6.7马赫的冷战黑科技——X-15火箭飞机的故事

万磁王

作者：Armstrong  
来自空翼

　　X-15高超音速火箭飞机帮助航天飞机铺平了通往太空之路，该机被尼尔·阿姆斯特朗称赞为“史上最成功的研究飞机”，本文就来回顾一下这种“有人驾驶火箭”的传奇故事。
　　自从1947年查克·耶格尔驾驶贝尔X-1达到1.06马赫后，人类飞行纪录在50年代初向前推进的速度相当缓慢，距离实现太空飞行的梦想还很遥远。

X-15高超音速火箭飞机帮助航天飞机铺平了通往太空之路，该机被尼尔·阿姆斯特朗称赞为“史上最成功的研究飞机”

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高超音速
　　为了解决这个问题，贝尔飞机公司首席设计师罗伯特·J·伍兹在1951年10月向美国国家航空咨询委员会（NACA，NASA的前身）建议启动高超音速飞机研究，这种飞机的飞行速度和高度都将远远超过之前任何机型，能触及太空边缘。
　　到1952年中期，NACA已经制定出这种研究飞机的关键参数，要求飞行高度19-80公里，飞行速度4-10马赫。如能实现，这将是世界上第一架太空飞机。
　　当时存在一个重要观点：未来的载人航天飞行将通过某种可重复使用的太空飞机实现。NACA计划分三步来实现这个宏伟计划：第一步，超音速飞行；第二步，高超音速飞行；最后一步，把宇航员送入地球轨道。
　　这种研究飞机将被用于收集高超音速飞行中气流和气动加热数据、验证高超音速操控性和稳定性、测试在地球大气层外飞行时的操控响应、评估再入技术和飞行仪表，以及人为因素对高超音速飞行的影响。更重要的是，该机将验证之前在地面风洞和实验室中获得的高超音速飞行数据的准确性。
　　伍兹的建议很快获得了高层接纳，1954年初，美国空军和海军都收到一份更具体的建议，两军都表示会提供支持。12月，美国空军邀请几家承包商来参加X-15项目的竞标，1955年9月北美航空（NAA）公司获胜，获得了制造三架飞机的合同。反应发动机公司（1958年起更名为Thiokol）则在1956年2月被授予研制配套的XLR99火箭发动机的合同。到1956年底，北美制作的全尺寸模型已经通过设计和结构评审，1957年末开始制造第一架X-15，1958年10月X-15-1下线。

X-15在研制时有两种方案：三角翼和常规布局，最后选择了常规布局

1966年NASA机棚中的各种研究机，其中就有X-15三兄弟

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有人驾驶火箭
　　X-15的机身修长而光滑，除了有个相当突兀但非常必要尾翼组件外，看上去就是一枚有人驾驶火箭。这架飞机基本上就是一个飞行的火箭燃料箱，只是在尾部安装了一台火箭发动机，在头部放进了一名飞行员。该机中置梯形后掠翼的翼展只有6.81米，除后缘襟副翼外没有其他可动操纵面。该机不同寻常的尾翼组件集成了稳定尾翼和气动操控面，与传统飞机相比，垂尾和腹鳍又大又厚，截面呈楔形，前缘锋利，后缘为一个平面，能高超音速飞行和再入过程中提供必要的稳定性。垂尾和腹鳍上还集成了大型全动方向舵，一个在垂尾顶部，一个在腹鳍底部，垂尾和腹鳍根部两侧还安装了减速板。后机身两侧是两片下反全动平尾，提供俯仰和滚转控制。

X-15三面图

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　　X-15的起落架也非比寻常，前起落架是可收放双轮结构，但无自主转向功能，主起落架则是两个滑撬，向前收入腹鳍两侧的机身内。为了在触地时不至于擦尾，X-15在降落前需要先抛掉腹鳍方向舵，让方向舵独自伞降落地，不过不是每次都能成功。滑橇位于机尾，接触湖床后在阻力的作用下就能使前起落架立即触地，避免发生任何弹跳现象。

滑橇位于机尾，接触湖床后在阻力的作用下就能使前起落架立即触地，避免发生任何弹跳现象

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　　X-15的内部结构使用钛合金制造，外部蒙皮则使用一种被称为“因科内尔-X”的铬镍合金制成，可承受高达650度的高度。X-15无自主升空能力，只能挂在B-52母机的机翼下方从空中发射。

在发射时B-52轰炸机需要挂载着X-15从加州爱德华兹空军基地起飞，然后飞到犹他州的发射点发射

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发动机和燃料
　　X-15的XLR99火箭发动机结构相对简单，活动部件很少，却是第一种具有节流阀的火箭发动机，而且能在飞行中重新启动。XLR99在研制中遭遇难题，导致出现延误，好在反应发动机公司凭借丰富的火箭发动机研发经验，最终研制成功。XLR99重408千克，长2.13米，其中喷管就占去了0.61米。

XLR-99-RM2火箭发动机

XLR99火箭发动机的喷管内侧

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　　在X-15的机身内，7.62米长的燃料箱占去了15.24米机身长度的一半，蒙皮就是燃料箱内壁，并使用氦气加压。燃料箱可装大约3785升液氧和5300升液氨，由一个过氧化氢驱动的涡轮泵以每秒148升的速率喷入燃烧室，产生大约27215千克推力。根据推力大小，发动机燃烧时间为70-80秒或240-270秒。X-15的平均飞行时间是7-8分钟，最长一次飞行刚刚超过12分钟28秒。

在X-15的机身内，7.62米长的燃料箱占去了15.24米机身长度的一半

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座舱
　　虽然从外表看，X-15的座舱似乎很狭小，但这只是低矮座舱盖带来的错觉，座舱内部空间实际上比当时大多数战斗机都大。这个座舱的视野极其有限，飞行员只能通过两片楔形风挡玻璃看到前方和两侧的有限区域，无法以机鼻和机翼作为视觉姿态参考，想要看见地面就只能压坡飞行。所以在X-15降落的最后阶段，跟踪机上的飞行员会持续向X-15飞行员通报高度和其他参数，帮助他安全降落。X-15座舱后方是一个大型仪器舱，用于进行各种科学实验，为未来太空项目收集有用信息。

座舱的视野极其有限，飞行员只能通过两片楔形风挡玻璃看到前方和两侧的有限区域，无法以机鼻和机翼作为视觉姿态参考

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　　X-15飞行员需要身穿压力服飞行员，座舱在10670米以上高度时会自动充氮气增压，同时向飞行员供氧。飞行员坐在一个弹射座椅上，最大弹射速度达4马赫（约4830公里/小时），最大弹射高度36580米。座椅在弹出后会展开翼面稳定姿态，等将到适合的速度和高度时再张开主伞，让飞行员与座椅分离。许多人怀疑该座椅在4马赫速度下究竟能不能成功弹射，不过没人能实际测试一下。

X-15的弹射座椅

座椅在弹出后会展开翼面稳定姿态，等将到适合的速度和高度时再张开主伞

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飞控
　　X-15采用常规的液压飞行控制系统（FCS）。由于X-15要在稀薄大气环境中飞行，此时气动操纵翼面已经无效，所以也配备了反推力系统（RCS），在机鼻和两侧翼尖都安装了两个喷射方向相反的火箭推进器。此外，X-15还配备了增稳系统（SAS），能在飞行中自动控制操纵翼面，帮助飞行员维持飞行姿态。

由于X-15要在稀薄大气环境中飞行，此时气动操纵翼面已经无效，所以也配备了反推力系统（RCS）