美国X-51A为何折戟再三

文/杨欣宇

2012 年8 月14 日，美国新一代快速打击武器的代表——X-51A“乘波者”高超声速无人飞行器在进行第三次试飞时失败，坠入太平洋靶场，使美国全球快速打击武器发展前途未卜。那么，美国X-51A 试验计划是怎样的？此次失败的原因是什么？会产生怎样的影响呢？

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B-52挂载的X-51A特写

X-51A发展与试验计划

美国高超声速飞行器发展计划由来已久，试验工作一波三折，从其发展中我们可以看出该项技术发展的不易和巨大技术风险性。

1996 年美国NASA 开始实施高超声速发展计划，X-43 试验飞行器是发展计划的排头兵。但由于接连失败，加之NASA 把各项航空研究重点转移到空间领域，X-43 计划被迫在2004 年终止。此后，美国空军转而投资HyTech 计划以延续对高超声速技术的研究，HyTech后来衍变为HySet 项目，这两项研究为X-51A 奠定了基础，因此X-51A 计划可以看作是美国“国家空天飞机”（NASP）计划和X-43计划的一个延续。

2004 年1 月，空军选择波音公司与普惠公司共同制造高超声速技术验证机，波音制造机身，普惠生产发动机。2005 年9 月，美国空军正式将该计划编号为X-51A。X-51A 计划的主要目的是对美国空军超燃冲压发动机进行飞行试验。这种发动机使用吸热型碳氢燃料，能将飞行器的飞行马赫数从4.5 提升到6.5。2007 年6 月，波音的X-51A设计通过评审，普惠的超燃冲压发动机进行了首次地面点火试验。以后，波音相继设计了X-51 从B 到H 的不同型号，而普惠也对不同改进型的发动机进行了11次地面试验。

此时的X-51A 计划包括了美国空军、美国国防部高级研究计划局、美国国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单位，成为美军重点技术方向。

按计划，X-51A 首轮将进行4 次飞行试验，为此波音装配了4 架X-51A。试验时将由B-52 将飞行器带到接近莫古角导弹靶场的太平洋上空15 千米的高度投放，飞行器尾部的固体火箭推进器将点火，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，并爬升到约22 千米高度。在助推过程中，空气将进入X-51A 的超燃冲压发动机内，通过级间段流出，逐渐加热发动机及其燃油。在助推器分离后，X-51A 将借助惯性滑行数秒钟，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 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。在这样的4 次试验成功后，考虑飞行器配备降落伞，以备回收重复使用。这里设计的300 秒飞行时间并不是推进系统的限制，只是局限于油箱容量。如果改进设计一种更大的燃料箱可增加飞行时间。

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X-51A结构示意

X-51A试验计划的实施

X-51A 的飞行试验原计划在2010年全部完成，但由于经费和技术原因到现在只进行了3 次。X-51A 的首次飞行试验是2010 年5 月26 日在美国加利福尼亚州南部太平洋海岸的爱德华空军基地进行的。B-52H 载机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 助推到马赫数4.8。随后，X-51A 与助推器、级间段分离，按预定程序完成了一个平缓的180°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，速度略微降低到马赫数4.73。随后，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 开始逐步加速。但靶场安全官员通过监测数据发现，X-51A 开始减速，并且遥测信号丢失，于是下令终止试飞，飞行器起动了自毁程序。结果，发动机只工作了140 秒，并未达到预期的300 秒时间，飞行速度达到马赫数5，尚未加速到马赫数6 以上。但是发动机基本按照设计要求工作：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在自毁前机内仍然剩余部分燃料。此次试验取得了95%的成功。

一年后的2011 年6 月13 日，X-51进行了第二次飞行试验。火箭推进器成功将X-51 推进至马赫数5，发动机点燃乙烯并过渡到了JP-7 常规燃料。但这时进气道无法起动，之后工作人员遥控重启失败，在操作人员的控制下，飞行器溅落加利福尼亚沿海。

第三次飞行试验原计划在2011 年底进行，但为解决上次试验的问题而推迟到了2012 年8 月14 日，在爱德华空军基地和莫古角导弹靶场进行。X-51A按计划与B-52 分离，助推火箭顺利点火。但X-51A 飞行了16 秒后，空军发现一个平衡控制尾翼出现问题，再过15秒，X-51A 和助推火箭分离后随即失控坠落太平洋，无法回收。目前，美国军方尚未公布第三次试验失败的原因。

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X-51A所采用的普惠公司罗克达因分公司的SJY61-2发动机在进行推力测试

X-51A试验失败原因

X-51A 三次飞行试验出现的问题基本都不一样，失败的原因也是多样的。

美空军透露，在2010 年5 月26 日X-51A 首次飞行中，飞行器在超燃冲压发动机点火110 余秒后，经历了与第二次试验相似的进气道未起动问题，之后发动机成功恢复。而试验中的遥测数据表明，此后飞行器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，最终出现联系中断，这主要是因为飞行器密封出现问题。由于X-51A 采用了发动机与机体一体化设计，飞行器密封问题导致发动机热气渗透进机身，切断了飞行器与飞行控制人员的通信。而此前也有人认为是错误地估算了X-51A 在低马赫数飞行时的阻力，导致了飞行器速度变慢。

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进行测试的X-51A

第二次试验失败的直接原因是进气道无法起动。而事后分析发现，进气道不起动的原因主要是因为激波速度过快，激波越过进气口前端，导致发动机气流的气压骤减。X-51A 在机体外形设计上采用了所谓的乘波体，即一种在飞行器所有前缘都具有附体激波的声速、高超声速飞行器构型，这种设计有助于X-51 发动机的燃烧过程。X-51A 机体外形有一个扁平的头部，整体外形产生的激波压缩后，沿着压缩面的流动被限制在前缘激波内，形成较均匀的沿下表面流场，可以消除发动机进口处的横向流动，利于提高吸气式发动机的进气效率，同时使这一构型便于进行弹体/发动机/进气道一体化设计，但也使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。而由于没有高超声速风洞，因此只能靠计算和实际飞行试验，这是失败的根本原因。

前两次试验失败原因没有重复，说明美科研人员针对X-51A 的问题所做改进基本都是成功的。但也应该看到，前两次失败的原因分别是总体设计和部件加工工艺及发动机等多个方面，问题不集中，这表明X-51A 整体技术不成熟，以往的失败原因难以为此次问题分析提供依据。

第三次试验前美军对X-51A 进行了一系列硬件和软件改进。从现象上看，此次失败是尾翼问题导致飞行器在主发动机点燃前失衡，研发人员不得不中止其飞行，而导致尾翼失控的原因是多样的。

首先是设计不理想，尾翼载荷过大。X-51A 的中部设有4 片可偏转的襟翼，这4 片翼在助推火箭分离后即成为X-51A 机体的尾翼，主要功能是控制飞行器的平衡和机动。如这几次试验都使用了B-52H 挂载由助推器和验证机组成的X-51A 试验系统，实际上X-51A是倒挂在B-52H 机翼下的，投放后需要发动机和这4 片尾翼配合翻转180°，使进气道在下方。而且在飞行中需要利用其保持飞行器稳定，一旦武器化后还需要利用其在空中巡航机动。但是由于X-51A 需要跨越亚声速、超声速和高超声速等多个飞行阶段，速度要从0.8 马赫一直提高到6 马赫以上，因此尾翼的设计十分特殊。外界分析认为，虽然前两次试验中尾翼均未发生问题，但不能证明其设计是可靠的。有可能是在助推火箭加速过程中尾翼载荷过大，造成其偏转失控或损毁，而导致后面的180°翻转无法实现，从而导致科研人员放弃了此次试验。

第二是材料性能不佳，尾翼部件损毁。X-51A 速度达到6 马赫以上时，头锥部位温度可达1 500℃，其它部位温度也将在500℃以上。因此，X-51A 大多选用了长寿命、耐高温、高强度、低密度的结构材料，大量使用了钨或钨镍合金等高强度金属，而其尾翼等部件则以碳-碳复合材料为主体。较为复杂的材料可能在焊接和加工拼合上出现问题，导致关键部件在恶劣空气动力环境中出现问题。

第三是工艺设计出现问题，控制机构发生故障。由于X-51A 采用了发动机与机体一体化设计，而超燃冲压发动机与机体的受热时间和重点不同，因此如果其内部密封不严很可能造成飞行器内温度扩散失衡，导致机内的电子控制器件或信号传输线路甚至机械系统在高温下失能。例如，X-51A 在第二次飞行试验中出现了发动机密封不严导致信号传送失效。虽然此次尚未起动发动机，不会重复上次故障，但有可能由于为避免上次故障，对发动机后部的设计进行了改动，或采用了新的密封工艺，导致尾翼控制传动机构或作动器等部件发生故障，在助推火箭的大过载推动下，造成了尾翼的偏转或分离。

第四是加工质量不高，导致责任事故。由于此环节在前两次试验中顺利通过，而此次却意外故障，因此不排除波音在加工组装过程中出现问题，导致第三次试验用了不合格产品。这种情况在以往的武器发展中也曾出现过。

此次试验中遗憾的是发动机尚未起动即告失败，从而使最可能出现问题的超燃冲压发动机点火和工作情况没得到验证。这使后面的试验无从改进，等于减少一次试验机会。

X-51A试验失败的影响

接二连三的失败反映出美国并未掌握这项技术，可能促成美国政府考虑终止该计划，返回去从基础技术研发开始。类似情况曾发生在2004 年流产的X-43 计划中。X-43 计划曾耗资2.4 亿美元发展一种使用超燃冲压发动机在10 秒内将飞行器加速至马赫数9.6 的技术验证机，其试验与投放方式与X-51A非常接近。但由于技术指标制定过高，导致试验一再失败，最后不得不取消，而将技术转移到了X-51A 计划上来。

美国空军称，设计X-51A 是为了验证超燃冲压发动机技术，可用于“全球快速打击”和“全球高速运输机”，使美军在60 分钟内攻击或将装备和人员送达全球几乎任何地方。有美国媒体评论说，有了X-51A 的实践，才能敲开侦察打击和全球覆盖的大门。但不知道三次失败之后，五角大楼是不是还在考虑一小时全球打击计划。

此次失败将使X-51A 计划失去美国民众和国会的信任。奥巴马政府的最大问题就是其紧缩的财政和庞大的军事预算之间的矛盾，因此一再失败的X-51A 计划很可能在新一轮总统大选中被牺牲掉，从而使美国丧失高超声速技术项目，虽然美军还在研发其它高超声速飞行器。目前，除美国外，俄、法、德、印都在发展同类技术，如果在未来5年内整个项目失去财政支持，美国在该领域的优势将丧失。