耗资过大和设计目标不切实际,X-20 项目在只完成一个全比例模型后就于 1963 年 12 月被取消了。

X-20 模型

X-20 想象图

X-20 想象图

美国 X 系列试验未来飞行器简史(1

  英文字母 X 是“Experimental”这个单词的缩写,即“试验的”之意,同时也蕴涵着“未知的”深层含义。在飞行器设计领域,未知的技术障碍与难题比比皆是,即使是通过风洞、模拟器和计算机也只能构建出一个理想状态下的模型而已,所以必须研制出专门用途的试验机去探索那些未知领域。

  为了探索航空航天领域众多的未知领域,美国人开始了 X 系列试验飞行器的研究工作。1945 年初,世界上第一架火箭动力试验机 XS-1(后来命名为 X-1)在美国军方的资助下首飞成功。这之后,X-3、X-4、X-5 等一大批试验飞行器相继飞上了蓝天。在随后近三十年的发展过程中,以 X 冠名的试验飞行器几乎每年都要研制一种,其研制速度也快得惊人,这段时间因而也成为了 X 系列试验飞行器发展的黄金时期。

  越南战场上的节节失败和苏联全球范围内的战略紧逼,让美国开始进入战略调整阶段。在这种大环境下 X 系列试验飞行器的研制计划也陷入了停顿,从 1971 年至 1983 年美国没有进行任何一种 X 型试验机的研制工作。

  强硬的里根总统上台后,沉寂了多年的 X 系列试验飞行器计划终于迎来了转机,1984 年 X-29A 前掠翼试验机的首飞成功重新拉响了美国向未知航空航天领域前进的号角。仅在上个世纪九十年代的十年间,就先后有 14 种 X 型试验飞行器投入研制,X 系列试验飞行器计划的第二个黄金发展时期来到了。

  今天,X 系列试验飞行器已经不再单纯以“更高、更快”作为其发展目标了,跨大气层飞行器、太空营救系统、无人隐形武器投送平台等成为新的发展亮点。可以肯定的是,在未来的日子里我们一定会看到越来越多更加先进的 X 系列试验飞行器飞上蓝天……

                     

参考书目:Jay Miller 《The X-Planes: X-1 to X-45》

第一部分:X-1------X-10

X-1

  X-1 试验飞机作为人类历史上一种划时代的飞机,不仅仅是因为它的速度超过了音速,也是因为它是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机。X-1 最初设想来自于 20 世纪 30 年代末飞机设计领域所遇到的问题,当时建造的风洞已经不能满足飞机在亚音速和超音速飞行条件下各种参数的正确搜集,因而研制一种专用的飞行试验机势在必行。

  贝尔飞机公司制造的 3 架 X-1 机长 9.45 米,机高 3.35 米,翼展 8.53 米,其机身形状与 12.7 毫米机枪子弹极其相似,这样可在超音速飞行时保持机体的稳定。X-1 的机翼为平直翼,翼面厚度很小。XLR-11 火箭发动机为其提供动力,其燃料为液氧与酒精和水的混合物。X-1-1、X-1-2 于 1945 年相继出厂开始了试验飞行,与此同时 NACA(美国国家航空咨询委员会,美国国家航空航天局 NASA 的前身)也加入了 X-1 项目的研制工作。

X-1 试验机和 B-29 载机

超音速飞行中的 X-1

  1947 年 10 月 14 日,试飞员查理斯.耶格尔驾驶 X-1-1 在 43,000 英尺的高空飞出了 1.06 马赫音速:音速约为每秒钟 340 米。马赫:超高速单位,物体运动的速度与音速的比值为马赫或马赫数。的高速,从而迈出了人类超音速飞行的第一步。不久,X-1-2 在飞行试验中速度也超过了音速。1950 年 5 月 12 日,X-1-1 在耶格尔的驾驶下完成了最后一次试验光荣退休了。随后,X-1-2 也停止了飞行开始进行改造。NACA 的工程师们为 X-1-2 设计了新的机翼和新型的涡轮泵燃油系统,另外还将试飞员从侧面舱门进入驾驶舱的设计改为向上开启的座舱盖,这样 X-1-2 就成为了 X-1E。X-1E 是用来验证薄翼气动特性的,它是第一架采用 4% 机翼厚度飞行成功的飞机。另外还有必要提一下 X-1-3,由于其燃料供给系统进行了改进,所以其理论最高速度可以达到 2.4 马赫,远远超过了前两者。但这架 X-1-3 运气不太好,在一次试飞中由于燃料泄漏事故和载机 B-50 一起在空中炸成了碎片。X-1 总共试验飞行了 157 次,最大飞行速度达到 1.45 马赫,最大飞行高度 21,000 米。

  贝尔飞机公司之后又建造了四架经过改进的 X-1,其中 X-1A 进行动力稳定试验,X-1B 进行空中载荷研究,X-1C 搭载机炮进行武器测试(实体模型阶段被取消),X-1D 则进行传热研究。X-1D 和 X-1A 先后在试验过程中爆炸坠毁,事后调查发现和 X-1-3 一样都是因为液氧油箱中皮革垫圈引起的,所以随后 X-1B 和 X-2 机体上的皮革垫圈全部被除去。多次马赫 2 的飞行试验后,X-1B 在 1957 年被改装用来进行反应控制系统(RCS,Reaction Control System)的试验。它的翼尖上被装上了数枚过氧化氢火箭,当动态压力对于常规空气动力控制过小的时候,其后机身和机尾就会提供控制,这些成果为随后 X-15 的发展提供了宝贵的经验。

X-1 三视图

X-2

  X-2 试验机项目于 1945 年由贝尔飞机公司、美国陆军航空队、NACA 共同承担研制任务,它是一种装备火箭发动机、后掠翼的试验用机,其主要用途是为了研究飞行器在高空高速飞行条件下的气动力加热对机体结构的影响,以及飞行稳定性和操控有效性。

  X-2 机长 13.84 米,机高 3.60 米,翼展 11.55 米。其机身使用了不锈钢和 K-monel(一种铜镍合金)材料,其动力为一台寇蒂斯 XLR25 液体火箭发动机。鉴于早期 X-1 发生的事故,X-2 为飞行员安装了一个逃生舱。在紧急情况下,逃生舱可脱离主机身并打开稳定降落伞。当逃生舱降落到一定高度的时候,飞行员再可打开舱盖自行跳伞逃生。即便如此,一架 X-2 还是在一次燃料泄漏事故中发生了空中爆炸,试飞员当场死亡。

X-2 与载机 B-50

  1956 年 4 月 25 日,试飞员埃伯依斯特驾驶 X-2 在试验飞行中首次超过了音速,达到 1.4 马赫。在随后的飞行中,X-2 又达到了 2.53 马赫的高速。7 月 23 日,埃伯依斯特进行了最后一次 X-2 飞行,在 20,800 米的高空达到了 2.87 马赫,这次飞行让他获得了“世界上飞得最快的人”的光荣称号。这还没有完,9 月 7 日另一位试飞员金切洛驾驶 X-2 飞到了 38,500 英尺的高空,也为自己赢得了“世界上第一位太空人”的称号(该记录后来被 X-15 所打破)。

  9 月 27 日,埃伯依斯特刚保持了两个多月的速度记录就被另一名试飞员梅尔本.阿普特打破了。在当天的试验飞行中,X-2 在阿普特的驾驶下达到了 3.196 马赫。也许是被打破记录的喜悦冲昏了头脑,阿普特让 X-2 来了个空中急转弯,以便能更快的返回爱德华兹空军基地,但这个急转弯让飞机的控制系统失灵并进入了螺旋。阿普特试图重新控制住飞机,但没有成功。在即将坠毁的一瞬间,阿普特按下了逃生舱脱离的按钮,但为时已晚他与 X-2 重重的摔在了地上。

X-2 三视图

X-3

  道格拉斯飞机公司研制的 X-3 机长 20.36 米,机高 3.81 米,翼展 6.92 米,其外形就像一把短剑,是早期 X 系列试验飞机中外形最流畅的。与 X-1、X-2 不同,X-3 是借助自身的动力起飞和降落,并能保持进行 2 马赫巡航飞行。X-3 机体结构首次尝试大量使用钛合金,同时还进行了低展弦比、高翼载机翼的可行性研究。X-3 的机身细长机翼短粗,这是当时美国正在研制中的战斗机的典型布局。后来,F-104“星”战斗机的翼形就是取自 X-3。

X-3

X-3 与 X-1A、D-558-1、XF-92A、X-5、 D-558-2、X-4 停放在一起

  首架 X-3 于 1952 年 9 月 11 日出厂,而第二架 X-3 则因为发动机动力不足和机体问题被中途取消,部分完成的机体作为首架机的备件使用。在爱德华兹空军基地进行的试飞试验中,试飞员认为 X-3 的两台威斯汀豪斯 J34-WE-17 涡轮喷气发动机动力严重不足而且飞机本身操控性也很糟糕。X-3 的首次超音速飞行是在以 15 度的角度进行俯冲时获得的,当时的速度只有可怜的 1.1 马赫。而它在随后飞行中达到的最快速度也仅为 1.208 马赫,当时的 X-3 正处于 30 度的俯冲状态。

  X-3 在试验飞行中,经常会出现“滚转耦合”的问题,即在进行一个轴上的机动时就会引起另外两个轴上不受控制的机动。当时 F-100 战斗机也经常碰到这样的问题,NACA 随即在 X-3 上对“滚转耦合”问题进行了深入的研究。

X-3 三视图

X-4

  洛斯罗普飞机公司的 X-4 主要是用来验证半无尾翼超音速飞行的可行性,当时许多人认为这样一种取消了水平尾翼的设计将能避免超音速飞行时机翼和水平尾翼之间振荡波的相互干扰。

  X-4 机体相当小巧,机长仅为 7.07 米,机高 4.54 米,翼展 5.15 米,只能容纳两台 J30 喷气发动机、一名飞行员和必要的设备,携带的油料也只能维持 45 分钟。不过小也有小的好处,X-4 几乎所有的地面维护工作都可以不需要登机梯或脚凳来完成,地勤人员站在地面上就可以很容易的看到机舱内部的情况。

X-4

地面维护中的 X-4

  第一架 X-4 于 1948 年 12 月 15 日首飞,但由于飞行状态极不稳定很快就被停飞了。第二架 X-4 也好不到那儿去,经常会在 0.8 马赫速度飞行时出现机体上下振动的问题,为此试飞员自嘲驾驶 X-4 就像是驾驶汽车行驶在“搓衣板”上一样。尽管后来经过工程人员的改进,X-4 暂时克服了偏振的问题,但当它的速度达到 0.91 马赫的时候,问题又出现了。X-4 的飞行试验证明,半无尾翼飞机不适合接近马赫 1 的飞行。后来,计算机电传系统的出现让后掠翼无尾翼设计再次火了起来,X-36、F-117A 等都采用了这样的设计,尽管它们的外形和 X-4 相比已经是发生了巨大的变化。

X-4 三视图

X-5

  贝尔飞机公司的 X-5 将研究的重点转向了变后掠翼。X-5 在外形上大量借鉴了德国在二战期间研制的 P.1101,都是机头进气、气泡式座舱和下置发动机设计。X-5 的机翼可在 20~60 度之间变换,总共需要 20 秒钟。当电动后掠装置失效后,飞行员可使用手闸完成掠翼工作(X-5 只能在低于 40 度的后掠角度下安全着陆)。X-5 机长 10.18 米,机高 3.66 米,翼展为 6.34 米。

X-5

NACA 的早期试验机,从左至右依次是 D-558-2、D-558-1、X-5、X-1、XF-92、X-4

  1951 年 6 月 20 日,X-5 在爱德华兹空军基地完成了首飞。在第 9 次试飞中,X-5 首次成功完成了空中掠翼动作。由于艾立森 J35-A-17A 涡轮喷气发动机安装位置较低,X-5 经常会出现螺旋。1953 年 10 月 13 日,试飞员雷蒙德.帕普森在 X-5 的螺旋事故中没有成功改出,最终机毁人亡。螺旋的频繁出现并不是变后掠翼的问题,而是 X-5 机体设计上的缺陷造成的。

  从上个世纪六十年代开始,逐渐成熟的变后掠翼开始大行其道。凭借着 X-5 的丰厚技术积累,美国先后研制出了 F-111 战斗轰炸机、F-14 战斗机以及 B-1 轰炸机,所以可以这么说,X-5 是美国变后掠翼飞机的共同“祖先”。

X-5 三视图

X-6

  在那个核力量至高无上的年代里,美国空军甚至开始考虑将核反应堆作为飞机的动力来源,以获得超长的飞行能力。X-6 项目正是在这种背景下出台的,按照美国空军和美国原子能委员会的最初设想,X-6 以 B-36 轰炸机为基础,安装一台通用电气 P-1 型核反应堆,其产生的热能将带动四台通用电气 J47 涡轮喷气发动机运转,从而为 X-6 提供飞行动力。

X-6 核动力飞机的模型

飞行中的 NB-36H

  等美国人开始认真考虑 X-6 计划的时候,他们才发现这种飞机在未来的战争中只能成为悬在自己头上的“核炸弹”,其安全性得不到很好的保证。很快 X-6 就被取消了,只留下一大堆原始方案图纸。此时,作为 X-6 的前期研究技术储备的 NB-36H 核动力飞机已经安全飞行了 47 次。

X-7

  洛克希德导弹与空间公司研制的 X-7 主要用来进行高速冲压喷气发动机的研究工作,其主要型号有 X-7A-1、X-7A-3 和 X-7B。X-7 体形很独特,其长度为 9.99 米,翼展为 6.34 米,因而常被人戏称作“飞行大烟囱”。试验飞行时,X-7 会由载机 B-29 或 B-50 升入空中,然后脱离载机其尾部助推器点火发动从而自行飞行。冲压发动机冲压发动机由进气道、燃烧室、推进喷管三部分组成,其运行过程就是是利用迎面气流进入发动机后减速、提高静压的过程,不需要高速旋转的、复杂的压气机。高速气流经扩张减速、气压和温度升高后,进入燃烧室与燃油混合燃烧,温度为 2,000 至 2,200℃,甚至更高,经膨胀加速,由喷口高速排出,产生推力。 开始工作后,助推器则随即与 X-7 脱离。

  在长达 9 年的试验飞行中(1951 年 4 月首飞),X-7 除了进行冲压发动机的测试外还进行了导航与控制试验、助推器推进试验、高速降落伞试验、热力学试验等诸多研究科目。美国空军、陆军和海军均参与了 X-7 的试验飞行,这在 X 系列试验飞机研制史上是不多见的。X-7 是世界上第一架采用冲压喷气发动机速度达到 3 马赫的飞行器。

X-7

X-8

  X-8(海军代号为飞行蜜蜂 Aerobee)是一种十分廉价的无制导探空火箭,长度为 6.12 米,直径为 0.38 米。在其头锥内携带有各种光学、大气、生物等试验设备,以搜集关于太阳辐射、高空风、地球磁场和火箭空气动力学等方面的数据。X-8 装备有 RTV-N10 型液体燃料火箭发动机和固体燃料助推器,最大速度可达 6 马赫。

X-8

  X-8 可将 70 千克重的试验设备送入 200,000 米的高空,而且这些设备还能够通过火箭头锥降落伞被地面回收。从 1947 年 11 月首飞至今,美国通用航空喷气机公司总共制造了 900 枚以上执行各种军用、民用任务的 X-8。

X-9

  1947 年 5 月,贝尔飞机公司获得了一份研制 ASM-A-2“淘气鬼”空对地核导弹(后来其编号更改为 B-63/GAM-63)的合同。之后不久,为了测试该导弹的常规航空动力学设计、无线电控制系统、火箭推进装置等,缩比试验型 RTV-A-4“伯劳鸟”(一种凶猛的食肉鸟类)研制成功。RTV-A-4 的动力系统为一台贝尔 XLR65-BA-1 液体火箭发动机,由一架 EB-50D 载机带入空中并释放,其后飞行通过载机上控制人员遥控完成。RTV-A-4 的射程为 80 公里,最大速度可达到 1.5 马赫。

X-9

  1951 年,RTV-A-4 被更名为 X-9,其试验飞行一直持续到 1953 年 1 月。X-9 长为 6.94 米,直径为 0.57 米,其最大速度提高至 2 马赫。由于 X-9 的进展异常顺利,贝尔飞机公司甚至开始设想用它来取代 B-63 并将其改装为空对地核导弹。但最后由于 X-9 射程和载荷都偏小而被放弃。

X-10

  X-10 由北美航空公司研制,是专门为 MX-770(B/SM-64)“纳瓦霍”洲际巡航导弹计划而开发的一种超音速无人驾驶试验飞行器,用来搜集空气动力学设计、控制和自动导航系统的数据。X-10 机长 20.14 米,机高 4.51 米,翼展为 8.56 米。X-10 的机体设计比较有特色,采用下三角翼、双垂直安定翼和机鼻鸭翼的布局。此外,可收放起落架和助降伞能使 X-10 重复使用。X-10 安装有两台威斯汀豪斯 J40-WE-1 涡轮喷气发动机,其最大速度为 2.05 马赫。最初 X-10 的飞行由地面无线电控制,后来则开始使用自动导航系统。

X-10

  1953 年 10 月 14 日,X-10 在爱德华兹空军基地进行了首飞。尽管 X-10 的试验飞行很顺利,但随着 1957 年“纳瓦霍”项目(纳瓦霍为美国一个印第安人部落名,其使用的语言十分复杂,因而在太平洋战争期间美军曾招募了一批纳瓦霍人作为密码通讯员)的下马,X-10 的飞行也很快被中止。其后大部分 X-10 被充当靶机使用,目前仅存的唯一一架 X-10 保存在美国俄亥俄州代顿美国空军博物馆内。