X-30是由美國國防部和國家航空航天局共同組織研制的可復用空天飛機研究機，其目的是彌補地面試驗設備在研究馬赫數大于8以上飛行現象的不足，開發(fā)驗證用于高超音速飛行的基礎技術，以便制造在技術、成本及應用上更為先進的航天運輸系統(tǒng)和軍、民用飛機。它是美國“國家空天飛機計劃”（NASP）的一個組成部分。
由于這項雄心勃勃的計劃投資巨大、技術復雜、許多難題不易解決，工作進度也一拖再拖，1993年以后，X-30項目不得不停止發(fā)展。
歷史背景
上世紀60年代經過反復論證而誕生的航天飛機是以重復使用，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(fā)射1公斤需要幾千美元的發(fā)射費，而航天飛機的目標是降到十分之一。然而這個目標落空了，航天飛機實際發(fā)射費用每磅為2000～3000美元。加上“挑戰(zhàn)者”號事故，使一次性使用火箭重新有了市場。
盡管如此，由于空間站和戰(zhàn)略防御的需要，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，機體盡量由人操縱。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。而當時的航天飛機的起飛準備時間太長（需幾周），基地只有兩個，易遭破壞。為此，于1983年，空軍系統(tǒng)司令部(AFSC)的航空系統(tǒng)處（ASD)開始了TAV計劃的階段1研究，TAV(Transatmospheric Vehicle)的設想是水平起降，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(tǒng)司令部召開“項目預測2號方案”研討會，會上選擇了今后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后“國家航空研究開發(fā)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(tǒng)一稱為空天飛機（Aerospac-eplane)。
自里根總統(tǒng)發(fā)表咨文之后，以國防先進研究計劃局（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計劃。它的正式目標是：“開發(fā)并驗證作為高超音速飛機的基礎技術，以便能夠制造在技術、成本和應用上比以往更先進的空間運輸系統(tǒng)、軍用飛機和民用飛機。”它的短期目標是“開發(fā)并用研究機X-30驗證美國制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(xù)飛行的宇宙戰(zhàn)略運輸機和在大氣層內飛行的軍用民用飛機上”。
研發(fā)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“國家空天飛機計劃”時提出研制一種能水平起降單級入軌的研究機X-30。1986年開始對開發(fā)所需技術進行評估。這一階段計劃于1993年完成。然后進行X-30研究機制造，并在2000年前后開始試飛。
美國國防高級研究計劃局陸續(xù)與多家公司簽訂了研究發(fā)展合同，選中麥道公司負責中機身、包括操縱穩(wěn)定性和熱控制，選中通用公司負責后機身、包括機體與發(fā)動機的綜合問題，選中洛克威爾自動化公司負責前機身、包括飛行管理系統(tǒng)與分系統(tǒng)，選中普拉特·惠特尼集團公司和火箭動力公司負責推進系統(tǒng)。1988年7月默奎爾德特公司參加普拉特·惠特尼集團公司的超音速燃燒沖壓噴氣發(fā)動機研究。1989年1月羅克韋爾公司試驗了1/7比例的超音速燃燒沖壓發(fā)動機。
在美國政府大量削減政府開支后，X-30的進度又推遲。為減少風險，于1993年提出先制造和試飛兩架X-30原型機，把工作退回到火箭發(fā)射的超音速燃燒飛行試驗，在發(fā)動機方面，首先用“民兵”與“大力神”火箭發(fā)射超音速燃燒發(fā)動機，再研究馬赫數大于12時的發(fā)動機工作情況，在試驗成功后再推進X-30計劃。
X-30有助于使普通火箭發(fā)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(fā)射后回收技術以及對中途返航的研究都具有重要意義。X-30的研制總經費估計為20億美元，其中7億美元來自各生產企業(yè)。
X-30采用尖頭、狹長機體、大后掠三角翼飛機、單垂尾布局，以減少高速飛行時的阻力，機身從前到后為頭錐，兩人駕駛艙、電子設備艙、液氧艙、由氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)氫混成的糊態(tài)氫艙及液氧艙。動力裝置由渦輪沖壓/超音速燃燒沖壓/入軌和再入大氣火箭發(fā)動機構成。機體主要用鈦基復合材料，表面高熱部分用有內部冷卻的防熱材料。
80年代中對X-30的研制總經費估計為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沖壓發(fā)動機，并把機體的后半部分與發(fā)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(fā)射費用，達到航天飛機單位重量費用的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，免去了航天飛機組裝后運到發(fā)射臺的麻煩，節(jié)省了支援發(fā)射的地面費用。而且航天飛機的費用大部分用于一次使用的外貯箱和固體助推器的回收再使用上。X-30使用沖壓噴氣發(fā)動機，在大氣層內加速到馬赫數25，高度達到6萬米后，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，宇航局于1968年中斷了X-15試驗機的飛行。
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的庫巴長官呼吁每年拿出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，空天飛機需要由X-30這類飛機來驗證遍及發(fā)動機、氣動力學、材料、燃料和電子系統(tǒng)等各個領域的技術。
沖壓發(fā)動機
使用空氣中的氧氣，可以加速到馬赫數為25的超音速沖壓發(fā)動機是X-30的關鍵。沖壓發(fā)動機(Scramjet-Supersonic Combustion Ramjet)在60年代就曾作過地面試驗，后來曾計劃安在X-15試驗機上試驗，但因X-15計劃中斷而放棄。
飛機在超音速飛行時，從前方壓入發(fā)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(wěn)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(fā)動機效率反而會降低，不能使用。因而要靠渦輪發(fā)動機(ATR)起飛并加速到馬赫數4。
這樣X-30從起飛到進入軌道需3種發(fā)動機：起飛并加速到M=5左右的ATR發(fā)動機，再加速到M=4-25的吸氣式沖壓噴氣發(fā)動機，以及最后進入軌道用的加速到M=15-30的火箭發(fā)動機。火箭發(fā)動機比沖最好為450秒以上，不到500秒，而NASP的吸氣發(fā)動機已達1200秒以上。
地面試驗
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(fā)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
關于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1000°C，其余部分約1000°C。和航天飛機比較，駐點溫度在再入時是后者的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，機體大部分采用輻射冷卻，同時開發(fā)新型防熱材料。X-30計劃開發(fā)的機體材料能耐540°C以上高溫，比強度為10kg/mm2。發(fā)動機部件采用快速凝固（RSR)合金。發(fā)動機噴口、機頭、翼前緣等高溫區(qū)使用碳-碳復合材料。此外還將使用金屬基和陶瓷基的復合材料。
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氫氣燃料冷卻。
液氫除了作火箭燃料外，在50年代，B-57轟炸機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(fā)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；航天飛機外貯箱是一次使用，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(fā)技術之一。
X-30把液氫用作沖壓噴氣發(fā)動機和渦輪發(fā)動機的燃料，又和少量的液氧一起作為火箭發(fā)動機及反作用控制系統(tǒng)的燃料，它還用于燃料電池。此外，氫氣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(tǒng)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研制費問題。航天飛機最終的研制費用高得驚人，由于技術改變，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。氫氣雖好，但貯箱卻大。改用液化甲烷，同樣的發(fā)熱量，其容積是液氫的1/2.5,然而甲也是-161°C的低溫燃料，要使用它，需在機場新建燃料庫、供給系統(tǒng)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，以及隨著研制的深入，接踵而來的各種技術問題。
參考資料 >