X-43A超音速飛機

X-43A超音速飛機

X-43A超音速飛機,是一架可在地球大氣層里飛行的超音速噴氣機,該機的飛行速度將是聲速的5倍,藉此大大縮短全球飛行的時間(最多可減少多達數小時),把太空梭帶入渦輪增壓協和飛機的新時代。

X-43A簡介

X-43A超音速實驗飛機

美X-43A超音速實驗飛機創下新世界紀錄美X-43A超音速實驗飛機創下新世界紀錄

X-43A是美國國家航空航天局(NASA)旗下德萊頓飛行研究中心(DrydenFlightResearchCenter)所開發的極音速(Hypersonic)飛行實驗機,也是迄今為止人類所造出使用外進氣動力的飛行器中,速度最快的紀錄保持者。

2005年6月,美國宇航局試飛了一種世界上飛得最快的飛機。這種代號為X-43A的新型無人機機身長約3.65米,體重1.2噸,樣子像個黑色的衝浪板,研製耗資2.3億美元。飛機的設計最高時速將達到音速的10倍,也就是10馬赫!可惜在首次試飛中,由於助推器失靈,X-43A升空幾分鐘就掉進太平洋和魚蝦做伴了。不過美國有關方面並不打算就此放棄,表示會繼續這一新型無人機的試驗。X-43A因而有望成為第一個以極超音速的速度飛行的作戰飛機. 科學研究也需要前仆後繼。11月,X-43A再次試飛。一架經過改裝的B-52B重型轟炸機機翼下掛著一架X-43A飛機和一枚"飛馬"助推火箭從加州的愛德華茲空軍基地起飛。很快,B-52B上升至1.2萬米高空。這時,和X-43A捆綁在一起的"飛馬"火箭點火,它們脫離B-52B轟炸機,由飛馬火箭把X-43A推到大約2.9萬米的高空。接下來,X-43A脫離飛馬火箭,自身發動機點火,開始以1萬千米時速獨立飛行。約10秒後,飛機燃料耗盡,飛機繼續滑行了6分鐘經過1368千米的距離墜入太平洋。被落海時的撞擊力徹底摧毀。這是個歷史性的時刻,X-43A創造了9.7馬赫的速度,前無古人,世界最快!

原理與試飛

X-43A是一架無人駕駛的飛行器,狀似一個滑板,長約3.6米。X-43A使用獨特的超音速衝壓發動機(SupersonicCombustionramjet,簡稱為Scramjet)作為動力,這種動力系統屬於內燃機的一種,與傳統高速飛行時所使用的火箭引擎不同,是從大氣中吸入空氣燃燒。由於超音速衝壓發動機在運作時,燃燒室的進氣流速必須超過音速(相比之下,衝壓發動機的燃燒室進氣則處於次音速狀態),雖然工程師可以透過進氣道造型設計等方式提升氣流速度,但一般來說除非飛行器本身已處於超音速飛行狀態,否則很難啟動機上的超音速衝壓發動機。為滿足這前提,X-43A必須先掛載在改裝過的NB-52B母機(以B-52同溫層堡壘式轟炸機改裝而來)翼下飛至高空後,點燃連結在X-43A上的飛馬座火箭(PegasusBooster,原本是作為反低軌道人造衛星飛彈用的推進系統)將X-43A推進到超音速的狀態後,再點燃自身的超音速衝壓發動機進行極音速飛行。

NASA的“Hyper-X”極超音速飛行計畫共分為三次試飛,主要的目的是想探索除了傳統的火箭動力外,將其他新動力系統用於太空飛行上的可能性。

X-43A的第一次試飛是在2001年6月2日進行,但很不幸的該次飛行是以失敗收場。由於試飛過程中,飛馬座火箭要穿越音障的瞬間發生預期外的共振問題,導致火箭失控偏離了預計的飛行路線,為了安全考量測試單位啟動機身上的自爆裝置主動摧毀了X-43A,而沒有達到預期的成果。

三次極超音速飛行

首次成功的極超音速飛行是發生在2004年3月27日,當時試飛的第二架X-43A實驗機在脫離飛馬座火箭後,在約95,000英尺的高空中以自身的動力飛行了11秒,到達約7馬赫(Mach7,約等於8,000km/h)的高速,然後再逐漸滑翔直至落入美國西海岸外的太平洋中。這項紀錄事後也獲得健力士世界記錄的認證,認證書上說明著X-43A在一持續了11秒的飛行中到達6.8316馬赫的速度,是當時世界上最快的進氣(AirBreathing)飛機。

第三次也是最後一次的飛行,原本預計是要在2004年11月15日時進行,但因為X-43A上的一個控制儀器出問題進行檢修,來不及在美國聯邦航空局(FAA)規定的美東時間下午七時前完成飛行,而延後到隔日的11月16日進行。由加州艾德華空軍基地(EdwardsAFB,CA)起飛的NB-52B母機攜帶著飛馬座火箭與X-43A升空後,在40,000呎的高空中點燃火箭,將X-43A推到足以啟動的高度與速度狀態。X-43A最後在短暫的衝刺之後做出接近9.8馬赫(約為7,000英里/小時,或11,200公里/小時)的超高速飛行,飛到離地表超過35公里遠的高空。

研究分析

美國宇航局的試驗性X-43A超音速飛機的速度可以達到聲速的7倍美國宇航局的試驗性X-43A超音速飛機的速度可以達到聲速的5倍

X-43A超音速飛機的飛行速度將是聲速的5倍,以此速度飛行,從紐約悉尼大約只需2個半小時,而現在需要21小時。該項目被認為是為了製造一艘可以前往火星的可重複使用的飛船,但是就以前的空間技術而言,它將會與航空客運產生巨大衝突。根據美國宇航局的2010年航空提議,該局每年要分配出500萬美元,用於未來3年把一種新飛機變成現實。此舉的目的是製造一種可以攜帶乘客穿過大氣層,並能安全下降和著陸的可重複使用的飛機。

根據這項提議,工程師需要觀察“進入地球大氣層的大型飛機的進入、下降和著陸情況,以及進入太空後的空氣呼吸(airbreathing)情況”。美國宇航局清楚,製造這種機器還面臨著很多挑戰。該提議指出:“超音速加熱環境,再加上強調使用性能,使這項研發工作在材料、材料塗層和結構等方面面臨幾大技術挑戰,它們不僅要能承受空氣動力載荷,而且需要多次忍耐高熱負荷,在確保機體最輕的同時,還要保證它的使用壽命長和耐用。如果進入太空的低成本方式獲得成功,進入空間的運載火箭必須很輕、完全可以再次使用和易於維修。”

飛行速度

超音速飛機還是一個新概念,協和號飛機是這方面的先驅,它的飛行速度是聲速的2倍。不過超音速飛機的速度可以達到聲速的5倍。2010年6月,一架試驗性超音速噴氣機在超音速飛行時打破記錄,以6倍於聲速的速度在空中飛行了3分多鐘,速度超過每小時4500英里(7242.05公里)。“X-51AWaveRider”超聲速飛機上周以6倍於聲速的速度自動飛行了200秒,然後被從一架B-52轟炸機上釋放出來。超音速衝壓噴氣發動機利用氧氣以超音速的速度快速穿過發動機來點燃氫燃料。

2010年10月,理察·布蘭森的維珍銀河公司的“太空船2”號被母船送上莫哈維沙漠上空4.5萬英尺(13.72公里)高空後,成功完成了它的處女航。這艘飛船是由著名飛機設計師伯特·魯坦設計的,它的目的是以更多人可以承受的價格進行太空旅行,目前它的票價是20萬美元。該船是根據2004年獲得1000萬美元獎金的原型機(首個成功到達太空的私人載人火箭)製造的。這艘可搭乘6名乘客的飛船需要經過一系列嚴格檢驗後,才能把乘客送入太空。

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