从 X-1 到 X-50 —— 美国 X 系列试验飞行器简史
本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:04 编辑原文载于《较量》11 期
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……
参考书目：Jay Miller 《The X-Planes: X-1 to X-45》
本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:06 编辑
第一部分：X-1------X-10
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 1947 年 10 月 14 日，试飞员查理斯.耶格尔驾驶 X-1-1 在 43,000 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，Reaction Control System）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-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、NACA 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 本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:07 编辑
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。
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。 本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:10 编辑
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。 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 本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:11 编辑
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。 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 13 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 本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:13 编辑
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。
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。 本帖最后由 VibInfo 于 2011-3-6 12:14 编辑
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 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。
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。