X-51A飞行器的试验飞行

2010年5月26日，美国在加利福尼亚州南部太平洋海岸的军事基地，首次成功试飞了X-51A试验机。按照最初试飞计划，B-52飞机在大约15000米高空投放整个X-51A试验系统。首先助推器持续燃烧30秒钟，将整个系统加速到马赫数4.6～4.8。在助推过程中，空气将进入X-51A验证机的超燃冲压发动机内，通过级间段流出，以便起动进气道，开始逐渐加热发动机及其燃油。在助推器分离后，X-51A验证机将借助惯性继续滑行数秒钟，然后在发动机内部依次点燃乙烯和燃油，达到热平衡后，仅利用JP-7燃料的燃烧实现不断加速。整个动力飞行过程大约300秒，预期飞行速度达到马赫数6.5。随着全部燃料消耗殆尽，X-51A验证机将开始减速，接着是500秒的无动力飞行，逐渐下滑，最后坠落进太平洋。但是首次试飞并非按照设想顺利进行，尽管取得了成功，但还是出现了令人意想不到的一些情况。5月26日，美国空军实施了X-51A验证机的首次飞行试验。B-52H载机在众人期待的目光中，从爱德华兹空军基地起飞，爬升到预定高度后，在马赫数0.8的飞行速度下，释放了由助推器和验证机组成的X-51A试验系统。大约4秒后，助推器按照预定程序点火，将X-51A验证机助推到马赫数4.8。随后X-51A验证机与助推器、级间段分离，按照预定程序，成功地完成了一个平缓的180度滚转机动。这一过程中X-51A验证机将进气口从上方位置改变为腹部位置，飞行速度略微降低到马赫数4.73。随后SJY61超燃冲压发动机先点燃乙烯，然后过渡到JP-7碳氢燃料的点火、燃烧。接着X-51A验证机开始逐步加速，但是遥测数据表明，加速度略低于设计值，而且发动机舱后部的温度明显高于设计值。靶场安全官员通过监测数据发现，X-51A验证机开始减速，并且遥测信号丢失，于是下令终止试飞，飞行器启动了自毁程序。结果SJY61超燃冲压发动机只工作了140秒，并未达到预期的300秒时间，飞行器的飞行速度达到了马赫数5，尚未加速到马赫数6以上。PWR公司表示，有关数据初步表明，SJY61发动机完全按照设计要求工作，在第一次试飞中就实现了最关键的节点：点燃乙烯；过渡到乙烯与JP-7燃料的混合燃烧；达到JP-7燃料燃烧的条件；仅用JP-7燃料继续燃烧；并持续工作140秒。X-51A验证机在自毁前，机内仍然剩余一部分燃料。由此可见PWR公司已经完全掌握了一系列关键技术，可以很快制造出更长燃烧时间的超燃冲压发动机。设计的5分钟飞行时间并不是推进系统的限制，只是局限于在油箱内装有燃料的容量。如果改进设计一种更大容量的燃料箱，X-51A改进型可以进一步增加飞行时间。尽管飞行时间没有达到预期目标，但测试组仍然对结果感到满意。AFRL发言人表示，首次飞行得分为B，下一次将得到A。AFRL负责X-51计划的经理布林克表示，此次试飞取得了95%的成功，飞行控制软件完美无缺，尚不清楚加速过程减慢和飞行时间短暂的具体原因，初步推测可能是密封问题或作动器故障，同时也认为，有可能是错误地估算了X-51A验证机在低马赫数飞行时的阻力。美国《基督教箴言报》在形容X-51A验证机的飞行时，称它比“超人”还快，而且还比喻，它的超燃冲压发动机的技术难度就好比在飓风中点燃一根火柴，并且不让火焰熄灭。《洛杉矶时报》描述X-51A验证机的首次试飞：一架外观酷似冲浪板的飞机从一架B-52H载机的机翼下分离，然后以超过5600千米/时的速度在太平洋上空飞行，这让过去的飞行纪录为之逊色，也重新点燃了研制高超音速飞行器的热情。空军项目经理查理·布林克（CharlieBrink）表示，超燃冲压发动机在技术上的飞跃相当于第二次世界大战后期从活塞式发动机向喷气式发动机的巨大跨越。2011年6月13日进行的X-51“乘波者”高超声速飞行器第二次飞行试验中，由于超燃冲压发动机的进气道未启动，X-51第二次飞行过早终止。在操作人员的控制下，飞行器溅落加利福尼亚沿海。波音公司B-52飞机携带X-51飞行器“完美地”飞至发射点后，火箭推进器成功将X-51推进至马赫数5，由普惠·洛克达因公司建造的超燃冲压发动机以乙烯为初始燃料，成功点火。在随后转而使用JP-7常规燃料时，进气道未能启动。之后工作人员重启、恢复最佳条件的努力失败。按照NASA的说法，进气道不启动的原因多为激波速度过快，越过进气口前端，导致发动机气流的气压骤减。超燃冲压发动机的工作依赖着极度精确的激波运动和发动机气流。没有风洞能使空气以高超声速运动，因此高超声速试验极端困难。空军项目经理查理·布林克（CharlieBrink）表示：“显然，我们很失望，原本我们期待着更好的结果。但是我们仍对此次飞行收集到的数据感到满意。我们将继续检查这些数据，了解更多关于这项新技术的知识。每一次对这项令人振奋的新技术进行试验，就距离成功更近一步。”在2010年5月26日X-51首次飞行中，飞行器在超燃冲压发动机点火110余秒后，经历了相似的进气道未启动问题，之后发动机成功恢复。飞行控制持续至143秒时，发动机密封失效，导致试验中断。2012年8月14日，X-51A“乘波者”高超音速无人飞行器将进行第三次试飞。按计划用于测试的X-51A先是在位于加利福尼亚州的爱德华兹空军基地进行测试，待参数正常之后被挂到B-52轰炸机翼下；接着B-52从爱德华兹空军基地起飞，在飞到接近莫古角导弹靶场的太平洋上空时，从5万英尺高空将X-51A放飞；然后X-51A打开自身动力，加速到6倍音速并爬升到7万英尺高空，在持续飞行300秒后最终坠入太平洋。而6倍音速相当于从纽约飞到伦敦只需短短不到一小时。2012年8月16日，美军第三架X-51A在发射后约16秒就垂直坠海，失败了。X-51A乘波者飞行器按计划与其载机B-52堡垒轰炸机实现了分离，助推火箭也实现了点火。但是一个控制翼故障（acontrolfinfailure）导致X-51A乘波者飞行器在飞行了仅仅16秒后就垂直坠进了太平洋。2013年5月3日，美国空军宣布，已研制近10年的无人驾驶飞行器X－51A“乘波者”在第四次，也是最后一次测试中一度以5倍多音速飞行，在约6分钟的时间里飞行了约230海里，这也是“乘波者”在四次飞行测试中飞行距离最长的一次。美国空军公布的视频画面显示，一架B-52型轰炸机从爱德华兹空军基地起飞后，将“乘波者”运载至太平洋上空约1.5万米处将其释放。然后“乘波者”依靠固体火箭推进器在26秒时间内加速至4.8倍音速。与推进器分离后，“乘波者”启动超燃冲压发动机，冲上约1.8万米的高空，速度达到5.1倍音速，飞行了约3分半钟。按照设计“乘波者”不可重复使用，因此发动机燃料耗尽后，“乘波者”坠入太平洋并按计划自毁。这一次飞行并没有达到6倍音速的设计飞行速度，但美国军方依然表示满意，美国空军X-51A项目主管查利·布林克在一份声明中说：“任务圆满成功。我相信从X-51A项目中获得的经验和教训将有助于将来的高超音速研究以及最终的高超音速飞行的实践应用。”参与制造的波音公司则发表声明说，这是“一项历史性成就”。美国空军2004年启动X-51A项目，为此花费3亿美元。美国媒体报道说，美国军方一直在试验高超音速技术，希望能够达到在几分钟内对全球任意地点发动打击的水平。但是“乘波者”几次飞行测试要么失败，要么没有达到6倍音速的设计飞行速度。