辛元元

2009年12月9日，美国爱德华兹空军基地，一架美国空军的B-52轰炸机左翼下吊挂着一枚奇怪的东西起飞了。这个奇怪的东西分为两级，第一级是一个圆柱形；第二级是一个楔形体，下面挂了一个长方形斜开口的进气道。这个奇怪的东西就是美国正在研制的X-51A型高超音速飞行器。

对于这次飞行，x-51A研制团队异常激动。空军研究实验室的x-51A项目经理查理·布林克表示：“这是最伟大的一天。”。国内媒体对这次飞行也给予了高度评价，媒体在报道这件事时，用了“美军目标是1小时内打击全球”这样的字眼。不过，X-51A这次并没有靠自己的动力和控制系统飞行。从始至终挂在B-52机翼下。从严格意义上说，这是一次为了试飞而进行的准备工作。那么，舆论为何如此亢奋?

什么是高超音速飞行?

人类在1 947年实现了超音速飞行，此后飞行速度的记录不断刷新，两倍音速、三倍音速……在1 964年，美国x-15试验机飞出了马赫数6.5的航空器速度记录。从那以后，航空航天界一直在研究如何让高超音速飞行器实用化。

所谓超音速飞行，是以大于当地空气中音速的速度飞行，而在不同密度的空气中，超音速飞行的绝对速度数值是不同的。通常人们把达到音速5倍以上的速度称为高超音速，即马赫数大于5。

如果高超音速飞行器投入实用化，将逐步改变人类的生活方式。从经济上说，洲际客运的时间将大大缩短，“天涯若比邻”将不再是梦想，而是现实；从政治军事上说，强国将有能力对发生在世界任何角落的事态进行实时干预，迅速投送部队到事发地点，或者投送弹药打击重要目标。总之，高超音速飞行器将极大地推进“地球村”的实现。

一旦X-51 A在马赫数4.5～6.5范围内验证了超燃冲压发动机的基本设计原理、高温材料、机身与发动机的总装技术，就为多种高超音速飞行的应用奠定了基础。

X-51 A的关键技术

x-51A投资2.46亿美元，NASA出资1／4，其余由空军出资。波音公司先进系统部负责人乔治·穆勒尔内在评价X-51 A时说：“X-51 A是一个标志性的型号，可以回答很多未来高超音速飞行器所必须面对的问题。”

X-51 A的设计速度为马赫数7，约8050千米/小时。它虽然不是美国历史上最快的空气喷气式发动机飞行器，却是技术最为复杂的一个。

X-51 A的高超音速飞行器体重680千克。其结构用铝制成，头部整流罩用钨合金制成。这些部是成熟产品，比X-43A更具有实用意义。

美国空军对X-51A的研制目标是，验证这类超燃冲压发动机能否从马赫数4.5加速到马赫数6，获取其地面试验和飞行试验参数，摸索其工作原理、研究开发工具，用飞行试验来验证常规燃料超燃冲压发动机的可行性，为采用该种发动机的自由飞模型研制创造条件。

美国空军表示，x-51A的技术基础相当坚实。2001年1月的超燃冲压机性能试验样机解决了铜制热沉结构和变宽度流道的问题；2003年6月的地面演示验证样机解决了飞行体重量问题，并用开路式燃料供给系实现了燃料冷却；2006年3月，x-43C的核心发动机地面演示验证样机总体设计得到验证，并以闭环式燃料供给系实现了燃料冷却；2007年7月，x-51A的SJX61-1号工程样机验证了前机身和喷管设计，并以闭环式燃料供给系实现了燃料冷却；2008年10月，X-51 A的SJX61*2号工程样机进行了点火试验，这是一台完全按照飞行状态制造的样机，配备了全套燃料管道和泵。

x-51 A持续飞行5分钟，这听起来很短暂，但与x-43A相比，是个巨大进步。X-43A在2004年11月的最后一次飞行中，只用冲压机飞行了1 0秒

X-51 A的一个重要优点，是使用J P-7燃料。而X-43要使用液氢液氧燃料。JP-7是“黑鸟”战略侦察机使用的特殊燃料，它的主要成分是烃，混入了烷、环烷、烷基苯、二氢化茚、四氢化萘、萘，还要加入碳氟化合物来改善其润滑性能，加入氧化剂来提高燃烧性能。

JP-7的热稳定性很好，其熔点为-30℃，常压下的沸点为282℃～288℃无论是高空的严寒还是炽热的机身都不会影响它的使用。比液氢好“对付”得多。

JP-7的挥发性物质含量很少，因此闪点高。洛马公司“臭鼬工程队”副主任本杰明·罗伯特·里克在回忆录中说，即使把火柴点燃后扔进JP-7里，J P-7也不会燃烧，反而是火柴会被熄灭。因此，JP-7只有在喷气发动机燃烧室的高温下才会燃烧，不会被机身与空气摩擦而产生的热量点燃，非常适合高速飞行。有趣的是，因为JP-7不易燃，在启动发动机或者开启加力的时候，都要向燃烧室内加入三乙基硼烷来助燃。

更为重要的是，美军已经为JP-7制定了军用标准，其制造、存储和使用部有明确规定。美国空军使用JP-7的历史已有几十年，技术成熟、经验丰富。如果高超音速飞行器以JP-7为燃料，具有很好的继承-眭，可以节省大量经费。从这个角度说，x-51A是一个为实际应用服务的型号，而不仅仅是原理研究的科学项目。

什么是超燃冲压发动机

超声速燃烧冲压式发动机简称超燃冲压发动机。

冲压发动机属于空气喷气式发动机的一种。它结构极简单，没有涡轮喷气发动机的多级叶轮结构，简单说就是一根管子，当然管子的形状很复杂。因此，冲压机重量很轻，但推力却不小。不过冲压机必须具有一定的初速度才能工作，在静止状态下不能产生推力。也就是说，它不能自力起飞。

由于上述特点，很少有载人飞机使用冲压机，部分导弹采用了冲压机。这些导弹以固体助推火箭起飞，达到一定速度后冲压机才启动。早年有一些战斗机装备了冲压机作为辅助动力，万一主发动机空中停车，可以靠冲压机返回机场或迫降，如今已经不再使用。

所谓超燃冲压机，简单说，就是气流在流经进气道、燃烧室、喷管其间一直保持着超声速流动。而涡轮喷气发动机、普通冲压发动机吸入空气后，要通过压缩，将其降低到亚音速进人燃烧室，燃气在喷管中重新加速到超音速。

但对高超音速飞行器来说，其动力只能从超燃冲压机和火箭发动机中选择。涡轮喷气发动机的叶轮会产生阻力，随着速度提高，阻力会越来越大。到一定速度下，涡轮喷气发动机产生的推力被阻力抵消，就无法继续加速，不能实现高超音速飞行了。而超燃冲压机没有叶轮，其本身产生的阻力比涡轮喷气机小得多。另外，超燃冲压机从空气中获得氧气来燃烧，不用像火箭发动机那样需要自行背负氧化剂。因此，超燃冲压机是最适合大气层内高超音速飞行的动力。

2006年7月28B，普惠公司在NASA的兰利中心对使用JP-7燃料的超燃冲压发动机2号地面工程试验样机进行了试验。这是该型发动机首次采用闭环燃料

供给系统进行的高超声速试验，取得了成功。

这台编号为G DE-2的发动机在兰利中心2.5米直径高温风洞内模拟了马赫数5速度下的飞行。

2007年6月1日，X-51 A设计方案通过评审的当天，其发动机演示验证样机——X-1号也成功点火试验。X-1采用了全权数字发动机控制系统来模拟马赫数5的飞行，系由F-35战斗机的相应系统衍生而来，这比研制使用全新系统的风险更低。试验中也演示了燃料冷却系统和燃料喷射控制系统。

关键的设计评审，是美国政府和业界专家一起审查鉴定x-51 A的设计、装备、系统集成与飞行试验计划是否合理。评审认为，X-51 A的设计符合主要技术参数。这样，X-51 A的元器件采购、制造和装备工艺就有了依据。

超燃冲压发动机的成功，为X-51A使用的飞行样机研制创造了条件。

X-51 A的飞行试验方案

第一台x-51A飞行体首先在地面上与B-52载机进行电磁兼容试验，测得的数据通过遥测方式传回空军爱德华兹基地。

在实际飞行试验之前，将进行两次先导B-52飞行试验，一次是静态装载试验，一次是彩排试验。去年底进行的就是静态装载试验，这里的“静态”，指载机和x-51 A之间相对静止。B-52飞行到15240米高度后，检验了B-52平台的性能，B-52对X-51 A的操纵性能，控制室的显示性能和软件集成性能。

这次试验结束后，查理布林克说，“目前情况看，我们成功达到了所有试验目的，毫无瑕疵。”

X-51A的第一次飞行试验计划2010年3月底进行。期间，B-52将在15240米高度、马赫数0.8速度下，把X-51A连同助推器这个1.79吨的“货物”投掷下去，包括7.62米长的X-51A本体。助推器把X-51A加速到马赫数4.6～4.8，期间高速气流进入超燃冲压机，流过各个部分，摩擦加热发动机及燃料管道中的燃料。

固体火箭推动X-51A飞到18288米的弹道高点后，X-51A自身的指导控制装置和发动机数字控制系统将控制X-51 A滚动180度，使进气道在上，然后控制x-51 A以固定攻角飞行。助推器燃尽分离后，x-51A开始滑行，乙烯助燃剂以31兆帕的压力喷入发动机内。

JP-7在乙烯燃烧所释放热量的帮助下射入燃烧室，与空气流混合燃烧。待发动机达到热平衡后，就可以不再喷射乙烯，X-51 A在JP-7的燃烧下逐步加速。

X-51 A上携带的燃料可供它飞行5分钟，航程640千米，弹道最高点达到30480米。飞行结束后，X-51A将坠入太平洋。查理‘布林克说，“这将是超燃冲压发动机第一次在完全模仿真实飞行的情况下试验”在解释为什么不把X-51 A试验机回收再使用这个问题时，有关负责人说，X-51A上的空间已经“非常有限”，无法容纳降落伞或者浮囊了。

飞行试验期间，美国空军将与美国联邦航空管理局协调，保障，每次试验时，洛杉矶到夏威夷、澳大利亚的航线上能设置4个时间窗口供X-51A飞行。

X-51 A是导弹吗

x-51 A被很多媒体描述为未来的全球打击导弹，它的样子也确实像导弹，它的第一级发动机取自美国陆军战术导弹。所以，似乎有充分理由给X-51 A戴上导弹的头衔。

但从结构上分析，X-51A上并没有容纳弹头的空间。那么，它到底是不是导弹呢?

前文说到，X-51 A是美国空军研究实验室的超燃冲压发动机系列计划的一个组成部分。这个系列计划的分4个步骤。第一步是常规冲压发动机，用来装备高超音速巡航导弹，打击短暂出现的目标。X-51A是第二步，所研制的是小型超燃冲压发动机，用来装备高超音速巡航导弹和小型航天发射载具。第三步要研制中型超燃冲压发动机，用来装备大型高超音速巡航导弹和中小型航天发射载具。第四步要研制大型超燃冲压发动机和CCE，用来研制真正具备高强度作战能力的快速响应空天飞机。

因此，X-51A本身不是高超音速导弹，而是其部分关键技术的试验平台。X-51A能否成功，将是高超音速导弹的决定性因素。而高超音速导弹的制导、导航、控制、弹头等方面技术，并不包含在X-51A项目之中。目前，美国空军和波音公司正考虑在x-51 A的后两次飞行试验中引入一些具有战术意义的项目；并考虑研制X-51 B，就是在X-51 A上增加G PS制导装置。这样X-51 B就更接近于真正的导弹了，独缺弹头。

新的战争?

从上面的分析可以看出，X-51 A距离实用化导弹还比较遥远。即便其发动机技术和飞行控制技术成熟，如何实现精确制导也是个大问题。飞行器在高超音速下的机动能力非常恶劣；而且由于飞行时间短，实施弹道修正的时间窗口也非常狭窄。要实现末段精确制导和精确命中，问题还很多。

要实现高超音速载人飞行，问题就更多了。抛开各种安全因素，高超音速飛行器如何安全载人降落，就是个大问题。超燃冲压发动机在低速下无法正常工作，那么，总不能让飞机在降落航线上无动力滑翔吧?这是非常危险而不可接受的。如果携带普通喷气发动机作为起降动力，那么对飞行器的气动外形、重量配置、燃料供给都提出了非常复杂的要求。美国空军原打算设计一种混合循环型发动机，它能从地面跑道上起飞，达到马赫数3～4之后转人超燃冲压机发动推进，但该项目尚未得到国会批准。

所以，高超音速飞行距离实际使用还有相当长的距离。美国空军和相关研制方这次如此高调宣传X-51A，主要是吸引眼球，为高超音速研制争取资金。美国的高超音速项目一直处在经费不足的境地，波音的高超音速团队在2007年有70名成员，如今只有42人了。而普惠公司的超燃冲压机团队一度有60人，如今仅剩下9人。更加致命的是，尽管自2003年以来，美国政府已经向X-51计划投入了2.5亿美元，但美国空军目前的研究计划仅限于制造这4台样机。波音公司虽然已经就此向空军提出后续工程的建议，但前景并不乐观。美国空军X-51A项目经理查理-布林克在第45届AIAA会议上说：“我们希望用更多的飞行成功来显示，高超音速推进不是碰运气。但X-51A没有后续计划了。”

X-51A在很大程度上是用来接替X一43C计划的。X-43C是X-43A的后继型号。但2004年美国总统布什宣布重返月球计划后，X-43C因经费不足被放弃了。

X-51 A是美国空军“黑速”高超音速飞行器的技术验证机，“黑速”就是一种可以从跑道上起飞和降落、最大速度马赫数6的准实用型飞行器。“黑速”原计划201 2年首飞。不过这个项目在2009年被取消了。

因此X-51A之后的美国高超音速技术前景并不乐观。如果再不能引起公众和国会的重视，高超音速研究可能会逐渐被美国人淡忘。为争取经费而飞行，这才是X-51A真正要打的硬仗。