基本介紹
- 中文名稱：X-30空天飛機
- 研製時間：1986年
- 國家：美國
- 研製單位：美國國防部、國家航空航天局
- 別稱：桑格、赫爾墨斯
歷史背景,研發歷程,技術特點,關鍵技術,衝壓發動機,地面試驗,新材科,液氫管理,技術參數,存在問題,
歷史背景
上世紀60年代經過反覆論證而誕生的太空梭 是以重複使用，費用最少為目的而代替一次性使用火箭的。用火箭向軌道上發射1公斤 需要幾千美元的發射費，而太空梭的目標是降到十分之一。然而這個目標落空了，太空梭實際發射費用每磅為2000～3000美元。加上“挑戰者”號事故，使一次性使用火箭重新有了市場。
儘管如此，由於空間站和戰略防禦的需 要，特別是空軍認為，必須有一種能從一般跑道上起飛，縮短起飛準備時間的飛行器，機體儘量由人操縱。這樣，可在極有限時間內，對地球上和軌道上的目標進行偵察、運輸、截擊。而當時的太空梭的起飛準備時 間太長（需幾周），基地只有兩個，易遭破 壞。為此，於1983年，空軍系統司令部 (AFSC)的航空系統處（ASD)開始了 TAV計畫的階段1研究，TAV (Transatmospheric Vehicle)的構想是水平起降，2名乘員，9噸載荷，在地球和軌道間飛行， 在普通跑道上起飛準備時間在5分鐘以內。
1985年夏空軍系統司令部召開“項目預 測2號方案”研討會，會上選擇了今後10-20年內將使用的39種技術，這也是TAV所需的大部分技術。
1985年秋空軍首腦部高度評價TAV。
1985年3月政府科技政策辦公室起草的 一份今後“國家航空研究開發目標”的材料中也談到TAV的目標，指出必須花大力氣抓航空航天這兩個領域的技術合作。
1986年初美國TAV這類飛行器統一稱為航空太空梭（Aerospac-eplane)。
自里根總統發表咨文之後，以國防先進 研究計畫局（DARPA)為牽頭單位，作為國防部和航宇局合作項目開始實施NASP X-30計畫。它的正式目標是：“開發並驗證作為高超音速飛機的基礎技術，以便能夠製造在技術、成本和套用上比以往更先進的空間運輸系統、軍用飛機和民用飛機。”它的短期目標是“開發並用研究機X-30驗證美國製造這種飛機材料所需的技術。這種飛機材料將用在以高超音速持續飛行的宇宙運輸機和在大氣層內飛行的軍用民用飛機上”。
研發歷程
在早期概念研究的基礎上，1986年2月4日美國政府宣布推行“國家空天飛機計畫”時提出研製一種能水平起降單級入軌的研究機X-30。1986年開始對開發所需技術進行評估。這一階段計畫於1993年完成。然後進行X-30研究機製造，並在2000年前後開始試飛。
在美國政府大量削減政府開支後，X-30的進度目前又推遲。為減少風險，於1993年提出先製造和試飛兩架X-30原型機，把工作退回到火箭發射的超音速燃燒飛行試驗，在發動機方面，首先用“民兵”與“大力神”火箭發射超音速燃燒發動機，再研究馬赫數大於12時的發動機工作情況，在試驗成功後再推進X-30計畫。
X-30有助於使普通火箭發射器靈活、有效地將更大載荷運送至地球軌道，它在空天飛機的可復用性、發射後回收技術以及對中途返航的研究都具有重要意義。X-30的研製總經費估計為20億美元，其中7億美元來自各生產企業。
X-30採用尖頭、狹長機體、大後掠三角翼、單垂尾布局，以減少高速飛行時的阻力，機身從前到後為頭錐，兩人駕駛艙、電子設備艙、液氧艙、由氣態、液態和固態氫混成的糊態氫艙及液氧艙。動力裝置由渦輪衝壓/超音速燃燒衝壓/入軌和再入大氣火箭發動機構成。機體主要用鈦基複合材料，表面高熱部分用有內部冷卻的防熱材料。
80年代中對X-30的研製總經費估計為33億美元。1984、1985、1986年的科研經費分別為3.5億美元、4.25億美元、5億美元。
技術特點
X-30的最大特點是使用超音速衝壓發 動機，並把機體的後半部分與發動機設計成 一個整體。
第二個特點是能大幅度降低空間運輸的 發射費用，達到現在的太空梭單位重量費用的10%，甚至1%。
第三個特點是能在大氣層內高超音速巡 航飛行。預計馬赫數為5-15,高度2.4萬-4.6萬米。
X-30從一般跑道上水平起飛，免去了太空梭組裝後運到發射台的麻煩，節省了支援發射的地面費用。而且太空梭的費用大部分用於一次使用的外貯箱和固體助推器的回收再使用上。X-30使用衝壓發動機，在大氣層內加速到馬赫數25，高度達到6萬米後，再爬升到地球軌道。如果不飛到軌道上，僅作地球上兩點間飛行，就沒有必要加速到馬赫數25。
X-30是空天飛機的研究機，它是21世紀實用空天飛機的第一顆火種。
關鍵技術
X系列飛機是美國的技術試驗飛機，從 1947年的XS-1突破音速到1967年X-15A-2,馬赫數達到6.72。然而，那時美國的重點轉移到航天方面，宇航局於1968年中斷了X-15的飛行。
進入80年代，美國空軍曾經擁有的領先 地位受到影響。1984年DARPA的庫巴長官呼籲每年拿出10億美元建立一種國家體制，以便每年研究一種X機那樣的試驗飛機。他說，航空太空梭需要由X-30這類飛機來驗證遍及發動機、氣動力學、材料、燃料和電子系統等各個領域的技術。
衝壓發動機
使用空氣中的氧氣，可以加速到馬赫數 為25的超音速衝壓發動機是X-30的關鍵。沖 壓發動機(Scramjet-Supersonic Combustion Ramjet)在60年代就曾作過地面 試驗，後來曾計畫安在X-15上試驗，但因 X-15計畫中斷而放棄。
飛機在超音速飛行時，從前方壓入發動 機的空氣因動壓作用而升高壓力，因而無需 渦輪等部件。然而空氣要正常穩定地燃燒，在燃燒室處的流速需保持在音速以下，所以 燃燒室的形狀非常考究。另一方面，在以馬赫數為4速度飛行時，發動機效率反而會降低，不能使用。因而要靠渦輪發動機(ATR) 起飛並加速到馬赫數4。
這樣X-30從起飛到進入軌道需3種發動機： 起飛並加速到M=5左右的ATR發動機，再加速到M=4-25的吸氣式衝壓發動機，以及最後進入軌道用的加速到M=15-30的火箭發動機。目前火箭發動機比沖最好為450秒以上，不到500秒，而NASP的吸氣發動機已達1200秒以上。
地面試驗
目前地面試驗設備（如風洞）只具備 M=8以下的能力，用極小的縮比模型可達到M=20，對M=25的X-30除了用實際飛行去驗證外，必需依靠計算空氣動力學(CFD)的方法。利用航宇局艾姆斯中心的克萊2超級計算機建立的數值氣動力模擬機（NAS)，可精確計算發動機內部的氣動和工作狀況;另一方面，利用M=8以下的地面試車結果外推到M=25的狀況。兩者驗證結果，剩下的工作只能靠飛行試驗來解決。
新材科
關於X-30研究機在達到M=25及重返大氣層時的氣動加熱情況，據艾姆斯中心透露：上升時，機翼前緣駐點約3200°C，再入時約1 000°C，其餘部分約1000°C。和太空梭比較，駐點溫度在再入時是後者的2倍，上升時達到10倍。
除了在外形設計上兼顧防熱和升阻比 外，機體大部分採用輻射冷卻，同時開發新 型防熱材料。X-30計畫開發的機體材料能耐540°C以上高溫，比強度為10kg/mm2。 發動機部件採用快速凝固（RSR)合金。發動機噴口、機頭、翼前緣等高溫區使用碳-碳複合材料。此外還將使用金屬基和陶瓷基的複合材料。
液氫管理
X-30除了使用耐熱材料外，對氣動加熱 特別嚴重處使用液氫燃料冷卻。
液氫除了作火箭燃料外，在50年代，B-57飛機上使用液氫作過飛行試驗。使用液氫 能降低機載燃料量，但在發熱量相同情況 下，其貯箱容積卻是汽油燃料的4倍。
液氫貯箱內側是-253°C的低溫，而機體 外側因氣動加熱是高溫；太空梭外貯箱是 一次使用，X-30的貯箱卻是多次使用，所以貯箱的結構和材料是X-30開發技術之一。
X-30把液氫用作衝壓發動機和渦輪發動機的燃料，又和少量的液氧一起作為火箭發動機及反作用控制系統的燃料，它還用於燃料電池。此外，液氫還用作機體和設備的冷卻，以及機艙內空調。因此，最佳地自動進行液氫管理的電子系統也是關鍵技術之一。
技術參數
機長 45.7～61米
動力裝置 入軌和再入大氣時的火箭推力為222～333千牛。
重量及載荷 起飛重量113400～136000千克。
存在問題
①過載問題。空天飛機在起飛爬升到巡 航或巡航到下降著陸過程中的過載以多大為 限制過載控制在0.lg (巡航速度為M=2.2)，如若M=12，則不能控制在0.2g。一般高超音速運輸機的巡航速度為M=5。自然，“東方快車”也不是以M=25的速度飛到東京。
②研製費問題。太空梭最終的研製費 用高得驚人，由於技術改變，最佳方案也會 改變，在費用上就有可能出現新的問題。
③燃料問題。液氫雖好，但貯箱卻増 大。改用液化甲烷，同樣的發熱量，其容積 是液氫的1/2.5,然而甲烷也是-161°C的低溫燃料，要使用它，需在機場新建燃料庫、供給系統和相應的服務體系。
此外，還有起飛降落時的噪音問題；安 全保護問題、公害標準、經濟性，以及隨著 研製的深入，接踵而來的各種技術問題。
