空戰新潮流的引領者 X系列驗證機對未來空中戰爭的影響

上世紀8、90年代，隨著以信息技術為代表的一系列高新技術的日漸成熟，大量新概念武器層出不窮，空中戰爭的發展也因此出現了不少新的動向。為了在未來的空中戰爭中充分發揮新技術所帶來的優勢，美國近十多年來在x系列飛行器名下研制了不少試驗平臺，打開了通向未來空中戰爭的大門。

機器人戰斗機

上世紀90年代中期，美國便提出了用無人戰斗機逐步取代有人戰斗機的構想，并為此進行了很多研究工作，其中的X-36便是這一時期的重要項目之一。上世紀80年代，NASA下屬的埃姆斯研究中心的軍事技術分部開始研究低可探測性戰斗機，目的是為國防部主持的量產型戰斗機計劃提供低可探測性方面的準繩。該部研究了不同的氣動布局、材料、動力裝置及其他與隱身戰機有關的技術，并從中得出結論認為，應該制造縮比驗證機對當中的部分技術進行驗證。

在上述工作進行的過程中，NASA與幾家對該計劃感興趣的飛機制造商開展了合作。其中麥克唐納一道格拉斯(現在的波音公司)公司提出了一些值得稱道的設計，并在技術上取得了重大突破。至1989年，麥道已經與NASA建立起了十分緊密的合作關系，在其后的5年時間里(直至1994年2月)，項目的研究領域被集中少數領域。麥道最后得出結論認為，制造和試飛一架縮比驗證機是進行技術探索的最為快捷，同時也是最為經濟的途經。

根據麥道取得的研究成果，NASA于1994年決定向其撥款制造代號X-36的驗證機。依照最初的研究結果，X-36應是一種相當于全尺寸飛機28％比例的無人驗證機，用途是試驗無平尾或垂尾飛機的低可探測性。在實機開造之前，NASA和麥道進行了大量風洞實驗，對尺寸比例在3％-15％之間的多個模型進行了吹風實驗，并對飛機的外形進行了不少的修改，以盡可能的減少飛機的雷達反射截面。

X-16采用了非常規的鴨式布局，機尾沒有安裝常見的垂直安定面。取消垂尾使飛機的阻力和重量相比常規布局分別下降10％和5％，雷達反射信號也因此縮減不少。機體框架由傳統的鋁合金材料制作，外部被石墨復合材料制成的蒙皮包裹，發動機尾噴口附近使用了耐高溫的鈦合金材料。

X-36的機翼相對厚度7％，前后緣的后掠角均為40度。機翼的上反角為5度，機翼有著2.5度的負扭曲角，以避免出現翼尖失速現象，并抵消鴨翼產生的下洗氣流。全機共有6個后緣氣動控制面和2個前緣襟翼，翼尖處裝有阻力式方向舵，以補償缺少垂直安定面在空氣動力學方面產生的不利影響。由于機身采用了邊條翼設計，而且會伴隨產生渦流，因此設計人員決定為飛機配備鴨翼，以減小飛機在高攻角時的低頭力矩不足的缺陷。在飛機每側機翼后緣安裝的3個氣動控制面中，外側的分裂式副翼被分為內外兩個部分，以減輕致動器的工作負擔，它們在使用中聯動，內側的副翼同時還發揮備份系統的作用。副翼分為kT兩個獨立部分，它們能同時發揮阻力方向舵和副翼的作用。上下兩片翼面分別可在+60－30度和－30－60度的范圍內扭轉。機翼內側的氣動控制面為負責滾轉和俯仰的升降舵，它的扭轉角度為－30-+30度。為了在起降時向飛機提供最大升力，所有的后緣氣動控制面會在此時向下扭轉，鴨翼則會向上扭轉，以保持配平和增加升力。

X-36配備了一套先進的數字電傳飛控系統，這套系統由現成的貨架產品構成。進行飛行測試時，位于地面實驗站內的試飛員通過飛機機鼻處的攝像頭和一部經過改裝的貨車對飛機實施遙控。實驗站內的設有一個完整的飛機座艙，飛機座艙內的設備6俱全，因此試飛員可以像平時駕駛飛機那樣控制X-36。X-36只有一套數據鏈和高度參考系統，必要時，飛機的自動駕駛儀可以在全球定位系統的導航下自動飛行。

飛機的動力裝置是一臺威廉姆斯公司制造的F112渦扇發動機，其涵道比為0.8，額定推力700磅。發動機的空氣由機體腹部兩側的矩形進氣口吸入。麥道在尾噴口處設置了1個空氣混合氣，以便將發動機的廢氣溫度控制在426-482度間，從而降低飛機紅外信號特征。為增強飛機的機動性，埃姆斯研究中心專門為X-36研制了只能向下扭轉的推力矢量噴口。

X-36的首機于1995年6月開工制造，次年3月9日正式對外公開亮相。1996年10月27日，X-36開始在愛德華茲的第23號跑道上以86節的速度進行高速滑行測試。在滑行測試順利結束后，X-36于1997年5月17日在羅杰斯于湖實現首飛。在5月17日至7月29日的第1階段試飛中，制造商對飛機的飛控軟件、地面控制站及數據系統進行了測試。在共計4個飛行小時的8次試飛中，X-36錄得2G的機動過載和20度的攻角。

8月6日試飛進入第2階段，X-36按計劃進行了低和高過載機動性測試，飛機要在15度攻角下完成360度滾轉及在35度攻角下進行快速翻滾機動。X-36在這一階段同樣表現出色，在22次、10.9小時的試飛中，取得了1級操縱品質、4.8G過載及40度攻角的良好成績。接下來的第3階段試飛共完成了31次飛行，目的是讓X-36演示低速和高攻角下的機動動作。至1997年11月12日第3階段試飛告一段落，X－36在給該階段累計飛行15小時38分鐘，最大飛行高度達6156米，過載仍為4G。

在NASA的試飛結束后，美國空軍研究實驗室與波音簽約，決定用兩架X-36參加無尾飛機可重組控制(RESTORE)項目。該項目的主旨是利用電腦軟件使無人機具備一定的應對突發事件的能力，能在飛行中發生機體或氣動控制面受損時，自行根據實際情況作出調整，確保飛機能夠繼續飛行。RESTORE項目在1998年12月14日和12月18日進行了2次飛行，證明了該軟件項目的價值，這兩次飛行也是X-36的最后試飛。截至整個x－36項目完結，整個計劃共計耗資2000萬美元，其中1000萬美元由麥道出資。

X-36的試驗時間雖然頗為短暫，但卻在不多的試飛中完全達到了當初的設計要求，為隱身戰斗機的氣動設計和機動性設計提供了極有參考價值的數據。而在REsTORE項目中的試飛更具歷史意義，它初步驗證了無人機的自主飛行控制能力，在這一技術基礎上繼續研究，日后必將研制出具有完全自主作戰能力的智能化無人戰斗機。

超高速空天打擊平臺

前文曾經介紹過，美國很早就開始研究空天飛機技術，并在上世紀80年代和90年代先后提出了X-30和X-33計劃，但這兩個計劃均因技術跨度過大而夭折。1996年10月3日，NAsA公布了旨在探索高超音速飛行和超燃沖壓發動機的“超級－X”計劃。這是一個為期5年的第1階段計劃，內容是測試一種速度可達馬赫5的高超音速飛行器，項目的管理由NASA蘭利研究中心負責，測試則在NASA德萊頓測試中心進行。

項目公布近半年后的1997年3月24日，微型飛機公司被NAsA選中，成為“超級－X”項目承包商，波音及通用應用實驗室等公司扮演次級承包商的角色。次年8月27日，NASA將“超級-X”項目正式命名為X-43A。NAsA計劃在X-43A基礎上，研發一系列高超音速驗證機，其中的X-43D預計能達到馬赫15這一令人咋舌的速度。2003年2月1日“哥倫比亞”號航天飛機失事后，NAsA對X-43給予了更大的希望，并加快項目的進展速度。2003年秋季，美國空軍和國防部先進研究計劃局(DARPA)開始以X-43計劃的相關資料為基礎，接受NAsA提出的建議，打算在2025年左右研制出首架實用化的空天飛機，從而使美國空軍獲得一種高超音速空天打擊平臺。

X-43A為全長3.65米、翼展1.52米、重997公斤的無人驗證機。飛機的外形呈楔形，發動機位于機體的腹部，由于機體在高速飛行時便能產生足夠的升力，X-43A身上幾乎看不到明顯的機翼，有著濃厚的升力體色彩。X-43A的機體由波音設計，具體制造工作由微型飛行器公司負責，動力裝置則是GASL和精準自動儀器公司的產品。

按照NAsA的設想，高超音速飛行器應充分利用大氣層中的氧氣，減少飛行器的氧化劑攜帶量，盡最大可能減輕飛行器的起飛重量。同時由于空天飛機作戰時要在大氣層內外穿梭，飛行速度也在0-馬赫25之間，現有的噴氣發動機根本無法勝任這樣的飛行速度，只有使用先進的超燃沖壓發動機加火箭發動機的方式方能滿足在大氣層內實現如此高速度的飛行，而這種發動機也是X-43計劃的重心所在。超然沖壓發動機是利用氣流進入發動機后減速，使氣流提高靜壓力的一種噴氣發動機。這種發動機的運作方式，是利用飛行器在超音速飛行時，氣流進入發動機進氣道中擴張減速，讓氣流自行壓縮提高壓力。氣流在壓力和溫度提升后進入燃燒室與燃料混合燃燒，高溫燃氣隨后經尾噴管膨脹加速，經噴口高速噴出產生巨大的推力。不過，沖壓發動機只有達到一定速度后方可啟動，因此X-43試飛時被裝在一具“飛馬”火箭的前段，先在火箭的助推下達到超燃沖壓發動機啟動速度后再與火箭分離。按NASA設定的試飛程序，X-43A將由NB-52轟炸機攜帶升空，在預定高度將飛機投下后，助推火箭隨即點火，將X-43A送至28500米高空。X-43A將在此高度啟動發動機，然后以自身動力達到馬赫7的速度。

X-43A的首次試飛于2001年6月2日進行，1號機由NB-52轟炸機攜帶升空，在澳大利亞附近的太平洋上空7300米高度發射，但飛機剛剛脫離掛架便偏離了預定飛行軌道，操控人員只得下達指令，將X-43A和助推火箭銷毀。2004年3月27日，X-43A的2號機由NB-52搭載升空，從加利福尼亞州的愛德華茲空軍基地起飛，轟炸機在13752米高度投下飛機。脫離轟炸機5秒后，“飛馬座”火箭順利點火，隨后火箭的第二級和第三級也相繼點燃，將X-43送至34380米高空，燃料耗盡的助推火箭隨即與X-43A分離。X－43A立即啟動發動機，僅僅過了10秒，X-43A便到達了馬赫7的驚人速度。最后X-43A在高空進行無動力滑翔飛行，并完成了一連串的機動動作以降低飛行速度，最后飛機在6分鐘后墜入太平洋，整個試飛過程約10分鐘。

X-43A的第三次，也就是最后一次的飛行，在2004年11月16日進行。當天由加州愛德華茲空軍基地起飛的NB－52B母機攜帶著“飛馬座”火箭與X-43A升空后，在12192米的高空中點燃火箭，X-43A隨后在短暫的沖刺之后達到馬赫9.8的飛行速度，飛行高度同時達到35公里遠的高空。至此，開局不利的X-43A完成了其歷史使命，在高超音速飛行歷史上寫下了重要一頁。

在X-43A進行的同時，NAsA還打算在其基礎上研制更為先進的X-43B、C和D型機。其中X-43B是A型的全尺寸版本，它計劃采用一臺常規噴氣發動機或組合循環推進系統作為飛機在中低速飛行時的動力，待飛機速度達到馬赫2.5后再啟動超燃沖壓發動機；X-43C的尺寸稍大于X-43A，主要用途是試驗新的燃料；X-43D的構型與X-43A基本相同，但飛行包線拓展至馬赫15。按照原定計劃X-43C本應在2008年實現首飛，但因預算和技術問題，其首飛的具體時間現在也還沒有最后敲定。X-43B和X-43D目前仍處于設計階段，還未開始實機制造，試飛時間也就無從談起了。

X-43A的試飛在航空史上占有重要地位，它的成功可以說打開了通向未來空天飛機的大門。它對超燃沖壓發動機的驗證為未來空天飛機發展指明了發展方向，而該技術在軍事上也有著廣闊的應用前景。利用X-43A驗證的技術，美國未來有望研制出高超音速的空天轟炸機、空天運輸機，從而能在極短時間內實現火力和兵力的投放，屆時美軍的快速反應能力將達到當今人們難以想象的地步。

第六代戰斗機的前奏

F-22A“猛禽”戰斗機服役后，美國空軍的下一代主力戰斗機逐漸成為人們的關注重點。而今年公布的《2011-2040財年飛機采購計劃》更是明確提出F-22A將在2025年開始退役，并被新一代戰斗機取代。研制第六代戰斗機已經成為板上釘釘的事情。但實際上早在10年之前，美國就提出過代號X-44的未來戰斗機驗證機計劃，它可以算作是第六代戰斗機的一個雛形。

1999年10月，NASA在一次會議上提出在F-22戰斗機基礎上應用當時最先進的推力矢量技術，研制一種新的驗證機。NAsA隨后以X-44A的名義將計劃向公眾披露。該項目得到了NASA的多軸無尾飛機(MANTA)和空軍的未來航空技術提升(FATE)項目的資助。按照當時的構想，X-44將完全依靠全向推力矢量噴口來對飛機實施控制，從而將飛機的垂尾、平尾，以及機翼上的所有氣動控制面統統取消，將飛機的隱身性能推向極限。

除減小飛機的雷達反射截面外，X-44還將研究如何減輕飛機的重量、提升內載油量、降低飛機的復雜程度、提升航程和機動性，以及降低飛機的購置和使用成本等一系列現代作戰飛機研制所急待解決的難題。X-44還準備應用低成本低可探測性數據系統、主動氣動彈性機翼、經久耐用的復合材料結構、先進的“小型”進氣口、光導管理系統、自適應飛控系統等大量尖端技術。

X-44的機體直接沿用自F-22A“猛禽”戰斗機，但將原來的機翼換為大面積三角翼，F-22的平尾和垂尾被取消，而且寬大的機翼上沒有任何可動氣動控制面。X-44的動力裝置為兩臺F-22上的F119的衍生型，發動機尾部安裝了全向推力矢量噴口。

早在1994年，洛克希德一馬丁公司就曾獲得空軍創新控制致動器(ICE)項目的資助，制造并測試了一具3英尺長的風洞模型。X-44的不少基本特征便是來自這具模型。洛一馬還曾設法籌資，以動用F-16XL來充當ICE的全尺寸實驗平臺，但沒能獲得成功。按計劃，該機將使用一臺附有推力矢量噴口的F110-PW-229發動機，飛機的機翼前緣將得到修改，并裝上主動前緣襟翼，方向舵和垂尾則將被拆除。此外，飛機的飛控系統及其相關軟件也將得到改進。

X-44項目，出臺后，并未引起各方太大的興趣，也沒能獲得政府方面的大力支持，因而到2000年初便黯然下馬，成為純粹的“紙上飛機”。X-44雖然半途夭折，但它卻指出了不少關于未來戰斗機設計的思路，而這些設計思想必將在日后第六代戰斗機上得到體現，單就這一點來看，X-44項目理應在航空史上占有自身的一席之地。

開啟無人攻擊機新時代

無人攻擊機可以說是當今最為熱門的武器之一，其最初的研制工作可以追溯到上世紀50、60年代。但直到最近十多年，隨著信息技術和自動控制技術的日臻成熟，無人攻擊機才開始走上戰爭的舞臺。上世紀90年代中期，美國的飛機制造商開始進行隱身無人作戰飛機的概念研究工作，并在隨后數年內取得了不少突破，到2000年時已經完全可以進行驗證機的制造工作。隨后美國海軍開始正式介入無人作戰飛機的研制，在2000年年中與波音和諾斯羅普一格魯曼各簽訂了一份為期15個月的概念研究合約。然而，就在概念研究合約進行的同時，波音和諾一格就開始以自費方式制造各自的無人作戰飛機驗證機。波音于2000年9月就完成了兩架X-45A首機的制造工作，諾一格則在差不多同一時間開始制造X-45A。

兩架X-45A均屬于縮比概念驗證機，其設計源自波音先前的“撲食鳥”驗證機，主要設計用途是驗證無人作戰飛機的對地攻擊和空戰防御能力。X-45A機身平面形狀呈六邊形，后掠主翼位于機身的后部，飛機沒有安裝平尾和垂尾，機動動作依靠機翼上下表面的擾流片完成。X-45A的動力為一臺霍尼維爾F124-G A-100渦扇噴氣發動機，其進氣口置于飛機的上方。X-45A機身內部有兩個武器彈艙，其中一個攜帶試驗設備，另一個則可掛載1枚450公斤的JDAM炸彈或6枚113公斤炸彈。

2002年5月22日，X-45A在愛德華茲空軍基地完成了歷時14分鐘的首飛，X-45A在首飛中達到360公里／小時的飛行速度，飛行高度為2280米。第二架飛機在同年11月完成首飛。2004年4月18日，X-45A在愛德華茲完成首次轟炸試驗，8月1日兩架X-45A首次同時在同一名地面控制員的操縱下進行了飛行試驗。在2005年2月4日的第50次試飛中，地面向X-45A發出實施攻擊的指令，飛機隨即自行向目標發動攻擊，這次攻擊剛剛結束后，另一架X-45A又將另外一個帶有偽裝的模擬目標成功摧毀，初步驗證了飛機的自主作戰能力。X-45A在歷時3年的試飛中取得了很大成功，波音隨后在其基礎上設計了X-45C。

X-45C的基本布局與X-45A大相徑庭，變成典型的飛翼布局。2004年10月國防部高級研究計劃局與波音簽約，決定制造3架X-45C，其中首機計劃在2006年完工。此后的兩年時間里，波音曾多次在各大航展上展出X-45c的全尺寸模型。2006年J-UCAS項目因預算問題被取消，X-45c也隨之下馬，但波音隨即在其基礎上開發了專供海軍使用的X-45N。

至于波音的競爭對手諾一格，它拿出來的X-47A則沿用了公司所擅長的飛翼布局，機身由伯特·魯坦公司制造的復合材料制成，機腹設有兩個彈艙。動力裝置是一臺普一惠加拿大公司制造的JT15D-5c小型渦扇發動機，其進氣口設在機身的前上方。X－47A于2003年2月23日在加州的中國湖海軍試驗中心首飛成功，后續的試飛主要驗證無人機的航母甲板適用性。X-47A的測試在2006年告一段落，諾一格隨后在其基礎上推出了更好的X-47B無人機。

2003年4月美國國防部發起了“聯合無人作戰飛機系統”(J－UCAS)項目，試圖研制一種能同時滿足海空要求的無人作戰飛機。此后，由于未被列入2007財年預算，J-UCAS項目被迫在2006年下馬。接著美國海軍白行提出了海軍“無人作戰飛機系統”(N-UCAS)計劃。這次波音和諾一格在先前設計基礎上推出了X-45N和X-47B。

X-45N的設計與前身X-45C大同小異，原計劃在2008年11月實現首飛，波音為此做了不少工作。但在2007年8月1日，美國海軍宣布X-47B在競標中獲勝，贏得為期6年、價值6.36億美元的合同，X-45N項目宣告夭折，整個X-45項目也就此劃上了休止符。但波音并沒有在X-45之后放棄無人作戰飛機的研制，先前在X-45上取得的成果也沒有白費。波音隨后在X-45N基礎上以自籌資金方式展開的新式無人作戰飛機的研制，成果便是不久前推出的“幻影光”，但這已經是另外一個故事了。

在競標中獲勝的X－47B于2008年12月16日在諾一格公司帕姆戴爾工廠下線。X-47B沿用了當年X－47A的整體氣動布局，但外段機翼的設計有所變化，在外形上與X-47A還是存在顯著的差別。為節約航母上寶貴的空間，X-47B的機翼外翼段可以向上折起，這樣一來，現有航母的升降機可以同時運載3架X-47B，這時其他飛機所做不到的。X-47B沒有安裝垂尾，滾轉和偏航控制依靠機翼外側上表面的擾流板實現。X-47B的外形尺寸與F／A-18戰斗機相仿，其機腹設有兩個彈艙，能攜帶4500磅炸彈。

由于取消了無法長時間執勤的飛行員，X-47B獲得了有超長的留空時間。諾一格表示，X-45B可以深入敵方領空1603公里的地區進行長達10小時的盤旋，如果有必要，X-47B還可以通過空中加油將在戰場上空巡邏的時間延長至50－100小時。目前無人機連續飛行50小時后就必須接受例行檢查，但只需增加滑油攜帶量，再對飛機稍作改進，就能輕松的實現更長的滯空時間。由于不存在飛行員疲勞問題，在裝備X-47B后，美國航母艦載機部隊的出擊頻率有望得到大幅度的提高。

首架X-47B于2009年3-5月開始地面結構靜力測試，6月進行了發動機啟動和地面滑行測試。按計劃，X-47B將在今年12月實現首飛，飛行試驗將持續到2013年，航母著艦試驗將在2011年年末開始進行。如果試飛能夠取得令人滿意的結果，在X-47B基礎上研制的新一代無人攻擊機將在不遠的未來翱翔在天空中。

結束語

美國X系列飛行器連載到這一期就要告一段落了，雖然短短五期的內容遠遠無法概括x系列驗證機60多年的成就，但是即使是從這些有限的內容中，我們仍然能看到戰后美國航空技術發展的一些片段，并從中得到不少有益的經驗。就筆者看來，美國人在X系列驗證機的研制中有以下幾點非常值得我們學習和借鑒。

重視技術儲備美國之所以能在戰后成為世界航空工業的領導者，與其長期重視基礎技術的開發有著密不可分的關系。美國歷來重視基礎領域的研究，航空工業方面也不例外。整個美國擁有大量與航空航天技術有關的科研機構，它們的研究工作往往與具體項目無關，而只是進行短時間內無法看到實際應用成果的基礎性研究工作。而以x系列飛行器為代表的試驗機承擔這著驗證這些研究工作成果的任務。經過這些有益的研究，美國不僅積累了豐厚的航空技術儲備，更拉大了與其他國家在相關領域的差距。從最近40年的作戰飛機研制中看，我們就會發現在研制同一技術水準先進戰機時，美國不僅動手比其他國家同行早得多，而且花費的時間要短得多，遇到的困難要少得多，這正是美國具有豐厚技術儲備的體現。

政策具有很強的持續性美國在航空技術基礎領域的研究很少受政局變動的影響，無論政府如何更替、研究部門的人事發生怎樣的變化，研究工作都不會受到太大的影響，從而保證研究不至于半途而廢。

嚴格而有效的管理管理是一個在武器發展中常常被人遺忘的重要因素，但其重要性一點也不亞于技術研究。美國的管理雖然遠遠算不上完美，但仍不失當今最為出色的管理方式，這一點在x系列飛行器中體現的尤為明顯。在驗證機的研制過程中，有關方面和承包商對項目管理的嚴格和細致達到了令人嘆為觀止的地步，其中尤為值得稱道的是對資金使用的管理。美國雖然財大氣粗，但對項目資金的使用卻有著非常嚴格而細致的規定。國會下屬的責任辦公室(GAO，原名總審計署)可以隨時對項目資金使用進行審查，并對相關人員展開調查。如果發現重大問題，相關人員不僅將應國會的傳喚到國會山接受質詢，甚至有可能面臨法庭的審判而鋃鐺入獄，高昂的犯罪成本令相關人員不敢輕易以身試法。在這樣的管理體制下，項目負責人想通過巧立開支名目的方式將項目資金中飽私囊是幾乎不可能的。

勇敢的獻身精神談到美國在航空航天領域的巨大成就時，人們往往將其簡單的歸結于雄厚的技術和龐大的資金投入。但實際上，美國航空業能取得今天的成就，與相關人員的獻身精神是分不開的。以X系列飛行器為例，這類試驗機的產量往往每種只有兩三架，但即使是這樣，60多年下來，仍有10多名優秀的試飛員在試飛中喪生，如果沒有這樣的大無畏精神，很難想象美國會長期保持世界頭號航空強國的地位。

X系列驗證機數十年的發展歷程，已經充分證明了試驗機在航空技術發展中的重要作用。對于目前正在大力發展航空工業的我國來說，大力研制試驗機是成為未來航空強國的必經之路，希望以后我們能盡早見到屬于中國的x系列飛行器。

(全文完)