太空探索的尖兵

“飛行浴缸”的貢獻(xiàn)

上世紀(jì)60年代，美國(guó)空軍公布由三部分構(gòu)成的航天飛機(jī)科技和先進(jìn)再入試驗(yàn)計(jì)劃，其中第二部分機(jī)動(dòng)重返和精確回收計(jì)劃的目的是驗(yàn)證不同構(gòu)型、控制系統(tǒng)和應(yīng)用燒蝕材料對(duì)升力體式太空軌道器性能的影響。

實(shí)際上，早在1959年，萊特一帕特森空軍基地的飛行動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室就提出制造一種廉價(jià)的小型超音速滑翔機(jī)進(jìn)行有翼載人航天器的試驗(yàn)，并提出了代號(hào)ASSET(意為“氣動(dòng)熱力學(xué)／氣動(dòng)彈性力學(xué)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)”)的計(jì)劃，并取得了一定的成功。

美國(guó)空軍隨后在ASSET基礎(chǔ)上提出了X-23 PRIME亞軌道無(wú)人驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，承包商是經(jīng)驗(yàn)豐富的馬丁-瑪麗埃塔公司。馬丁-瑪麗埃塔為此展開了長(zhǎng)達(dá)6年的研究工作，在設(shè)計(jì)、材料研究和風(fēng)洞測(cè)試等工作上投入了超過200萬(wàn)小時(shí)的工程時(shí)間。

X-23A為典型的升力體布局，從前方看去像是一個(gè)平底的V字，弧形的機(jī)身頂部，兩片和機(jī)身相融合的垂直翼面。機(jī)身的主要結(jié)構(gòu)材料是鈦合金和鈹合金，某些部位使用不銹鋼和鋁合金。整個(gè)機(jī)身外包裹著一層馬丁－瑪麗埃塔自行研制的燒蝕材料隔熱層。機(jī)身內(nèi)部設(shè)有名為冷卻板的設(shè)備，其內(nèi)裝有帶吸熱材料的淺盤狀容器，并與排放管道相連接。當(dāng)機(jī)內(nèi)的電子設(shè)備工作時(shí)，它們產(chǎn)生的熱量被傳遞給冷卻板內(nèi)的水中，后者隨后蒸發(fā)將熱量帶走。

X-23A是一種滑翔機(jī)，因此沒有推進(jìn)系統(tǒng)，在試飛時(shí)由通用動(dòng)力公司康威爾分部開發(fā)的SLV-3運(yùn)載火箭發(fā)射升空。

X-23A進(jìn)行的是高超音速軌道器再入操縱試驗(yàn)，軌道器先在運(yùn)載火箭推動(dòng)下，進(jìn)入30480米的高空以馬赫30的速度飛行，再入大氣層時(shí)，在速度馬赫2時(shí)啟動(dòng)減速裝置在空中完成回收。X-23A共完成了3次試飛。其中前兩次試飛的飛行過程都頗為順利，但都因回收失敗導(dǎo)致試驗(yàn)功敗垂成。1967年4月18日的第三次試飛取得了成功，后續(xù)驗(yàn)證任務(wù)由更先進(jìn)的X-24A接手。

X-24A同樣由馬丁-瑪麗埃塔公司研制，它在X-23A基礎(chǔ)上做了不少改進(jìn)。X-24A有著球狀楔形外形，機(jī)身上下表面成弧形，主要結(jié)構(gòu)材料為鋁合金。飛行姿態(tài)控制由8個(gè)氣動(dòng)控制面負(fù)責(zé)，尾部上下共有上下兩排4片襟翼，兩片垂尾上另有4片方向舵。

X-24A的動(dòng)力裝置是一臺(tái)XLR-11-RM-13火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它設(shè)有4組獨(dú)立運(yùn)行的燃燒室，并配備一具渦輪泵來對(duì)燃料加壓。發(fā)動(dòng)機(jī)的額定推力為3854公斤，機(jī)內(nèi)載有1139公斤的水／甲醇燃料和1257公斤的液態(tài)氧化劑，足以供發(fā)動(dòng)機(jī)工作140秒。

1969年4月17日，X-24A由B-52投放，完成首次滑行飛行。1970年3月19日X-24A。又完成了首次動(dòng)力飛行。X-24A總共進(jìn)行了18次動(dòng)力飛行，共累計(jì)了2小時(shí)54分鐘的飛行時(shí)間，飛行速度和高度分別達(dá)到馬赫1.6和217627米。

X-24A在1971年6月4日完成最后一次飛行后，曾被暫時(shí)封存。后來，NASA決定將其改造成X-24B。飛機(jī)隨即被空運(yùn)至丹佛市的馬丁-瑪麗埃塔工廠接受為期10個(gè)月改造工程。

X-24B基本是在X-24B前段套上新的機(jī)鼻段，再在機(jī)身結(jié)構(gòu)上略加修改與更換新蒙皮而成。飛行時(shí)的俯仰控制大部分由下排襟翼控制，偏航和滾轉(zhuǎn)動(dòng)作利用襟翼差動(dòng)和方向舵實(shí)現(xiàn)。飛機(jī)的動(dòng)力裝置仍是xLR-11火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行方式與X-24A完全相同。

X-24B于1973年8月1日完成首次無(wú)動(dòng)力滑翔飛行。在26個(gè)月的飛行測(cè)試中，X-24B共完成36次空射飛行，總飛行時(shí)間3d，時(shí)46分鐘。其中30次試飛中進(jìn)行過基本飛行研究，另外6次則進(jìn)行飛行員飛行驗(yàn)證計(jì)劃。X-24B從首次試飛起，只用了15個(gè)月的時(shí)間就完成了最高馬赫數(shù)的飛行包線拓展計(jì)劃。

X-23A、X-24A和X-24B這一系列升力體驗(yàn)證機(jī)對(duì)航天飛機(jī)的成功做出了巨大的貢獻(xiàn)。X-23A是第一種能在高速再入過程中提供操縱能力的驗(yàn)證機(jī)，并同時(shí)驗(yàn)證了燒蝕材料技術(shù)和內(nèi)部蒸發(fā)冷卻的可行性。X-24A提供了升力體式飛行器在控制系統(tǒng)、高升阻比、近場(chǎng)著陸等方面的實(shí)際測(cè)試計(jì)劃，并且證明了低速情況下安全操縱的可能性。X-24B進(jìn)行了從馬赫1.76到無(wú)動(dòng)力飛行著陸范圍內(nèi)的飛行測(cè)試，同時(shí)證明了從現(xiàn)有試驗(yàn)機(jī)改裝成新構(gòu)型能節(jié)省大筆經(jīng)費(fèi)，并提高計(jì)劃的效率。升力體的成功徹底證明了航天飛機(jī)飛行方式的可行性，給予NASA足夠的信心實(shí)施航天飛機(jī)計(jì)劃，航天飛機(jī)的出現(xiàn)由此變成水到渠成的事情。

新一代航天飛機(jī)的夭折

航天飛機(jī)服役后，雖然性能方面相比傳統(tǒng)的宇宙飛船有了很大進(jìn)步，但在最為重要的經(jīng)濟(jì)性方面卻與人們的預(yù)期存在很大落差。為了解決這個(gè)問題，美國(guó)在上世紀(jì)80年代就開始著手研制其替代產(chǎn)品，并先后提出了X-30和X-33兩個(gè)計(jì)劃。

1986年2月4日，時(shí)任美國(guó)總統(tǒng)的羅納德·里根在國(guó)情咨文講話中透露，國(guó)防部已經(jīng)批準(zhǔn)撥款研制一種代號(hào)“東方快車”的“國(guó)家空天飛機(jī)”(NAsP)。里根在講話中極力強(qiáng)調(diào)NASP的和平用途，表示這種飛機(jī)將用于未來的高超音速商用飛行，但如此先進(jìn)的飛行器無(wú)疑有著不容忽視的軍事價(jià)值，率先應(yīng)用于軍事領(lǐng)域也是在所難免。

隨后DARPA開始對(duì)開發(fā)所需技術(shù)進(jìn)行評(píng)估。這一階段計(jì)劃于1993年完成。然后按N ASP要求制造一架代號(hào)X－30的單級(jí)入軌水平飛機(jī)驗(yàn)證機(jī)，并在2000年前后開始試飛。經(jīng)過論證后，有關(guān)方面選中麥克唐納一道格拉斯公司負(fù)責(zé)中機(jī)身、操縱穩(wěn)定性和熱控制，通用公司負(fù)責(zé)后機(jī)身、機(jī)體與發(fā)動(dòng)機(jī)的整合，羅克韋爾公司負(fù)責(zé)前機(jī)身、飛行管理系統(tǒng)與分系統(tǒng)，普拉特·惠特尼集團(tuán)公司和火箭動(dòng)力公司負(fù)責(zé)推進(jìn)系統(tǒng)。1989年1月羅克韋爾公司試驗(yàn)了1／7比例的超音速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

按照設(shè)計(jì)方案，X-30將采用尖頭、狹長(zhǎng)機(jī)體、大后掠三角翼、單垂尾布局，以減少高速飛行時(shí)的阻力，機(jī)身從前到后為頭錐，兩人駕駛艙、電子設(shè)備艙、液氧艙、由氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氫混成的糊態(tài)氫艙及液氧艙。動(dòng)力裝置由渦輪沖壓／超音速燃燒沖壓／A軌和再人大氣火箭發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)成。機(jī)體主要用鈦基復(fù)合材料，表面高熱部分用有內(nèi)部冷卻的防熱材料。

然而，X-30的技術(shù)提升幅度實(shí)在太大，因此幾乎從項(xiàng)目啟動(dòng)伊始就遇到棘手的技術(shù)難題，最終在1993年被取消。NASP項(xiàng)目中的高超音速技術(shù)研究在1994年演變成高超音速系統(tǒng)技術(shù)項(xiàng)目(HySTR)，其具體成果便是X-43驗(yàn)證機(jī)。

X-33計(jì)劃下馬前，NAsA還提出過另外一種技術(shù)難度要低得多的驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃，這就是X-33“冒險(xiǎn)星”計(jì)劃。為了盡可能地縮減航天飛機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本，NAsA于1992年提出研制使用單極入軌體制的下一代載人航天器。1994年6、7月，NASAaE式?jīng)Q定展開T--代可重復(fù)使用載人航天器的研制工作，為減小研制風(fēng)險(xiǎn)，NAsA計(jì)劃先在正式設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上制造出代號(hào)X一33的縮比驗(yàn)證機(jī)，待關(guān)鍵技術(shù)得到驗(yàn)證后再制造全尺寸航天器，具體的研制由洛克希德一馬丁公司主導(dǎo)。

X-33是正式的“冒險(xiǎn)星”航天器的53％比例縮比驗(yàn)證機(jī)，它的基本布局源自70年代NAsA制造過的一系列升力體驗(yàn)證機(jī)，但身上大量應(yīng)用90年代的先進(jìn)技術(shù)。X-33為無(wú)人駕駛體制，依靠自動(dòng)駕駛裝置完成全部飛行。按照計(jì)劃，X-33在實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)在愛德華茲空軍基地以與其他骯天器相同的垂直姿態(tài)發(fā)射升空，然后爬升至95公里高空，以馬赫15的速度展開在軌測(cè)試。試飛結(jié)束后，X-33以與普通飛機(jī)相同的方式返回基地。X-33身上設(shè)有一個(gè)1_5×3米大小的貨艙，但不會(huì)在測(cè)試中搭載任何載荷。

如何應(yīng)對(duì)再入大氣層是產(chǎn)生的高溫是任何載人航天器都無(wú)法繞開的挑戰(zhàn)。X-33打算在關(guān)鍵部位使用“因康奈爾”－617合金和Ti-100鈦合金制成部件。飛機(jī)機(jī)體為環(huán)氧石墨結(jié)構(gòu)，液體燃料箱外部被厚4英寸的隔熱層包裹。在再入大氣層過程中，飛機(jī)外部溫度最高的部位是機(jī)鼻和機(jī)翼前緣部分，其中機(jī)鼻處的溫度最高時(shí)可達(dá)華氏2135度，為此X-33的這兩個(gè)部位將被碳一碳耐高溫材料所覆蓋。

X-33的技術(shù)水準(zhǔn)相比X-30雖然降低不少，但依然在研制中遇到了大量技術(shù)難題。復(fù)合材料液氫燃料箱的研制失敗更是導(dǎo)致項(xiàng)目在2000年末出現(xiàn)嚴(yán)重超支現(xiàn)象。NAsA于2001年3月決定停止向X-33撥款，這時(shí)驗(yàn)證機(jī)已經(jīng)完成75％，洛一馬本可采用自籌資金的方式完成飛機(jī)的制造，但在權(quán)衡一番后，制造商還是選擇了放棄。

X-30和X-33的相繼失敗凸顯出未來有翼航天器的技術(shù)難度復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人們的預(yù)期。但這兩個(gè)計(jì)劃仍在相關(guān)技術(shù)上做出了有益的探索，他們的設(shè)計(jì)確定了美國(guó)未來有翼航天器的基本方向。為兩個(gè)項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)技術(shù)在后續(xù)的驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃中得到了很好的應(yīng)用。

未來探索

在X-30和X-33進(jìn)行的同時(shí)，NASA還進(jìn)行了其他多項(xiàng)未來航天飛機(jī)技術(shù)的研究，并推出了X-34、X-37、X-40、X-43及X-51等一系列驗(yàn)證機(jī)

N A S A干1993年發(fā)起了“低成本航天器研究”計(jì)劃，目標(biāo)是將小型載荷(227公斤)的入軌成本壓縮至500~\"美元及以下。1994年10月19日，NASA正式提出與航天企業(yè)合作研制X-34航天器的計(jì)劃。次年3月8日，軌道科學(xué)公司的方案因在性能和成本方面最接近NAsA的要求而中選。

X-34是一架無(wú)尾三角翼布局無(wú)人機(jī)，機(jī)身結(jié)構(gòu)、蒙皮及燃料箱均主要以復(fù)合材料制造。飛機(jī)采用了先進(jìn)的熱防護(hù)系統(tǒng)及材料，這也是整個(gè)計(jì)劃的重點(diǎn)驗(yàn)證項(xiàng)目之一。飛機(jī)的機(jī)載設(shè)備以廉價(jià)為主要原則，使用了差動(dòng)式全球定位系統(tǒng)、綜合飛機(jī)環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)及自動(dòng)檢查裝置。按照設(shè)計(jì)，X-34可以攜帶186公斤載荷人軌。X-34的機(jī)翼為傳統(tǒng)的單塊式三角翼設(shè)計(jì)，后緣安裝了液壓制動(dòng)襟副翼。垂尾為全動(dòng)式，其后部設(shè)有相當(dāng)于垂尾面積1／3大小的氣動(dòng)減速板。

飛機(jī)以一臺(tái)NASA馬歇爾宇航中心研制的M C-1發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，該發(fā)動(dòng)機(jī)也是70年代末以來，美國(guó)開發(fā)的首種液體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。MC-1以經(jīng)濟(jì)適用為主要設(shè)計(jì)原則，大量使用了現(xiàn)成的商業(yè)部件，制造工藝和耗費(fèi)的工時(shí)也明顯少于以往的同類發(fā)動(dòng)機(jī)。MC-1長(zhǎng)2.1米、寬1.21米，重908公斤，推力27240公斤，足以推動(dòng)X-34在76200米的最大高度上以馬赫8的高速飛行。

首架X-34于1999年6月開始由1架L-1011客機(jī)搭載升空機(jī)型測(cè)試，首飛時(shí)間被定在2000年末。前三次試飛在白沙導(dǎo)彈試驗(yàn)靶場(chǎng)進(jìn)行，之后的全面性能測(cè)試改在肯尼迪航天中心附件的大西洋上空進(jìn)行。盡管項(xiàng)目一直進(jìn)展順利，但開支卻不斷攀升，日程也出現(xiàn)一些延誤。2001年3月，就在X-34即將開始試飛前，NASA宣布取消整個(gè)項(xiàng)目。

美國(guó)空軍與N A s A在上世紀(jì)90年代提出太空機(jī)動(dòng)飛船(SMV)計(jì)劃，1999年波音獲得研制X-37驗(yàn)證機(jī)的合約，該機(jī)后來發(fā)展成前段時(shí)間發(fā)射成功的X-37B。為降低X-37的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，波音制造了一個(gè)相當(dāng)于X-37體型90％比例測(cè)試平臺(tái)，這種代號(hào)X-40的驗(yàn)證機(jī)是X-37B的亞音速測(cè)試平臺(tái)。

X-40于1998428月11日完成首次投放試驗(yàn)，至2001年5月18日項(xiàng)目結(jié)束，共完成8次試飛，證明了X-37制導(dǎo)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、軟件、數(shù)據(jù)計(jì)算系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)及氣動(dòng)設(shè)計(jì)的有效性，為日后X-37B的研制做出了重要貢獻(xiàn)。

此外，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是決定未來航天飛機(jī)成敗的關(guān)鍵技術(shù)之一。N A S A在1994年發(fā)起了前文提到的HySTR計(jì)劃，為該項(xiàng)目制造的3架X-43A無(wú)人驗(yàn)證機(jī)分別在2001年6月2日、2004年3月30日和2004年11月6日完成各自的測(cè)試。除第一次試驗(yàn)失敗外，其他兩次試驗(yàn)均告成功，X-43A在最后一次測(cè)試飛出了馬赫9.8(12135公里／小時(shí))的驚人記錄。今年5月26日，另外一種超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)X-51A也在首次測(cè)試中取得成功，其詳情見我刊上期介紹，這里不再贅述。

這一階段美國(guó)在未來航天飛機(jī)研究上對(duì)基礎(chǔ)研究更加重視，X-34重點(diǎn)研究了長(zhǎng)期困擾航天飛機(jī)的成本問題，意圖使未來的航天飛行變得更加廉價(jià)；X-40和X-37B的成功展現(xiàn)了未來航天飛機(jī)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的潛力；X-43A和X-51A則充分驗(yàn)證了超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的巨大潛力，可以肯定，在未來的航天飛機(jī)或空天飛機(jī)上，必然會(huì)有這種發(fā)動(dòng)機(jī)的一席之地。

可以說，自航天飛機(jī)投入使用以來，美國(guó)從來就沒有停止過未來航天飛機(jī)的研究。當(dāng)中雖然遭遇到不少失敗，但在基礎(chǔ)技術(shù)領(lǐng)域的長(zhǎng)足進(jìn)步卻不容忽視。待到一個(gè)成熟的時(shí)機(jī)，克服現(xiàn)有缺點(diǎn)的新一代航天飛機(jī)必將重新出現(xiàn)在地球蒼穹的盡頭。