航空技术进步的先行者–美国X系列先进技术验证机

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查克·叶格
1923年2月13日,美国飞行员查克·叶格出生,是第一个突破音障的人类,认为是20世纪人类航空史上最重要的传奇人物之一。
人物简介
叶格出生在美国西维吉尼亚州麦拉的一个贫穷家庭。1941年9月,18岁的他在高中毕业后,加入了美国陆军航空团。1942年7月他在担任AT-11的地勤官时被选为培训飞行员。1943年3月10日,加入第363战斗机中队继续受训,并且随部队在当年11月时移师英格兰。1944年2月11日,首次出勤正式参与第二次世界大战,在3月4日的一场轰炸柏林的护航任务中,首度创下个人生平的击坠纪录。一直到战争结束他总共创下12.5次的个人击坠纪录,其中包括10月12日时在同一天内击落五架Me-109与11月27日时击落4架Fw-190,单日五次击落的记录让他成为美国空军第一位空战王牌。截至1945年1月15日止,叶格总共出勤过64次,作战飞行时数270小时,他驾驶过的P-51B、51C、51D三架不同的野马战机全都是以他的未婚妻葛兰妮·菲·迪克豪斯(Glennis
Faye Dickhouse)来命名,他们也在叶格1945年2月返回美国后,顺利成婚。
突破音障
X-1一号机,也是第一架突破音速限制的载人飞机当时在加州的慕洛基地。10月14日,叶格在X-1脱离了B-29之后迅速点燃四具火箭引擎快速前冲,之后他关闭其中的两具火箭,在X-1的马赫计显示0.83、0.88与0.92的刻度时分别进行过机尾水平尾翼的角度调整,发现小幅度的尾翼角度调整真的能够有效控制住机身动态。叶格在到达42,000呎的高度后保持平飞,在0.92马赫的状态下启动第三具引擎,X-1迅速地冲刺到0.98马赫,43,000呎的高度,就在此时马赫计突然乱跳破表失去作用,地面中心随即传来回报,指称他们听到远方传来雷声一般的巨响。事实上这声音是X-1载着叶格突破音障瞬间产生的音爆,在穿越音障后,原本的那些机身不稳与偏斜的问题突然消失无踪,超音速的飞行比人类当初想像异常平顺了很多。叶格让X-1的引擎持续运作了20秒,到达1.06马赫的速度后关掉引擎回到次音速的世界。虽然突然间就打破音障这件事有点出乎叶格与飞行实验小组的意料,但他们仍缔造了人类飞行史上一个很重要的里程,在莱特兄弟成功地克服地心引力飞离地面之后的45年,人类首次脱离声音的束缚进入超音速的领域。
音障
声障又称音障。大展弦比的直机翼飞机,在飞行速度接近声速时,会出现阻力剧增,操纵性能变坏和自发栽头的现象,飞行速度也不能再提高,因此人们曾以为声速是飞机速度不可逾越的障碍,故有此名。
声障一词最早出现于20世纪40年代初期。第二次世界大战中,战斗机的设计已经相当成熟,虽然还沿用直机翼,但暴露在机外的零件已经很少,飞机外形十分“干净”。当时单台发动机的动力已超过一千马力,飞机的平飞速度已达声速的一半;俯冲时,可以超过声速的0.7倍。正是在后一情况下发现飞机有自发栽头和尾翼强烈抖振现象,使整个飞机有破碎的危险。后来发现,自发栽头是由于翼面附近出现相当大的超声速区,翼面上吸力区大大地向后扩展,压力中心显着后移,从而产生很大的低头力矩造成的。翼面上的局部超声速区是以激波为后界的,而激波又引起翼面上的边界层分离;分离流很不稳定,打到尾翼处就会引起尾翼抖振。同时这还使飞机的阻力随马赫敷的微小上升而急剧增大,因而人们认为声速是飞行速度进一步提高的不可逾越的障碍。随着飞机外形设计的不断改进,推力更大的喷气发动机的制成,声障也就成为一个历史名词。

American X Series Advanced Technology
Demonstrators朱宝鎏半个世纪以来,美国发展的先进技术验证机系列,不仅为构筑美国在世界航空航天领域的技术领先地位作出了重要贡献,也为人类实现突破音障、超失速机动、短距垂直起降、进入太空等一系列重要的航空航天发展目标立下了汗马功劳在世界百年航空发展历程中,以X字母打头的美国先进技术系列验证机的发展史虽然只有半个世纪,但它们对推动美国,乃至整个世界的航空技术进步起着十分重要的作用。以X这个常用的未知数代号命名它们,本身就有探索未知航空世界的含义。
美国国家航空航天局(NASA,原来叫NACA,即国家航空咨询委员会)和美国军方在第二次世界大战结束前夕开始的X系列验证机研究计划,其最初的目的就是探索跨音速和超音速飞行的奥秘。这是当年世界航空技术发展中一个主要的”X
“。后来,X系列验证机逐步拓展为用来进行航空、航天重难点技术课题的专项研究。
半个世纪以来,很多经过X系列验证机验证过的先进航空航天技术,都在今天美国军民用航空航天产品上得到了实用。伴随着一项又一项先进技术投入实用阶段的是,一架又一架先进技术验证机被载入航空航天发展史册,继而又有新的验证机开始了它探索未来未知技术的使命。
从1947年10月14日,第一架X系列验证机X-1率先实现了突破音障的验证飞行,达到了人类实现超音速飞行梦想的重要里程碑到2003年为止,美国一共研制了50种
X系列验证机, 其中航空领域的27种, 航天方面的23种。
航空验证机主要集中进行一些综合性技术问题的研究项目。
包括跨、超音速飞行,短距垂直起降,隐身技术,过失速机动和无人作战飞机等。
航天方面开始是火箭动力试验,
后来是升力体试验,主要为了解决空天飞行返回大气层时的最佳气动布局问题,
近期则更多注意空天一体飞行器有关技术,包括动力装置,
如超音速燃烧冲压发动机的试验问题。
此外,X系列验证机还有少数秘密的军事研究项目,其具体情况较少披露。本文仅介绍了部分在航空发展史上有深远影响的X系列验证机。突破跨、超音速飞行障碍在X验证机系列中,对人类实现突破音障,进行跨、超音速飞行有着突出贡献的包括X-1,
X-2, X-3,
X-4和X-15。它们之间完成这类技术验证的时间跨度达22年(1946~1968)之久,其中最著名的为X-1和
X-15,
分别成功进行了跨音速,超音速和高超音速飞行技术的可行性使用验证飞行。
X-1验证机 由贝尔飞机公司研制,
最初曾用代号XS-1。该机使用火箭发动机作为动力装置,机身为子弹头形状的铝合金结构,并是率先采用全动平尾的美国飞机。一共生产了3架。第一架1946年12月9日首次动力试飞。
发动机是1台XLR-11型有4个燃烧室的液体火箭,用酒精及液氧作燃料,
最大推力27千牛。 X-1飞机不能自主起飞, 要靠改装过的B-29/50飞机携带上天,
空投后再起动火箭自主飞行, 但可以滑翔着陆。
通过X-1进行的大量试飞测得的气动力和结构受力数据对后来研制超音速飞机起过很大作用。
第二架飞机后改为X-1E型,与X-1的主要区别在于火箭发动机改用了LR-8-RM-5型,
改进了座舱盖设计,加装了弹射椅,机翼更薄。X-1E主要用于验证飞行速度达到M2时的设计和飞行技术,曾飞到过M2.24,
高度22265米,并曾遭遇惯性偶合现象(高速滚转时方向发散)。
第三架飞机只进行过一次无动力滑翔飞行。
第二次飞行即因燃料系统故障爆炸毁坏。 X-15验证机
这是跨、超音速飞行验证机系列中最成功的一种,
共生产了三架。到目前为止还没有一种飞机比它飞得更快。当时设计的目的就是要验证高超音速飞行可能遇到的各种问题。
X-15从50年代末开始制造到最后一次飞行,经历约10年时间,总费用3亿美元,后来还为阿波罗宇宙飞行计划做过飞行试验,
在保持美国军用航空技术领先地位方面功不可没。
在多年的试飞过程中,X-15不断创造飞机的高度、速度世界纪录。1962年7月17日,飞行员罗伯特·怀特驾驶一架X-15飞到95684米高度。这项高度纪录使他获得一枚空军航天员徽章(标准是起码到达距地面80千米高空),成了空军培养的第5位宇航员。与前4位宇航员不同的是,前4位都是直接乘运载火箭升空的,而怀特是乘火箭动力有翼飞机达到这个高度的。x-15飞机先后共造就了8位航天员。
1963年8月22日,X-15飞到107960米,
创造了有翼飞机新的飞行高度世界纪录。1967年10月3日,X-15A-2达到M6.72(每小时7272千米)的速度,这是有史以来所有飞机达到过的最快速度。x-15的试飞取得了大量很有价值的高超音速飞行气动力和气动加热实测数据。
该机的制造商为北美航空公司,动力装置为1台XLR-99-RM型液体火箭发动机,
采用液态氧和氨作燃料,推力256千牛。 机内燃料能维持发动机工作80~120秒。
推力可在40%~100%之间调节, 这一点比X-1飞机有很大改进。
首架X-15于1956年9月开始制造。1959年6月8日首次完成无动力滑翔着陆。同年11月5日,第二架X-15在试飞中起火,
抖震严重,飞行员关掉发动机着陆,由于着陆的力量太大,飞机的滑撬式起落架插进着陆场地罗萨蒙德盐湖,机身从座舱之后全部折断,翌年11月修好恢复试飞。1962年11月9日,这架X-15着陆时再次发生事故。后来在修复时作了重大改进,将机身加长73.66厘米并加装两个很大的副油箱,一个装液氧,另一个装氨,
从而增加了火箭最大工作时间。另外,在飞机蒙皮外加了一层粉红色烧蚀材料保护机体,外表再涂白色密封漆,结果飞机可承受的表面温度增至1648°C,
从而能满足飞行速度高达M8的耐高温结构材料的需求。1967年这架X-15A-2飞机创造了世界飞行速度纪录。但在随后发生的发动机架烧毁故障中,飞机迫降损坏,
无法再次使用。1960年6月8日第三架X-15
上的XLR-99发动机在一次地面试验中爆炸,把飞机的后半部分完全毁坏。修好恢复飞行后,于1967年11月15日因进入螺旋,虽经努力改出螺旋,但终因飞机过载太大而断裂。到1968年10月24日,仅存的第一架X-15
进行了最后一次飞行。三架X-15飞机一共试飞199次。 为实现垂直起降的梦想
50年代中,英,法,美及前苏联等航空技术发达国家掀起了一股研究垂直起降固定翼飞机的热潮。
为此,仅美国的X型验证机就研制了5种之多,包括X-13,X-14,X-18,X-19和X-22(1955-1984时期)。
如过算上后来参加联合攻击战斗机计划竞争的X-32和X-35两种方案验证机,以及鸭式布局的旋翼/机翼
技术验证机X-50,共计为8种。 它们分别验证了尾座式, 倾转动力式, 推力转向,
涵道升力螺旋桨各种不同的能够实现垂直起降飞行梦想的技术方案。
动力装置包括采用涡桨、喷气式,或复合式发动机。
但20世纪美国真正进入投产阶段的这类飞机是引进英国专利,在英国”鹞”式垂直起降飞机基础上改进生产的AV-8B”鹞”Ⅱ。而在JSF的竞标中,则采用X型验证机的模式最终赢得竞争的两组所选择的技术方案进行技术验证。近年来关于这两种JSF验证机资料己经作过很多报道,本文不加赘述。
X-50 是一种鸭式布局旋翼/机翼技术的无人验证机,由美国国防预研局提出,
波音公司研制。该机采用三翼面布局。
机上机翼/旋翼系统在停止转动时为机翼,转动中就是旋翼。在直升机状态飞行时它起旋翼作用,平飞时固定在合适位置时起机翼作用。
波音计划生产两架无人机作试验。 机长5.4米,机高2米, 旋翼直径3.66米。
动力装置是一台涡扇发动机。
旋翼旋转的动力是桨尖喷出的发动机喷气流。这样可省掉沉重的传动齿轮箱和反扭距装置等机械部件。旋翼固定后作为机翼,
喷气流改向后喷。 低速状态,
飞机的操纵和稳定有喷气控制操纵系统代替普通气动力舵面。过失速机动技术验证机格斗空战时飞机能用的迎角愈大,升力系数愈大,对提高飞机的近距空战机动性愈有利。但是当飞机的迎角达到一定值时,由于继续增加迎角导致边界层分离,并进而引起飞机发生非指令性运动或升力随迎角增大反而下降等现象,由此引发飞机的大迎角失速问题。为了解决这个问题,美国曾研究了两种X验证机,
即X-29前掠翼技术验证机和X-31加强战斗机机动技术验证机。前者希望通过采用前掠翼设计布局达到很大可用迎角,而后者则想证明过失速机动对格斗空战的作用。
X-29前掠翼验证机
前掠翼对提高跨音速临界M数的作用与后掠翼是一样的,而且其翼面流场明显优于后掠翼,外翼部分不易失速,
可用迎角大。
但前掠翼用铝合金制造时有气动弹性发散问题(当机翼上下弯曲变形时会产生不利扭转),
所以一直没有用于生产型战斗机上。 70年代复合材料得到很好应用,
特别是气动弹性剪裁工艺使得生产出来的机翼刚性大增,已经可克服气动弹性发散问题。
在美国政府和空军支持下, 格鲁门公司生产了两架X-29。
它除机翼前掠、后置外,还有一些其他特点,
如近距耦合鸭翼、可变弯度的很薄超临界翼型、后机身两侧边条襟翼,
放宽静安定度电传操纵等。从1984年12月首飞到1992年项目结束,共飞行436次,其中研究试验飞行422次,
最大可用迎角45~67度,
大迎角操纵特性良好,特别是在45度左右有极好操纵反应。
试飞表明前掠翼飞机亚音速飞行比同样的后掠翼飞机省油10%。
但要超音速拦截作战, 因超音速阻力比同样的后掠翼飞机大, 会多耗油5%。
此外,还证明这种布局有很好抗螺旋能力。X-29采用鸭翼和后机身边条襟翼控制俯仰运动,
在大迎角时效果良好。 X-31加强战斗机机动性验证机
20世纪80年代国外曾发表过一系列关于新的飞机机动性论文,提出战斗机在使用现代导弹的条件下如果能在超过失速迎角状态作机动动作,对格斗空战将有很大好处(能更快使机头指向目标)。
但这种机动对飞机可用迎角的要求远大于现役战斗机的约20°,
而且要有是足够的操纵性(低速时只能靠推力矢量)。 为证明这一论点,
美国洛克韦尔和德国MBB公司根据美、德政府、美国国防预研局和美国海军的一项联合计划设计了”加强战斗机机动性验证机”
X-31。该机1986年底开始设计,1987年8月完成。一共生产了2架,
分别称为X-31A和X-31B,并先后在1990和1991年首飞。1993年,机上安装了头盔目视/音频显示器,使飞行员在大迎角情况下作战时能了解自己的位置。试验中,X-31可控飞行达到70°迎角,并在这迎角完成了一次绕速度矢量的控制横滚。第二架飞机利用失速后机动能力完成了快速小半径的180°转弯。X-31能以超过任何常规飞机的气动力极限正常飞行。它可做的一个称为
“赫布斯特机动”
是将X-31拉至74°迎角,绕速度矢量滚转并反向下滑加速飞行的机动动作。这动作大大减小了战斗机转弯半径,
可迅速使机头指向后方目标。
X-31完成180度转弯的半径约为149米,时间12秒。而用常规机动,X-31的转弯半径约为823米。
X-31与F/A-18进行过多次一对一空中作战试飞。对抗用的F/A-18飞机经气动及飞行控制系统改装,在常规转弯性能上接近X-3l。空战结果,
X-31在94次演练中,胜78次, 平8次,
负8次。利用NASA空战模拟器同样条件下作战71次, X-31胜56次, 平7次, 负8次。
当然这些空战和作战模拟是在一定约束条件下进行的, 而且只限于目视格斗。
5年来两机共试飞538架次。1995年1月19日X-31A在美国航空航天局德赖登飞行研究中心坠毁。同年这项目研究结束。
后来, X-31进行过无尾飞机技术的飞行验证研究。 虽然实际上并没有去掉垂尾,
但飞行控制系统重新编程后,飞机上其它舵面被用来抵消垂尾的稳定性功能使飞机像没有垂尾一样,然后由推力矢量来代替垂尾的作用以模拟无尾飞行。1994年3月17日X-31成功地进行了试飞,
高度11600米,速度达到M1.2。在高速平飞和转弯时,
试飞员仅用发动机推力矢量技术成功地演示了飞行的稳定性和操纵性。
实现了史无前例的无垂尾超音速飞行。
2002年美德两国想利用X-31B进行极短距起飞和着陆研究称VECTOR项目,
计划试飞45次, 准备靠推力矢量作用将着陆迎角从现在的12度提高到24度。
初步试飞表明效果明显, 着陆速度降低31%, 滑跑距离从2400米减少到520米。
后由于经费削减, 项目取消。 随着中距空空导弹的发展,
对未来空战是以超视距作战为主还是目视格斗为主争论很大。
因此过失速机动技术的研究目前已经暂告一段落。隐身技术验证机
飞机不用垂尾可大为减小雷达反射截面,
配备推力矢量可以增加飞机的操纵能力。为研究未来战斗机的敏捷性和隐身特性,波音公司与NASA合作制造了两架X-36型鸭式无垂尾布局技术验证机。
它是想象中的无尾战斗机28%缩比遥控模型。飞行控制由前翼、分裂式副翼和推力矢量系统提供。由于飞机是不稳定的,有一套单通道数字式电传控制系统来保证飞行安全。
1997年5月17日,X-36进行首次试飞,到1997年11月12日累计试飞31次,总飞行时间15小时38分。
实际上只用了一架飞机,
第二架飞机没有飞过。X-36达到最大迎角40°,验证了使用和不使用推力矢量各种不同情况下战斗机的敏捷性。
波音公司认为,在迎角18°以上,X-36的横滚性能超过任何一种常规战斗机。根据美国空军研究实验室一项称为
“恢复”计划的安排,X-36于1998年12月重新开始试飞。飞机软件中安装了”神经网络”算法,使飞行控制计算机对操纵舵面在空中受伤或系统故障时有一定容错承受能力。飞机共试飞2次,其间向X-36单通道数字飞行控制系统输入若干错误指令,检验其后果以考核算法的运作情况。
无人作战飞机技术验证机
近年来美国和一些航空技术发达国家纷纷掀起研究无人战斗机发展热潮,并曾采用”捕食者”无人机在伊拉克战争中进行多实战发射导弹的试验。此后,无人战斗机的研制热潮更加高涨,美国正在进行中的包括有X-45,X-46,X-47三种。鉴于篇幅限制,本文以介绍X-45为主。
X-45系列无人作战飞机是美国国防预研局和美空军联合提出的一项无人战斗机概念验证计划。旨在验证无人战斗机高效价廉遂行防空压制
和对地攻击任务的可行性。1999年决定由波音公司先生产2架X-45A和1架X-45B试飞。但2003年要求改变,拟将B型改为X-45C型,试生产3架,机体加大,
更接近实战条件, 并能同时满足空军和海军的要求。 计划2006年首飞,
2008年试用, 2010年正式服役。
美国国防部称,如果到2006年整个试飞验证达到预期目的,美国空军将于2010年后装备UCAV武器系统,从而代替有人驾驶战斗机执行高风险的对地攻击任务。
X -45采用无尾布局, 外形按隐身要求设计, 整个平面呈规则几何形状。
第一架X-45A已于2002年5月22日首飞。开始阶段主要演示机载电子侦察系统收集敌方防空雷达的地理位置信息和合成孔径雷达性能以及信息压缩后传回地面控制中心等任务。如果X-45A和地面通信联系失效,可采用不同频率重新建立联系,如再不奏效,无人机将按照事先预设的路线飞回基地。波音公司正在分阶段推进各项飞行试验,希望利用两架验证机积累100~200飞行小时的数据。X-45A只用一个弹舱(另一个弹舱改为电子测试设备舱)可以携带一枚JDAM或者安装一种多用途炸弹挂架,以适应各种类型的攻击武器,包括6枚110千克炸弹、微型空中发射诱饵和低成本自主攻击系统。试验表明,重新挂载新弹药只需30分钟。
X-45B为任务增强型, 2个武器舱,
隐身性能更出色。飞机尺寸和重量加大以具备实际作战能力。X-45B的内部武器舱将加长到4.27米,几乎与F-35的一样长,宽度增大到0.68米,
携带武器数量将成倍增加。 X-45C设计起飞重量为16570千克, 有效载重2040千克,
翼展14.95米, 作战半径2400千米。
UCAV在对地攻击过程中,很大程度依赖高速数据链。目前,X-45A上安装了UHF数据链、L波段以及飞行试验遥测数据链,今后X-45B/C将增加卫星通信和Link-16数据链。目前,X-45系统还离不开地基控制站。X-45的机身前部装有摄像机,能将滑行、起飞、着陆阶段和战场情景实时传输到地面站。将来操纵人员可以在控制站内同时”驾驶”最多4架UCAV。
预计X-45A将在2006年开始与有人驾驶飞机进行联合作战演习。

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X-4是由洛斯罗普飞机公司的试验机,主要用来验证半无尾翼超音速飞行的可行性,于1948年12月15日首飞。

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。

结构特点

X-4机体相当小巧,携带的油料也只能维持45分钟。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。

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