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                    《兵器知識》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    以普及兵器科技知識,提高中國全民國防觀念,為實現國防現代化,特別是武器現代化服務為辦刊宗旨,面向中國廣大青少年軍事愛好者,廣泛宣傳兵器科技知識,大力普及軍事高新技術,介紹世界軍事科研生產情況,展示各國武器裝備風貌,宣傳中國兵器工業發展道路和成就。

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                    美國X-51A為何折戟再三

                    2013-12-05 20:59:49

                    美國X-51A為何折戟再三

                    /楊欣宇

                     

                    2012 8 14 日,美國新一代快速打擊武器的代表——X-51A“乘波者”高超聲速無人飛行器在進行第三次試飛時失敗,墜入太平洋靶場,使美國全球快速打擊武器發展前途未卜。那么,美國X-51A 試驗計劃是怎樣的?此次失敗的原因是什么?會產生怎樣的影響呢?

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                    B-52掛載的X-51A特寫

                     

                    X-51A發展與試驗計劃

                    美國高超聲速飛行器發展計劃由來已久,試驗工作一波三折,從其發展中我們可以看出該項技術發展的不易和巨大技術風險性。

                    1996 年美國NASA 開始實施高超聲速發展計劃,X-43 試驗飛行器是發展計劃的排頭兵。但由于接連失敗,加之NASA 把各項航空研究重點轉移到空間領域,X-43 計劃被迫在2004 年終止。此后,美國空軍轉而投資HyTech 計劃以延續對高超聲速技術的研究,HyTech后來衍變為HySet 項目,這兩項研究為X-51A 奠定了基礎,因此X-51A 計劃可以看作是美國“國家空天飛機”(NASP)計劃和X-43計劃的一個延續。

                    2004 1 月,空軍選擇波音公司與普惠公司共同制造高超聲速技術驗證機,波音制造機身,普惠生產發動機。2005 9 月,美國空軍正式將該計劃編號為X-51A。X-51A 計劃的主要目的是對美國空軍超燃沖壓發動機進行飛行試驗。這種發動機使用吸熱型碳氫燃料,能將飛行器的飛行馬赫數從4.5 提升到6.5。2007 6 月,波音的X-51A設計通過評審,普惠的超燃沖壓發動機進行了首次地面點火試驗。以后,波音相繼設計了X-51 B H 的不同型號,而普惠也對不同改進型的發動機進行了11次地面試驗。

                    此時的X-51A 計劃包括了美國空軍、美國國防部高級研究計劃局、美國國家航空和航天管理局、波音幻影工作室以及普惠公司等多家單位,成為美軍重點技術方向。

                    按計劃,X-51A 首輪將進行4 次飛行試驗,為此波音裝配了4 X-51A。試驗時將由B-52 將飛行器帶到接近莫古角導彈靶場的太平洋上空15 千米的高度投放,飛行器尾部的固體火箭推進器將點火,助推器持續燃燒30 秒鐘,將整個系統加速到馬赫數4.64.8,并爬升到約22 千米高度。在助推過程中,空氣將進入X-51A 的超燃沖壓發動機內,通過級間段流出,逐漸加熱發動機及其燃油。在助推器分離后,X-51A 將借助慣性滑行數秒鐘,然后在發動機內部依次點燃乙烯和燃油。達到熱平衡后,僅利用JP-7 燃料的燃燒實現不斷加速,整個動力飛行過程大約300 秒,預期飛行速度達到馬赫數6.5。隨著全部燃料消耗殆盡,X-51A 將開始減速,接著是500 秒的無動力飛行,逐漸下滑,最后墜落進太平洋。在這樣的4 次試驗成功后,考慮飛行器配備降落傘,以備回收重復使用。這里設計的300 秒飛行時間并不是推進系統的限制,只是局限于油箱容量。如果改進設計一種更大的燃料箱可增加飛行時間。

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                    X-51A結構示意

                     

                    X-51A試驗計劃的實施

                    X-51A 的飛行試驗原計劃在2010年全部完成,但由于經費和技術原因到現在只進行了3 次。X-51A 的首次飛行試驗是2010 5 26 日在美國加利福尼亞州南部太平洋海岸的愛德華空軍基地進行的。B-52H 載機起飛爬升到預定高度后,在馬赫數0.8 的飛行速度下,釋放了由助推器和驗證機組成的X-51A 試驗系統。大約4 秒后,助推器按照預定程序點火,將X-51A 助推到馬赫數4.8。隨后,X-51A 與助推器、級間段分離,按預定程序完成了一個平緩的180°滾轉機動。這一過程中,X-51A驗證機將進氣口從上方位置改變為腹部位置,速度略微降低到馬赫數4.73。隨后,超燃沖壓發動機先點燃乙烯,然后過渡到JP-7 碳氫燃料的點火、燃燒。接著,X-51A 開始逐步加速。但靶場安全官員通過監測數據發現,X-51A 開始減速,并且遙測信號丟失,于是下令終止試飛,飛行器起動了自毀程序。結果,發動機只工作了140 秒,并未達到預期的300 秒時間,飛行速度達到馬赫數5,尚未加速到馬赫數6 以上。但是發動機基本按照設計要求工作:點燃乙烯,過渡到乙烯與JP-7 燃料的混合燃燒,達到JP-7 燃料燃燒的條件,僅用JP-7 燃料繼續燃燒,并持續工作140 秒,X-51A在自毀前機內仍然剩余部分燃料。此次試驗取得了95%的成功。

                    一年后的2011 6 13 日,X-51進行了第二次飛行試驗?;鸺七M器成功將X-51 推進至馬赫數5,發動機點燃乙烯并過渡到了JP-7 常規燃料。但這時進氣道無法起動,之后工作人員遙控重啟失敗,在操作人員的控制下,飛行器濺落加利福尼亞沿海。

                    第三次飛行試驗原計劃在2011 年底進行,但為解決上次試驗的問題而推遲到了2012 8 14 日,在愛德華空軍基地和莫古角導彈靶場進行。X-51A按計劃與B-52 分離,助推火箭順利點火。但X-51A 飛行了16 秒后,空軍發現一個平衡控制尾翼出現問題,再過15秒,X-51A 和助推火箭分離后隨即失控墜落太平洋,無法回收。目前,美國軍方尚未公布第三次試驗失敗的原因。

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                    X-51A所采用的普惠公司羅克達因分公司的SJY61-2發動機在進行推力測試

                     

                    X-51A試驗失敗原因

                    X-51A 三次飛行試驗出現的問題基本都不一樣,失敗的原因也是多樣的。

                    美空軍透露,在2010 5 26 X-51A 首次飛行中,飛行器在超燃沖壓發動機點火110 余秒后,經歷了與第二次試驗相似的進氣道未起動問題,之后發動機成功恢復。而試驗中的遙測數據表明,此后飛行器加速度略低于設計值,而且發動機艙后部的溫度明顯高于設計值,最終出現聯系中斷,這主要是因為飛行器密封出現問題。由于X-51A 采用了發動機與機體一體化設計,飛行器密封問題導致發動機熱氣滲透進機身,切斷了飛行器與飛行控制人員的通信。而此前也有人認為是錯誤地估算了X-51A 在低馬赫數飛行時的阻力,導致了飛行器速度變慢。

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                    進行測試的X-51A

                    第二次試驗失敗的直接原因是進氣道無法起動。而事后分析發現,進氣道不起動的原因主要是因為激波速度過快,激波越過進氣口前端,導致發動機氣流的氣壓驟減。X-51A 在機體外形設計上采用了所謂的乘波體,即一種在飛行器所有前緣都具有附體激波的聲速、高超聲速飛行器構型,這種設計有助于X-51 發動機的燃燒過程。X-51A 機體外形有一個扁平的頭部,整體外形產生的激波壓縮后,沿著壓縮面的流動被限制在前緣激波內,形成較均勻的沿下表面流場,可以消除發動機進口處的橫向流動,利于提高吸氣式發動機的進氣效率,同時使這一構型便于進行彈體/發動機/進氣道一體化設計,但也使超燃沖壓發動機的工作依賴著極度精確的激波運動和發動機氣流。而由于沒有高超聲速風洞,因此只能靠計算和實際飛行試驗,這是失敗的根本原因。

                    前兩次試驗失敗原因沒有重復,說明美科研人員針對X-51A 的問題所做改進基本都是成功的。但也應該看到,前兩次失敗的原因分別是總體設計和部件加工工藝及發動機等多個方面,問題不集中,這表明X-51A 整體技術不成熟,以往的失敗原因難以為此次問題分析提供依據。

                    第三次試驗前美軍對X-51A 進行了一系列硬件和軟件改進。從現象上看,此次失敗是尾翼問題導致飛行器在主發動機點燃前失衡,研發人員不得不中止其飛行,而導致尾翼失控的原因是多樣的。

                    首先是設計不理想,尾翼載荷過大。X-51A 的中部設有4 片可偏轉的襟翼,這4 片翼在助推火箭分離后即成為X-51A 機體的尾翼,主要功能是控制飛行器的平衡和機動。如這幾次試驗都使用了B-52H 掛載由助推器和驗證機組成的X-51A 試驗系統,實際上X-51A是倒掛在B-52H 機翼下的,投放后需要發動機和這4 片尾翼配合翻轉180°,使進氣道在下方。而且在飛行中需要利用其保持飛行器穩定,一旦武器化后還需要利用其在空中巡航機動。但是由于X-51A 需要跨越亞聲速、超聲速和高超聲速等多個飛行階段,速度要從0.8 馬赫一直提高到6 馬赫以上,因此尾翼的設計十分特殊。外界分析認為,雖然前兩次試驗中尾翼均未發生問題,但不能證明其設計是可靠的。有可能是在助推火箭加速過程中尾翼載荷過大,造成其偏轉失控或損毀,而導致后面的180°翻轉無法實現,從而導致科研人員放棄了此次試驗。

                    第二是材料性能不佳,尾翼部件損毀。X-51A 速度達到6 馬赫以上時,頭錐部位溫度可達1 500℃,其它部位溫度也將在500℃以上。因此,X-51A 大多選用了長壽命、耐高溫、高強度、低密度的結構材料,大量使用了鎢或鎢鎳合金等高強度金屬,而其尾翼等部件則以碳-碳復合材料為主體。較為復雜的材料可能在焊接和加工拼合上出現問題,導致關鍵部件在惡劣空氣動力環境中出現問題。

                    第三是工藝設計出現問題,控制機構發生故障。由于X-51A 采用了發動機與機體一體化設計,而超燃沖壓發動機與機體的受熱時間和重點不同,因此如果其內部密封不嚴很可能造成飛行器內溫度擴散失衡,導致機內的電子控制器件或信號傳輸線路甚至機械系統在高溫下失能。例如,X-51A 在第二次飛行試驗中出現了發動機密封不嚴導致信號傳送失效。雖然此次尚未起動發動機,不會重復上次故障,但有可能由于為避免上次故障,對發動機后部的設計進行了改動,或采用了新的密封工藝,導致尾翼控制傳動機構或作動器等部件發生故障,在助推火箭的大過載推動下,造成了尾翼的偏轉或分離。

                    第四是加工質量不高,導致責任事故。由于此環節在前兩次試驗中順利通過,而此次卻意外故障,因此不排除波音在加工組裝過程中出現問題,導致第三次試驗用了不合格產品。這種情況在以往的武器發展中也曾出現過。

                    此次試驗中遺憾的是發動機尚未起動即告失敗,從而使最可能出現問題的超燃沖壓發動機點火和工作情況沒得到驗證。這使后面的試驗無從改進,等于減少一次試驗機會。

                     

                    X-51A試驗失敗的影響

                    接二連三的失敗反映出美國并未掌握這項技術,可能促成美國政府考慮終止該計劃,返回去從基礎技術研發開始。類似情況曾發生在2004 年流產的X-43 計劃中。X-43 計劃曾耗資2.4 億美元發展一種使用超燃沖壓發動機在10 秒內將飛行器加速至馬赫數9.6 的技術驗證機,其試驗與投放方式與X-51A非常接近。但由于技術指標制定過高,導致試驗一再失敗,最后不得不取消,而將技術轉移到了X-51A 計劃上來。

                    美國空軍稱,設計X-51A 是為了驗證超燃沖壓發動機技術,可用于“全球快速打擊”和“全球高速運輸機”,使美軍在60 分鐘內攻擊或將裝備和人員送達全球幾乎任何地方。有美國媒體評論說,有了X-51A 的實踐,才能敲開偵察打擊和全球覆蓋的大門。但不知道三次失敗之后,五角大樓是不是還在考慮一小時全球打擊計劃。

                    此次失敗將使X-51A 計劃失去美國民眾和國會的信任。奧巴馬政府的最大問題就是其緊縮的財政和龐大的軍事預算之間的矛盾,因此一再失敗的X-51A 計劃很可能在新一輪總統大選中被犧牲掉,從而使美國喪失高超聲速技術項目,雖然美軍還在研發其它高超聲速飛行器。目前,除美國外,俄、法、德、印都在發展同類技術,如果在未來5年內整個項目失去財政支持,美國在該領域的優勢將喪失。





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