stringtranslate.com

НАСА Х-43

NASA X-43 представлял собой экспериментальный беспилотный гиперзвуковой самолет с несколькими запланированными вариациями масштаба , предназначенный для проверки различных аспектов гиперзвукового полета . Он был частью серии X-plane и, в частности, программы НАСА Hyper -X, разработанной в конце 1990-х годов. [1] Он установил несколько рекордов скорости полета для реактивных самолетов . X-43 — самый быстрый в истории самолет с реактивным двигателем, развивающий скорость около 9,6 Маха  . [2]

Крылатая ракета-носитель с размещенной наверху ракетой-носителем X-43, называемая «стопкой», была запущена с самолета Boeing B-52 Stratofortress . После того, как ракета-носитель (модифицированная первая ступень ракеты «Пегас» ) довела пакет до заданной скорости и высоты, он был сброшен, и Х-43 полетел свободно, используя собственный двигатель — прямоточный воздушно-реактивный двигатель .

Первый самолет серии, Х-43А, представлял собой одноразовую машину, всего было построено три. Первый X-43A был уничтожен после неисправности в полете в 2001 году. Каждый из двух других успешно летал в 2004 году, установив рекорды скорости: ГПВРД работали примерно 10 секунд, затем следовали 10-минутное планирование и преднамеренные падения в океан. Планы по производству большего количества самолетов серии X-43 были приостановлены или отменены и заменены программой X-51, управляемой ВВС США .

Разработка

X-43 был частью программы НАСА Hyper-X, в которой участвовали американское космическое агентство и такие подрядчики, как Boeing , Micro Craft Inc, Orbital Sciences Corporation и General Applied Science Laboratory (GASL). Micro Craft Inc. построила X-43A, а GASL построила его двигатель.

Одной из основных целей Аэронавтического предприятия НАСА была разработка и демонстрация технологий воздушно-гиперзвукового полета. После отмены программы Национального аэрокосмического самолета (NASP) в ноябре 1994 года у Соединенных Штатов не было целостной программы развития гиперзвуковых технологий. В качестве одной из «лучших, быстрых и дешевых» программ, разработанных НАСА в конце 1990-х годов, Hyper-X использовал технологии и исследования программы NASP, которые продвинули ее к демонстрации гиперзвукового воздушного движения, [3]

Hyper-X Phase I — это программа НАСА по аэронавтике и космическим технологиям, проводимая совместно Исследовательским центром Лэнгли , Хэмптон, Вирджиния , и Центром летных исследований Драйдена , Эдвардс, Калифорния . Лэнгли был ведущим центром и отвечал за разработку гиперзвуковых технологий. Драйден отвечал за летные исследования.

Фаза I представляла собой семилетнюю программу стоимостью около 230 000 000 долларов США по летной проверке ГПВРД , гиперзвуковой аэродинамики и методов проектирования. Последующие этапы не были продолжены, так как серия самолетов Х-43 была заменена в 2006 году на Х-51 .

Дизайн

Художественный концепт X-43A с ГПВРД , прикрепленным к нижней части.
Самолет-носитель НАСА B-52B взлетает с гиперзвуковым исследовательским аппаратом X-43A (27 марта 2004 г.)

Самолет X-43A представлял собой небольшую испытательную беспилотную машину длиной чуть более 3,7 м (12 футов ) . [4] Транспортное средство имело конструкцию несущего кузова , в которой корпус самолета обеспечивает значительную подъемную силу для полета, а не опирается на крылья . Самолет весил примерно 1400 кг (3000 фунтов). X-43A был спроектирован так, чтобы обеспечить полную управляемость в высокоскоростном полете, даже при планировании без двигательной установки . Однако самолет не был предназначен для посадки и восстановления. По завершении испытаний испытательные машины упали в Тихий океан .

При движении со скоростью Маха выделяется значительное количество тепла из-за ударных волн сжатия , участвующих в сверхзвуковом аэродинамическом сопротивлении . На высоких скоростях Маха нагрев может стать настолько сильным, что металлические части планера могут расплавиться. X-43A компенсировал это за счет циркуляции воды за капотом двигателя и передними кромками боковин, охлаждая эти поверхности. В ходе испытаний циркуляция воды активировалась примерно на скорости 3 Маха.

Двигатель

Полномасштабная модель самолета X-43 в высокотемпературной аэродинамической трубе Лэнгли высотой 8 футов (2 м).

Корабль был создан для разработки и испытаний прямоточного воздушно-реактивного двигателя сверхзвукового сгорания, или « ГПВРД », варианта двигателя, в котором внешнее сгорание происходит в воздухе, движущемся со сверхзвуковыми скоростями. [5] Разработчики X-43A спроектировали планер самолета как часть двигательной установки : носовая часть является частью всасывающего воздушного потока, а кормовая часть выполняет функцию выхлопного сопла. [6]

Двигатель Х-43А работал в основном на водородном топливе . В ходе успешного испытания было израсходовано около одного килограмма (двух фунтов) топлива. В отличие от ракет, аппараты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем не несут на борту кислород для заправки двигателя. Отсутствие необходимости носить с собой кислород значительно уменьшает размер и вес автомобиля. В будущем такие более легкие транспортные средства смогут доставлять в космос более тяжелые грузы или гораздо эффективнее переносить полезные грузы того же веса.

ГПВРД работают только на скоростях в диапазоне 4,5 Маха или выше, поэтому для первоначального разгона самолетов с ГПВРД до этой базовой скорости требуются ракеты или другие реактивные двигатели. В случае с X-43A самолет разгонялся до высокой скорости с помощью ракеты Pegasus, запущенной с переоборудованного бомбардировщика Boeing B-52 Stratofortress . Комбинированный автомобиль X-43A и Pegasus члены команды программы называли «стеком». [6]

Двигатели испытательных автомобилей X-43A были специально разработаны для определенного диапазона скоростей и способны сжимать и воспламенять топливно-воздушную смесь только тогда, когда находящий поток воздуха движется ожидаемым образом. Первые два самолета X-43A предназначались для полета со скоростью примерно 7 Маха, а третий был рассчитан на полет со скоростью более 9,8 Маха (10 700 км / ч; 6 620 миль в час) на высоте 30 000 м (98 000 футов) и более.

Эксплуатационные испытания

CFD -изображение X-43A на скорости 7 Маха
X-43A сбрасывается из-под крыла NB-52B Stratofortress.

Первое испытание X-43A, проведенное НАСА 2 июня 2001 года, провалилось, поскольку ракета-носитель «Пегас» потеряла управление примерно через 13 секунд после того, как она была выпущена с носителя B-52. Ракета испытала колебание управления при переходе на околозвуковой уровень , что в конечном итоге привело к выходу из строя правого элевона ракеты . Из-за этого ракета значительно отклонилась от запланированного курса, и в целях безопасности она была уничтожена. Расследование инцидента показало, что аварии способствовала неточная информация о возможностях ракеты, а также об условиях ее полета. Несколько неточностей в моделировании данных для этого испытания привели к неадекватной системе управления конкретной использованной ракетой Pegasus, хотя ни один фактор в конечном итоге не мог быть обвинен в неудаче. [7]

Во втором испытании в марте 2004 года «Пегас» успешно выстрелил и выпустил испытательную машину на высоту около 29 000 метров (95 000 футов). После отделения воздухозаборник двигателя был открыт, двигатель загорелся, а затем самолет ускорился от ракеты, достигнув скорости 6,83 Маха (7456 км / ч; 4633 миль в час). Топливо поступало в двигатель в течение 11 секунд - времени, за которое самолет пролетел более 24 км (15 миль). После отделения ускорителя Pegasus скорость корабля немного упала, но ГПВРД ускорил его при наборе высоты. [7] После выгорания диспетчеры все еще могли маневрировать транспортным средством и манипулировать органами управления полетом в течение нескольких минут; самолет, замедленный сопротивлением воздуха, упал в океан. Благодаря этому полету Х-43А стал самым быстрым свободно летающим воздушно-реактивным самолетом в мире.

НАСА запустило третью версию X-43A 16 ноября 2004 года. Ракетный ускоритель Pegasus отделился от своего носителя B-52 на высоте 40 000 футов, а его твердотопливная ракета развила комбинацию до 10 Маха на высоте 110 000 футов. [8] X-43A отделился на скорости 9,8 Маха, двигатель был запущен на скорости 9,65 Маха на 10–12 секунд с тягой, примерно равной лобовому сопротивлению, а затем через 14 минут спланировал в Тихий океан. [8] Динамическое давление во время полета составляло 1050 фунтов на квадратный фут (0,50 бар). [8] Он достиг скорости 9,68 Маха, [9] [10] 6755 миль в час (10 870 км/ч) на высоте 109 440 футов (33 357 м), [11] и дополнительно проверял способность транспортного средства выдерживать соответствующие тепловые нагрузки. [12]

Замены

В январе 2006 года ВВС США объявили о применении и запуске многоразовой ракеты с прямоточным воздушно-реактивным двигателем FALCON с континентальной части США . [13] В марте 2006 года было объявлено, что летно-испытательная машина со сверхзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем «WaveRider» Научно-исследовательской лаборатории ВВС США (AFRL) получила обозначение X-51A. Боинг X-51 ВВС США впервые поднялся в воздух 26 мая 2010 года и был сброшен с самолета B-52.

Варианты

После испытаний X-43 в 2004 году инженеры НАСА Драйден заявили, что ожидают, что все их усилия увенчаются созданием двухступенчатого корабля с экипажем на орбите примерно через 20 лет. Ученые выразили большие сомнения в том, что в обозримом будущем появится одноступенчатый пилотируемый корабль, подобный Национальному аэрокосмическому самолету (NASP).

Планировались и другие машины X-43, но по состоянию на июнь 2013 года их производство было приостановлено или отменено. Ожидалось, что они будут иметь ту же базовую конструкцию корпуса, что и X-43A, хотя ожидалось, что самолет будет по размеру от умеренно до значительно большего.

Х-43Б

X-43B представлял собой полноразмерную машину, оснащенную турбинным двигателем комбинированного цикла (TBCC) или ракетным двигателем комбинированного цикла (RBCC) ISTAR. Реактивные турбины или ракеты первоначально могли разогнать транспортное средство до сверхзвуковой скорости. ПВРД может вступить во владение , начиная со скорости 2,5 Маха, а двигатель перейдет в конфигурацию ГПВРД примерно при скорости 5 Маха.

Х-43С

X-43C должен был быть несколько больше, чем X-43A, и ожидалось, что он будет проверять жизнеспособность углеводородного топлива, возможно, с двигателем HyTech . В то время как в большинстве конструкций ГПВРД в качестве топлива используется водород, HyTech работает на обычном углеводородном топливе типа керосина, которое более практично для эксплуатации действующих транспортных средств. Планировалось создание полномасштабного двигателя, который будет использовать для охлаждения собственное топливо. Система охлаждения двигателя действовала бы как химический реактор, расщепляя углеводороды с длинной цепью на углеводороды с короткой цепью для быстрого сгорания.

X-43C был приостановлен на неопределенный срок в марте 2004 года. [14] В связанной статье сообщается о бессрочной приостановке проекта и появлении контр-адмирала Крейга Э. Стейдла на слушаниях подкомитета по космосу и аэронавтике 18 марта 2004 года. В середине 2005 года , X-43C, судя по всему, будет профинансирован до конца года. [15]

Х-43Д

X-43D был бы почти идентичен X-43A, но диапазон скорости был увеличен до 15 Маха. По состоянию на сентябрь 2007 года Дональдом Б. Джонсоном из Boeing и Джеффри С. Робинсоном из НАСА было проведено только технико-экономическое обоснование. Исследовательский центр Лэнгли . Согласно предисловию к исследованию, «цель X-43D — собрать информацию об условиях полета на высоких Махах и о работе двигателей, которую сложно, если не невозможно, собрать на земле». [16]

Смотрите также

Самолеты сопоставимой роли, конфигурации и эпохи

Рекомендации

  1. ^ «28 апреля 2001 г.: Первый полет гиперзвукового исследовательского корабля НАСА X-43A с переноской в ​​плену» . 28 апреля 2021 г.
  2. ^ Томпсон, Эльвия, Кейт Генри и Лесли Уильямс. «Быстрее, чем летящая пуля: Книга рекордов Гиннесса признает ГПВРД НАСА». Архивировано 30 июля 2021 г. в Wayback Machine NASA . Дата обращения: 1 августа 2011 г.
  3. ^ Пиблс, Кертис (2010). Одиннадцать секунд в неизвестность: история программы Hyper-X . Вирджиния: AIAA. ISBN 978-1-60086-776-7.
  4. ^ Харша, Филип Т., Лоуэлл К. Кил, Энтони Кастроджованни и Роберт Т. Шерилл. «Проектирование и производство автомобилей X-43A». АИАА 2005-3334. Дата обращения: 1 августа 2011 г.
  5. ^ Свинерд, Грэм. Как летают космические корабли: космический полет без формул. Нью-Йорк: Springer, 2010. ISBN 978-1-44192-629-6 . п. 113. 
  6. ^ аб Мартин, Гай. «Гиперзвуковой пионер: X-43A». AircraftInFormation.info. Проверено: 16 августа 2012 г.
  7. ^ аб Бентли, Мэтью А. Космические самолеты: от аэропорта до космодрома (Вселенная астрономов). Нью-Йорк: Springer, 2008. ISBN 978-0-38776-509-9 , стр. 110–111. 
  8. ^ abc Томас А. Хеппенхаймер (сентябрь 2007 г.). «Лицом к тепловому барьеру: история гиперзвука» (PDF) . Отдел истории НАСА. п. 277.
  9. ^ Ричард Р. Казмар (2005). «Гиперзвуковая двигательная установка с воздушным дыханием в Pratt & Whitney - обзор» (PDF) . Американский институт аэронавтики и астронавтики.
  10. ↑ Чарльз МакКлинтон (9 января 2006 г.). X-43: Мощность ГПВРД преодолевает гиперзвуковой барьер (PDF) . 44-я встреча и выставка AIAA по аэрокосмическим наукам. Исследовательский центр НАСА в Лэнгли. Архивировано из оригинала (PDF) 24 июля 2011 г.
  11. ^ «Самый быстрый самолет с воздушно-реактивным двигателем: X-43» . Книга Рекордов Гиннесса . 16 ноября 2004 г.
  12. ^ «Программа НАСА «Hyper-X» демонстрирует технологии ГПВРД» . НАСА. 7 августа 2017 г.
  13. ^ «Сокол». space.com. Дата обращения: 1 августа 2011 г.
  14. ^ Моррис, Джефферсон. «X-43C, двигатель RS-84 среди жертв обзора НАСА». Архивировано 18 ноября 2004 г. на Wayback Machine Aviation Week , 19 марта 2004 г. Проверено: 9 января 2010 г.
  15. ^ «Хорошие новости распространяются быстро». Boeing Frontiers , август 2005 г. Цитата: «Благодаря запросу на финансирование НАСА в размере 25 миллионов долларов, спонсируемому представителем США Джимом Талентом (республиканец от штата Миссури), работа над программой X-43C будет продолжаться до 2005 года».
  16. ^ «Концептуальный проект и технико-экономическое обоснование X-43D». Архивировано 29 февраля 2008 г. в Wayback Machine AIAA. Дата обращения: 1 августа 2011 г.

Примечания

Внешние ссылки

Викискладе есть медиафайлы по теме Boeing X-43.