美国X系列试验飞行器简史.docx

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美国X系列试验飞行器简史

美国X系列试验飞行器简史

　　英文字母X是“Experimental”这个单词的缩写，即“试验的”之意，同时也蕴涵着“未知的”深层含义。

在飞行器设计领域，未知的技术障碍与难题比比皆是，即使是通过风洞、模拟器和计算机也只能构建出一个理想状态下的模型而已，所以必须研制出专门用途的试验机去探索那些未知领域。

　　为了探索航空航天领域众多的未知领域，美国人开始了X系列试验飞行器的研究工作。

1945年初，世界上第一架火箭动力试验机XS-1（后来命名为X-1）在美国军方的资助下首飞成功。

这之后，X-3、X-4、X-5等一大批试验飞行器相继飞上了蓝天。

在随后近三十年的发展过程中，以X冠名的试验飞行器几乎每年都要研制一种，其研制速度也快得惊人，这段时间因而也成为了X系列试验飞行器发展的黄金时期。

　　越南战场上的节节失败和苏联全球范围内的战略紧逼，让美国开始进入战略调整阶段。

在这种大环境下X系列试验飞行器的研制计划也陷入了停顿，从1971年至1983年美国没有进行任何一种X型试验机的研制工作。

　　强硬的里根总统上台后，沉寂了多年的X系列试验飞行器计划终于迎来了转机，1984年X-29A前掠翼试验机的首飞成功重新拉响了美国向未知航空航天领域前进的号角。

仅在上个世纪九十年代的十年间，就先后有14种X型试验飞行器投入研制，X系列试验飞行器计划的第二个黄金发展时期来到了。

　　今天，X系列试验飞行器已经不再单纯以“更高、更快”作为其发展目标了，跨大气层飞行器、太空营救系统、无人隐形武器投送平台等成为新的发展亮点。

可以肯定的是，在未来的日子里我们一定会看到越来越多更加先进的X系列试验飞行器飞上蓝天……

X-1

　　X-1试验飞机作为人类历史上一种划时代的飞机，不仅仅是因为它的速度超过了音速，也是因为它是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机。

X-1最初设想来自于20世纪30年代末飞机设计领域所遇到的问题，当时建造的风洞已经不能满足飞机在亚音速和超音速飞行条件下各种参数的正确搜集，因而研制一种专用的飞行试验机势在必行。

　　贝尔飞机公司制造的3架X-1机长9.45米，机高3.35米，翼展8.53米，其机身形状与12.7毫米机枪子弹极其相似，这样可在超音速飞行时保持机体的稳定。

X-1的机翼为平直翼，翼面厚度很小。

XLR-11火箭发动机为其提供动力，其燃料为液氧与酒精和水的混合物。

X-1-1、X-1-2于1945年相继出厂开始了试验飞行，与此同时NACA（美国国家航空咨询委员会，美国国家航空航天局NASA的前身）也加入了X-1项目的研制工作。

X-1试验机和B-29载机

超音速飞行中的X-1

　　1947年10月14日，试飞员查理斯.耶格尔驾驶X-1-1在43,00英尺的高空飞出了1.06马赫的高速，从而迈出了人类超音速飞行的第一步。

不久，X-1-2在飞行试验中速度也超过了音速。

1950年5月12日，X-1-1在耶格尔的驾驶下完成了最后一次试验光荣退休了。

随后，X-1-2也停止了飞行开始进行改造。

NACA的工程师们为X-1-2设计了新的机翼和新型的涡轮泵燃油系统，另外还将试飞员从侧面舱门进入驾驶舱的设计改为向上开启的座舱盖，这样X-1-2就成为了X-1E。

X-1E是用来验证薄翼气动特性的，它是第一架采用4%机翼厚度飞行成功的飞机。

另外还有必要提一下X-1-3，由于其燃料供给系统进行了改进，所以其理论最高速度可以达到2.4马赫，远远超过了前两者。

但这架X-1-3运气不太好，在一次试飞中由于燃料泄漏事故和载机B-50一起在空中炸成了碎片。

X-1总共试验飞行了157次，最大飞行速度达到1.45马赫，最大飞行高度21,000米。

　　贝尔飞机公司之后又建造了四架经过改进的X-1，其中X-1A进行动力稳定试验，X-1B进行空中载荷研究，X-1C搭载机炮进行武器测试（实体模型阶段被取消），X-1D则进行传热研究。

X-1D和X-1A先后在试验过程中爆炸坠毁，事后调查发现和X-1-3一样都是因为液氧油箱中皮革垫圈引起的，所以随后X-1B和X-2机体上的皮革垫圈全部被除去。

多次马赫2的飞行试验后，X-1B在1957年被改装用来进行反应控制系统（RCS，ReactionControlSystem）的试验。

它的翼尖上被装上了数枚过氧化氢火箭，当动态压力对于常规空气动力控制过小的时候，其后机身和机尾就会提供控制，这些成果为随后X-15的发展提供了宝贵的经验。

X-1三视图

X-2

　　X-2试验机项目于1945年由贝尔飞机公司、美国陆军航空队、NAC共同承担研制任务，它是一种装备火箭发动机、后掠翼的试验用机，其主要用途是为了研究飞行器在高空高速飞行条件下的气动力加热对机体结构的影响，以及飞行稳定性和操控有效性。

　　X-2机长13.84米，机高3.60米，翼展11.55米。

其机身使用了不锈钢和K-monel（一种铜镍合金）材料，其动力为一台寇蒂斯XLR25液体火箭发动机。

鉴于早期X-1发生的事故，X-2为飞行员安装了一个逃生舱。

在紧急情况下，逃生舱可脱离主机身并打开稳定降落伞。

当逃生舱降落到一定高度的时候，飞行员再可打开舱盖自行跳伞逃生。

即便如此，一架X-2还是在一次燃料泄漏事故中发生了空中爆炸，试飞员当场死亡。

X-2与载机B-50

　　1956年4月25日，试飞员埃伯依斯特驾驶X-2在试验飞行中首次超过了音速，达到1.4马赫。

在随后的飞行中，X-2又达到了2.53马赫的高速。

7月23日，埃伯依斯特进行了最后一次X-2飞行，在20,800米的高空达到了2.87马赫，这次飞行让他获得了“世界上飞得最快的人”的光荣称号。

这还没有完，9月7日另一位试飞员金切洛驾驶X-2飞到了38,500英尺的高空，也为自己赢得了“世界上第一位太空人”的称号（该记录后来被X-15所打破）。

　　9月27日，埃伯依斯特刚保持了两个多月的速度记录就被另一名试飞员梅尔本.阿普特打破了。

在当天的试验飞行中，X-2在阿普特的驾驶下达到了3.196马赫。

也许是被打破记录的喜悦冲昏了头脑，阿普特让X-2来了个空中急转弯，以便能更快的返回爱德华兹空军基地，但这个急转弯让飞机的控制系统失灵并进入了螺旋。

阿普特试图重新控制住飞机，但没有成功。

在即将坠毁的一瞬间，阿普特按下了逃生舱脱离的按钮，但为时已晚他与X-2重重的摔在了地上。

X-2三视图

X-3

　　道格拉斯飞机公司研制的X-3机长20.36米，机高3.81米，翼展6.92米，其外形就像一把短剑，是早期X系列试验飞机中外形最流畅的。

与X-1、X-2不同，X-3是借助自身的动力起飞和降落，并能保持进行2马赫巡航飞行。

X-3机体结构首次尝试大量使用钛合金，同时还进行了低展弦比、高翼载机翼的可行性研究。

X-3的机身细长机翼短粗，这是当时美国正在研制中的战斗机的典型布局。

后来，F-104“星”战斗机的翼形就是取自X-3。

X-3

X-3与X-1A、D-558-1、XF-92A、X-5、D-558-2、X-4停放在一起

　　首架X-3于1952年9月11日出厂，而第二架X-3则因为发动机动力不足和机体问题被中途取消，部分完成的机体作为首架机的备件使用。

在爱德华兹空军基地进行的试飞试验中，试飞员认为X-3的两台威斯汀豪斯J34-WE-17涡轮喷气发动机动力严重不足而且飞机本身操控性也很糟糕。

X-3的首次超音速飞行是在以15度的角度进行俯冲时获得的，当时的速度只有可怜的1.1马赫。

而它在随后飞行中达到的最快速度也仅为1.208马赫，当时的X-3正处于30度的俯冲状态。

　　X-3在试验飞行中，经常会出现“滚转耦合”的问题，即在进行一个轴上的机动时就会引起另外两个轴上不受控制的机动。

当时F-100战斗机也经常碰到这样的问题，NACA随即在X-3上对“滚转耦合”问题进行了深入的研究。

X-3三视图

X-4

　　洛斯罗普飞机公司的X-4主要是用来验证半无尾翼超音速飞行的可行性，当时许多人认为这样一种取消了水平尾翼的设计将能避免超音速飞行时机翼和水平尾翼之间振荡波的相互干扰。

　　X-4机体相当小巧，机长仅为7.07米，机高4.54米，翼展5.15米，只能容纳两台J30喷气发动机、一名飞行员和必要的设备，携带的油料也只能维持45分钟。

不过小也有小的好处，X-4几乎所有的地面维护工作都可以不需要登机梯或脚凳来完成，地勤人员站在地面上就可以很容易的看到机舱内部的情况。

X-4

地面维护中的X-4

　　第一架X-4于1948年12月15日首飞，但由于飞行状态极不稳定很快就被停飞了。

第二架X-4也好不到那儿去，经常会在0.8马赫速度飞行时出现机体上下振动的问题，为此试飞员自嘲驾驶X-4就像是驾驶汽车行驶在“搓衣板”上一样。

尽管后来经过工程人员的改进，X-4暂时克服了偏振的问题，但当它的速度达到0.91马赫的时候，问题又出现了。

X-4的飞行试验证明，半无尾翼飞机不适合接近马赫1的飞行。

后来，计算机电传系统的出现让后掠翼无尾翼设计再次火了起来，X-36、F-117A等都采用了这样的设计，尽管它们的外形和X-4相比已经是发生了巨大的变化。

X-4三视图

X-5

　　贝尔飞机公司的X-5将研究的重点转向了变后掠翼。

X-5在外形上大量借鉴了德国在二战期间研制的P.1101，都是机头进气、气泡式座舱和下置发动机设计。

X-5的机翼可在20～60度之间变换，总共需要20秒钟。

当电动后掠装置失效后，飞行员可使用手闸完成掠翼工作（X-5只能在低于40度的后掠角度下安全着陆）。

X-5机长10.18米，机高3.66米，翼展为6.34米。

X-5

NACA的早期试验机，从左至右依次是D-558-2、D-558-1、X-5、X-1、XF-92、X-4

　　1951年6月20日，X-5在爱德华兹空军基地完成了首飞。

在第9次试飞中，X-5首次成功完成了空中掠翼动作。

由于艾立森J35-A-17A涡轮喷气发动机安装位置较低，X-5经常会出现螺旋。

1953年10月1日，试飞员雷蒙德.帕普森在X-5的螺旋事故中没有成功改出，最终机毁人亡。

螺旋的频繁出现并不是变后掠翼的问题，而是X-5机体设计上的缺陷造成的。

　　从上个世纪六十年代开始，逐渐成熟的变后掠翼开始大行其道。

凭借着X-5的丰厚技术积累，美国先后研制出了F-111战斗轰炸机、F-14战斗机以及B-1轰炸机，所以可以这么说，X-5是美国变后掠翼飞机的共同“祖先”。

X-5三视图

X-6

　　在那个核力量至高无上的年代里，美国空军甚至开始考虑将核反应堆作为飞机的动力来源，以获得超长的飞行能力。

X-6项目正是在这种背景下出台的，按照美国空军和美国原子能委员会的最初设想，X-6以B-36轰炸机为基础，安装一台通用电气P-1型核反应堆，其产生的热能将带动四台通用电气J47涡轮喷气发动机运转，从而为X-6提供飞行动力。

X-6核动力飞机的模型

飞行中的NB-36H

　　等美国人开始认真考虑X-6计划的时候，他们才发现这种飞机在未来的战争中只能成为悬在自己头上的“核炸弹”，其安全性得不到很好的保证。

很快X-6就被取消了，只留下一大堆原始方案图纸。

此时，作为X-6的前期研究技术储备的NB-36H核动力飞机已经安全飞行了47次。

X-7

　　洛克希德导弹与空间公司研制的X-7主要用来进行高速冲压喷气发动机的研究工作，其主要型号有X-7A-1、X-7A-3和X-7B。

X-7体形很独特，其长度为9.99米，翼展为6.34米，因而常被人戏称作“飞行大烟囱”。

试验飞行时，X-7会由载机B-29或B-50升入空中，然后脱离载机其尾部助推器点火发动从而自行飞行。

冲压发动机开始工作后，助推器则随即与X-7脱离。

　　在长达9年的试验飞行中（1951年4月首飞），X-7除了进行冲压发动机的测试外还进行了导航与控制试验、助推器推进试验、高速降落伞试验、热力学试验等诸多研究科目。

美国空军、陆军和海军均参与了X-7的试验飞行，这在X系列试验飞机研制史上是不多见的。

X-7是世界上第一架采用冲压喷气发动机速度达到3马赫的飞行器。

X-7

X-8

　　X-8（海军代号为飞行蜜蜂Aerobee）是一种十分廉价的无制导探空火箭，长度为6.12米，直径为0.38米。

在其头锥内携带有各种光学、大气、生物等试验设备，以搜集关于太阳辐射、高空风、地球磁场和火箭空气动力学等方面的数据。

X-8装备有RTV-N10型液体燃料火箭发动机和固体燃料助推器，最大速度可达6马赫。

X-8

　　X-8可将70千克重的试验设备送入200,000米的高空，而且这些设备还能够通过火箭头锥降落伞被地面回收。

从1947年11月首飞至今，美国通用航空喷气机公司总共制造了900枚以上执行各种军用、民用任务的X-8。

X-9

　　1947年5月，贝尔飞机公司获得了一份研制ASM-A-2“淘气鬼”空对地核导弹（后来其编号更改为B-63/GAM-63）的合同。

之后不久，为了测试该导弹的常规航空动力学设计、无线电控制系统、火箭推进装置等，缩比试验型RTV-A-4“伯劳鸟”（一种凶猛的食肉鸟类）研制成功。

RTV-A-4的动力系统为一台贝尔XLR65-BA-1液体火箭发动机，由一架EB-50D载机带入空中并释放，其后飞行通过载机上控制人员遥控完成。

RTV-A-4的射程为80公里，最大速度可达到1.5马赫。

X-9

　　1951年，RTV-A-4被更名为X-9，其试验飞行一直持续到1953年1月。

X-9长为6.94米，直径为0.57米，其最大速度提高至2马赫。

由于X-9的进展异常顺利，贝尔飞机公司甚至开始设想用它来取代B-63并将其改装为空对地核导弹。

但最后由于X-9射程和载荷都偏小而被放弃。

X-10

　　X-10由北美航空公司研制，是专门为MX-770（B/SM-64）“纳瓦霍”洲际巡航导弹计划而开发的一种超音速无人驾驶试验飞行器，用来搜集空气动力学设计、控制和自动导航系统的数据。

X-10机长20.14米，机高4.51米，翼展为8.56米。

X-10的机体设计比较有特色，采用下三角翼、双垂直安定翼和机鼻鸭翼的布局。

此外，可收放起落架和助降伞能使X-10重复使用。

X-10安装有两台威斯汀豪斯J40-WE-1涡轮喷气发动机，其最大速度为2.05马赫。

最初X-10的飞行由地面无线电控制，后来则开始使用自动导航系统。

X-10

　　1953年10月14日，X-10在爱德华兹空军基地进行了首飞。

尽管X-10的试验飞行很顺利，但随着1957年“纳瓦霍”项目（纳瓦霍为美国一个印第安人部落名，其使用的语言十分复杂，因而在太平洋战争期间美军曾招募了一批纳瓦霍人作为密码通讯员）的下马，X-10的飞行也很快被中止。

其后大部分X-10被充当靶机使用，目前仅存的唯一一架X-10保存在美国俄亥俄州代顿美国空军博物馆内。

X-11

　　康维尔公司研制的X-11是SM-65“阿特拉斯”洲际弹道导弹的前身，用以搜集后者研制过程中所必须的试验技术数据，是发展“阿特拉斯”导弹的关键试验设备。

“阿特拉斯”是美国部署的第一种洲际弹道导弹，其后续派生型号直到今天也还作为民用/军用空间探测发射运载工具使用。

发射中的X-11

　　X-11为康维尔公司两级火箭计划的首个产品，长度为29.26米，直径为3.66米。

X-11安装有一台北美XLR43-NA-5火箭发动机，最大速度高达10.6马赫。

总共制造了8枚X-11，先后参与了“阿特拉斯”洲际弹道导弹和“水星”载人轨道飞行计划。

X-12

　　与X-11一样，X-12的任务也是为“阿特拉斯”洲际弹道导弹的研制工作搜集试验飞行数据。

同时X-12是康维尔公司两级火箭计划实施的第二个产品，用以全面掌握使用洲际弹道技术。

　　X-12长度为31.40米，直径为3.65米，其第一级安装有四台北XLR-43-NA-5火箭发动机，第二级则是一台，最大速度可达18马赫。

X-12先后制造过5枚，但和X-11一样都在试验中消耗了，没有任何一枚能够保存下来。

X-12

X-13

　　瑞恩航空公司研制的X-13是一种纯粹使用喷气发动机来完成垂直起降（VTOL）的试验型飞机，它使用一台罗罗公司的“埃文”RA.28-49型涡轮喷气发动机，能够很容易的在垂直与水平飞行状态之间转换。

X-13机长7.13米，机高4.60米，翼展6.40米。

　　垂直起降技术现在看来已经不是什么新鲜事了，但在二十世纪五十年代中期却是相当前卫同时也是难度颇大的设计。

鉴于瑞恩航空公司为美国海军成功研制了喷气－螺旋桨混合式战斗机FR-1“火球”，美国空军于1954年7月决定让该公司开始研制垂直起降喷气式飞机X-13，后来海军和NACA也进入其中。

为了减轻X-13的重量，常规飞机中最常见的部件都被取消了，如起落架、襟翼、弹射座椅等。

另外，X-13所携带的燃油也受到了严格限制。

1957年7月，X-13从安德鲁空军基地直接飞到了美国五角大楼附近并安全降落，这是有史以来五角大楼迎接的第一架也是唯一一架固定翼喷气式飞机。

正在降落的X-13

　　X-13采用无尾三角翼设计，翼尖和垂尾顶部位置装有压缩空气喷嘴以控制机体空中飞行姿态。

由于没有起落架，X-13的机鼻下方安装有一个简单的吊钩以钩住平板车起降台上方的横杆。

X-13中部也有一个托架，可与起降台相连。

平时平板车起降台是水平的，X-13就停放在上面。

当X-13即将起飞的时候，起降台就会升起至垂直位置，随后X-13即可垂直起飞。

降落时，X-13飞行员要将吊钩钩住横杆进行回收，整个过程需要极大的耐心和极高的飞行技术。

因而虽然X-13在技术上是成功的，但在实用性方面却是失败的。

即便如此，X-13的成功飞行还是证明了喷气垂直起降飞机在技术上是可行的，为日后喷气垂直起降飞机的发展提供了十分有益的借鉴。

X-14

　　贝尔飞机公司的X-14也是一种验证VTOL技术的飞机，与X-13不同的是它可以实施真正意义上的垂直起降而不是尾部立式起降，这样就不需要使用地面回收装置来帮忙了。

X-14主要用来验证飞机在垂直起降工作状态下，飞行操纵系统如何适应其配平的变化。

　　X-14的机身和机翼分别取自两种不同的飞机，所以它的外形看上去十分怪异。

X-14机长7.92米，机高2.71米，翼展10.30米。

由于没有安装弹射座椅，X-14的座舱是半开式的，飞行员可在紧急情况下迅速离开驾驶舱。

从1954年11月首飞开始，唯一的一架X-14一直使用到了1981年，它是美国X系列试验飞行器中“寿命”最长的一个。

X-14

X-15

　　X-15高超音速研究项目是由NASA牵头，联合美国空军、海军和北美航空公司共同进行的。

在近十年的时间里，X-15先后创造了6.72马赫和108,000米的速度与升限的世界记录，它的试验飞行几乎涉及了高超音速研究的所有领域，并为美国后来水星、双子星、阿波罗有人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的试验数据。

在X-15整个试验飞行过程中，研究人员根据其飞行数据总共撰写了765份有价值的研究报告。

　　X-15机长15.30米，机高3.53米，翼展6.79米，采用中单翼设计，最初装备两台XLR-11火箭发动机（后改为XLR-99）。

X-15机身表面覆盖有一层称作InconelX的镍铬铁合金，可抵御高速飞行时产生的1,200度高温。

由于火箭发动机燃料消耗量惊人，所以X-15必须由一架B-52载机带入空中。

从载机上释放后，X-15自身携带的燃料只能飞行80～120秒，因此余下来的10分钟左右只能是无动力滑翔。

降落时，X-15机身前部下方安装有常规机轮，机身后部则为两个着陆滑撬。

X-15与伴飞的F-104战斗机一起降落，清晰可见其后部的降落滑撬

X-15A-2

　　1964年2月，两架X-15被改装为X-15A-2。

后者机身加长了71厘米，机翼下增加了两个分别装有液氨和液氧的罐体，它们可以为X-15A-2多提供60秒的飞行时间。

X-15A-2在1967年创造出了6.72马赫的世界最快速度记录。

X-15三视图

X-16

　　贝尔飞机公司的X-16是一种高空照相侦察飞机，但只作出了一个缩比模型后就被洛克希德公司更先进的U-2高空侦察机给拉下了马。

X-16机翼奇长，其翼展达到了34.75米。

根据1953年美国空军提出的要求，X-16升限应该能达到21,000米左右，航程也应在2,800公里以上，同时具有亚音速飞行能力。

　　X-16是X系列中第一架非试验用途的飞行器，赋予其X编号只是为了掩人耳目罢了，这是美国人经常玩的把戏。

这和后来为F-117“夜鹰”隐形轰炸机赋予“F”编号是同样的道理，都是为了掩盖它们在未来的真实作战用途。

X-16模型

X-17

　　当美国空军在1953年开始决定发展远程弹道导弹的时候，如何获取导弹头锥体在高速再入过程中的试验数据以完善设计方案成为一项重要任务。

为了满足这一需要，洛克希德公司于1955年1月获得了研制建造X-17导弹的合同。

　　洛克希德公司的X-17是一种三级固体燃料火箭，用来获取制造再入大气层运载工具所需的试验数据。

X-17长度为12.33米，最大直径为0.79米，总共装备有四台固体火箭发动机。

根据X-17一系列试飞试验所获得的宝贵数据，美国先后研制出了一大批再入大气层飞行器。

另外，X-17是首架采用钝形头锥设计的飞行器。

地面调试中的X-17

　　在一次典型任务中，X-17会在第一级推进阶段爬升至15,000米的高空。

当第一级燃料耗尽后，X-17开始降低高度。

当高度降至36,500米时，第二级点火推动X-17从马赫5加速至10马赫。

当X-17下降至22,000米时，第三级点火将速度最终提升至14.5马赫的极限。

X-18

　　美国希勒飞机公司的X-18是美国研制的第一种可倾转翼飞机，说它是后来XC-142和V-22“鱼鹰”的“祖先”一点也不为过。

X-18的机体是在蔡斯YC-122C运输机的基础上改进而来的，安装的两台艾立森T40-A-14涡轮螺旋桨发动机来自美国海军的XFY-1/XFV-1立式起降战斗机。

X-18机长19.20米，机高7.49米，翼展14.63米。

　　1961年7月，X-18在它的第20次试验飞行