高超音速飞机的起源：因为美国丢了面子
1957年10月4日，美国人在近地轨道上发现了一个重达1841克的人造卫星，经常在华盛顿特区上空毫无挑战地飞过，这对美国来说简直是一种耻辱，也改变了美国人对苏联技术的看法，引发了苏联和美国之间“导弹差距”的担忧，并标志着“太空竞赛”时代的开始。除了各种航天计划外，美国空军也推出了HYWARDS项目(高超音速武器和研发支持系统)，设想了一种速度接近18马赫的载人飞行器，开启了美国近70年的高超音速飞机的漫长追求之路，能成功吗？
一：高超音速飞机设想概念，第一号难题是“热障
最早的高超音速飞机概念开始于1952年，作为载人航天飞行的入门，美国空军也正在考虑高超音速飞机的概念，贝尔飞机公司已经构思出了X-2后掠翼的火箭飞机，1956年9月，X-2成为第一架达到3马赫的飞机，随即失控坠毁。贝尔战后聘请的德国火箭科学家沃尔特·多恩·贝尔埃尔提出的另一个想法，设想了一个可以在50至75英里的高度飞行的电离层研究火箭，能够使用自己强大的火箭发动机上升。通过“高超音速进出大气层”来扩大飞行范围。这种“滑翔式”的高超音速飞行方法是德国1928年提出，后因技术难度太大被放弃。
最终在1957年发展成Dyna-Soar/X-20(“动感滑翔”)项目。这架35英尺长的载人飞行器由洲际弹道导弹助推器发射，设计主要是为了探索从轨道飞行返回大气层的技术，两级火箭推进的阶梯式滑翔5000英里，但是随着资金转移到水星和双子座载人航天计划，国防部长罗伯特终止了这个项目。但是它产生了大量的研究和技术，美国人认识前所未有的空气动力加热和高温结构的问题是如此可怕，当一架飞机从非常高的速度进入密度较大的空气时，能量被转换成热量，产生高达1093度的局部机身温度。。速度越快，温度越明显升高——马赫数为6时，表面温度是马赫数为3时的8倍，它们被视为“高超音速飞行的障碍”，简称“热障”。
X-2探索了不能通过风洞测试和原始的计算机技术精确模拟的飞行状态。提供了大量的研究数据，这些数据也为更先进的机型做了准备，贝尔飞机公司起草了一份介绍新的高超音速飞机外形和规格的设计方案，外观相当传统，短粗的机翼和十字形机尾，至关重要的是指定了一种由国际镍公司生产的铬镍合金，结合了创新的散热器构造技术来“击败热量”，这种铬镍合金重量是铝合金的三倍，20世纪40年代被开发用于喷气发动机的小零件，在极端温度下保持其强度而不需要内部和外部外壳之间的绝缘“双层墙”，贝尔提出需要一些高度创新的建造技术让外壳会根据其在机身中的位置以不同的速度升温，接下来的工作是开始对贝克群的基本设计模型进行空气动力学和风洞测试飞机控制和稳定问题，为了避免早期x -2的纵向稳定性问题，需要一个体积庞大、厚度较薄、垂直尾翼面积与机翼面积大致相同的稳定器来维持速度达到7马赫时的方向性稳定性。结果是将水平尾翼放置在与机翼相同的平面上，可以避免这种干扰。
刘易斯飞行推进实验室对动力装置的选择进行了调查，通用电气的爱马仕导弹发动机是一个早期的但最终不合适的候选者。似乎唯一的选择是几个相对低功率的红外单元组合来改变总推力，以代替节气门控制。又过了两年，专门为设计的可节流发动机才投入使用。尽管面临着艰巨的技术挑战，贝尔公司仍然对这个项目充满信心，1954年5月邀请了美国空军和美国海军代表来听他的建议，决心只用了三年时间就造出了这样一台革命性的机器。会议上美国海军代表团透露，道格拉斯飞机公司已签约研究D-558-II型“天空火箭”的后续产品，道格拉斯提出了非常创新的分散摩擦热的方法，包括在外部皮肤上有一个临时烧蚀涂层的钛主体结构。飞行表面的最高温度将达到1815摄氏度，其前沿边缘将被喷以水来产生除热蒸汽，或由泵入边界层气流的冷冻氧气来保护，尾翼和翼尖的推进器喷流由过氧化氢催化产生的蒸汽提供动力，可以实现高空方向控制。
二：高超音速飞机项目竞争，最先来的被最后到的击败
美国空军莱特航空发展中心前评估了提案，估计至少需要4年时间和1220万美元才能实施。各方就高超音速研究作为一个单一的联合项目达成了普遍共识，一个月后，美国空军批准提议，强调应该被视为专门为探索高超音速(马赫数为5+)飞行状态而建造的纯研究工具，贝克尔的研究是主要的焦点，莱特航空发展中心签署的谅解备忘录强烈建议将高超音速飞机作为“国家紧急事项”，美国空军邀请12家制造商投标高超音速合同，该合同于1955年1月17日成为1226项目，考虑到了这样一小批高度精密的飞机需要大量的研究和风险，没有扩大生产的前景，缺乏商业利润，这将需要大量的研究和风险，没有扩大生产的前景，大多数公司在制造这类飞机时也缺乏相关经验。将这种不利因素与潜在的制造经验的利益进行权衡，格鲁曼公司、马丁公司和洛克希德-马丁公司退出了竞争，只有来自道格拉斯、贝尔、波音和诺斯罗普的高级官员参加了会议。
会议上确认每个公司提供一个主要的设计和一个备选方案，基本规格是一架速度为2011米/秒，飞行高度76199米的飞机，第一架飞机将在合同签署后30个月内准备好，美国空军任命切斯特·e·麦科洛上校为WADC项目工程师，并将该项目的管理权交给WADC的战斗机分部。乔治·a·斯潘根伯格成为美国海军的项目工程师。截止到1955年5月9日，只有四家公司提交了创意。随着波音公司、昌斯-沃特公司、麦克唐奈公司、康维尔公司和诺斯罗普公司的退出，道格拉斯和贝尔公司似乎是最有资格的竞争者。
贝尔公司的D-171提案使用了三个贝尔XLR-81发动机，每个发动机产生14500磅的推力，相对传统的机翼和尾翼布局有一个像X-1那样的减阻齐平罩，使用八个小的过氧化氢推进器被包括用于高空飞行控制，但它把一氧化氮作为XLR-81燃料系统的氧化剂非常危险的，贝尔公司之所以选择液氧部分原因是它不需要在航空母舰上安装复杂的加注系统来保持液态氧罐的满载。但是油箱需要相当大的储存空间。贝尔的设计师们选择了一种“双层墙”的面板方法，通过使用更薄的外表皮焊接到波纹的内表皮上，每个小面板能够在严重的加热下扩展，用空气间隙提供绝缘，从而减轻了约3000磅的重量。根据美国海军的要求，还起草了一个双座的版本，贝尔认为30个月的最后期限是不可能实现，预计需要46个月才能制造出第一架飞机。
道格拉斯提交的684型飞机沿用了先前的“天箭”式设计，但使用了由较厚的半英寸镁/钍-锆合金(HK31)制成的直翼，机翼前缘为铜。道格拉斯认为与铬镍合金相比，镁更轻，也更容易加工，镁/钍-锆合金不会像铬镍合金那样有效地阻止辐射热量，但在短时间内暴露在极端高温下是可以忍受的。道格拉斯使用了与“天空火箭”类似的逃生系统，配备了合理的、配备降落伞的前机身。它的火箭动力装置是一个单一的反应发动机，使用受欢迎的发动机与液氧和氨推进剂组合。684型好处是足够轻，可以在航空母舰起降。
北美航空公司从来没有建造过火箭，但它有丰富的导弹研制经验，该公司研制了20世纪50年代马赫3的纳瓦霍远程巡航导弹。该公司还参与了创新的 XB-70轰炸机的研究，在制造美国空军战斗机方面有着长期而杰出的记录，尤其是P-51野马、F-86军刀和F-100超级军刀。由休·埃尔金领导的NAA高级设计团队基于兰利规范的设计，比其他团队更专注于“可能的艺术”和相对简单的解决方案，使用铬镍合金作为主要结构材料，前沿领域利用层压玻璃布等材料可替换的尖端部分吸收高热，液态氧和无水氨推进剂舱与半单壳中央机身融为一体，减轻了重量，“隧道”整流罩被添加到机身侧面，以适应控制电缆、推进剂管道和配线。采用楔形上、下垂直稳定器和反应发动机XLR-30发动机。到1955年6月10日，北美航空公司以微弱优势排在道格拉斯684型之前，贝尔则第三名。最终北美航空公司战胜贝尔、道格拉斯和共和公司中标，
三，高超音速飞机的材料，非常难加工
北美航空公司需要研制的是一台有一个很大的推力余量发动机的小飞机，飞到76199米的高度，速度达到6马赫，高空动力学稳定性和控制并不重要，重要的是研究空气动力加热，这架飞机的设计必须能够承受+4g和2g的重量，虽然基本布局是相当传统的，机身是基本上未经考验独特创新金属，关于结构材料选择的不确定性促使了对陶瓷-金属、玻璃纤维和碳化钛的进一步研究，以及为了尝试不同的材料而提出的可移动机翼前缘。钛材料用于机身和机翼的一些部分结构，钛合金(6A1-4V)可以通过熔合或电阻技术进行焊接，
驾驶舱内部压力壳使用高强度铝(2024-T)，铬镍合金取代了部分碳化钛合金作为散热材料用于机翼和尾部表面，驾驶舱玻璃也需要一种新的材料，因为三层的钠钙钢化玻璃只能承受398度，而不是预期的537度，玻璃之间的温度变化达到398度，康宁玻璃公司开发了能承受815度高温的铝硅酸盐玻璃外层，研究小组努力将飞机的总重量控制在一定范围内，但机身下部的吸热结构数量不足，这使他。不得不增加2000磅的金属制品来吸收预期的热量。为了提高纵向稳定性，在机翼前方削减了侧隧道整流罩，将水平稳定器向后移动了5.4英寸，增加了垂直稳定器的面积，使背侧和腹侧区域大致对称。为了减少颤振的风险，速度制动器做得更小。
北美航空公司坚持为新飞机设计一套全压式太空飞行服，每一套都是单独“定制”的，使用克拉克的专利“链接网”材料，包括内部通风服，排泄系统和上部和下部的橡胶衣服折叠在一起，在腰部密封。上半部分有内置手套，下半部分也起到了防g服的作用，最高可达7g，镀铝反射外层让它有“银色太空服”的外观，驾驶舱和宇航服都用氮气加压，宇航服的橡胶颈封防止氮气泄漏到飞行员的玻璃纤维MA-3头盔中，头盔和内部的充气气囊都提供了100%的氧气，呼出的空气通过颈密封上的一个单向阀进入充满氮气的太空服，无论哪种情况，飞行员都不能在飞机上脱下手套或面罩。飞行员系统包含了一个非常坚固的，复杂的弹射座椅，能够在4马赫和12万英尺的高空提供良好的生存机会
四，高超音速飞机的动力，动力强大，但自已不会飞
动力是高超音速飞机的灵魂，北美航空公司自己的实验用NA 5400只能提供5400磅的推力，而贝尔XLR-81可以从不对称的二甲肼和喷气燃料的混合物(“JPX”)中获得了15000磅的推力，最终由美国空军压力下的北美航空公司选择反应发动机公司(RMI)在生产的XLR-30，它由美国海军海盗号火箭的XLR-10发展而来，在发动机进入燃烧室之前，它使用冷却管使发动机周围的冷推进剂循环。它还引入了一种“排放涡轮”机制，利用燃料和燃烧部分的气体的混合物来推动燃料系统循环涡轮。其结果是一个单一的，紧凑的动力装置，几乎是XLR-II的9倍的推力，但减轻了约100磅的重量。可以提供170001磅(30%的推力)和57000磅的推力之间的可变功率，并使发动机能够至少5次飞行中的重新启动，然而XLR-30还没有准备好，和飞机有一个9个月的差距，同时刘易斯实验室对使用高腐蚀性氨作为推进剂表示了一些担忧，并建议用JP4喷气发动机燃料代替。
由于使用火箭发动机，高超音速飞机需要一架母机把它带上高空，B-36H是战略空军司令部自1949年以来的主要重型轰炸机，但时速只有400英里，超音速B-58A的起落架单元和吊舱发动机之间没有足够的空间吊挂，波音的KC-135加油机的低翼和短机身的主起落架也没有留下空间，最终选择B-52轰炸机，它的高挂翼和在机身和机舱之间的广阔空间给了一个大型支撑塔的空间，机翼可以支持50000磅负载,因此吊挂相对笨重的高超音速飞机，
但要从右机翼移除一个燃料箱，使内侧襟翼失活，并拆除所有军用系统的外罩。安装一个的液压释放装置和一个气动备份系统，右侧内侧襟翼上的一个切口为高超音速飞机的垂直尾翼提供了间隙，安装为高超音速飞机提供了电力和氧气的设备，B-52的两个机身燃料箱被移除，以容纳两个1500加仑液态氧气罐，以及24个氮气和氦气的气瓶。“填补”高超音速飞机的液态氧供应，还在机身右侧安装电视摄像机、照明灯和三架16毫米电影摄像机，发射操作员通过摄像机监视高超音速飞机投放。
五，高超音速飞机的飞行控制，先进而复杂
飞行控制和传统的副翼和水平稳定器相比，操纵方面几乎没有什么不同，通过速率陀螺仪、伺服缸和阻尼器，西屋电气公司的稳定增强系统(SAS)在所有三个轴(俯仰、横滚和偏航)上运行，从而保持了整体的稳定性。当起飞或准备返航时，飞行员会仔细检查位置指示器上的水平安定面设置，方向舵的两个部分由传统的踏板操作，下腹侧鳍和方向舵有足够的离地间隙。腹鳍在亚音速和中等攻角下保持稳定，固定的腹鳍后部打开，形成一对空气制动器，与背鳍区域的一对相连。当飞行员有足够的跑道视野时，在最后进近时展开了四个延长的速度制动段，使着陆更加准确。在54863米的高空使用，弹道控制系统和过氧化氢蒸汽推进器接管了工作，矢量控制器有一个1.40英寸的排气口，在机头成对的指向左右，向上和向下为俯仰和偏航，每个翼尖有两个控制控制系统，产生40磅的推力，向上和向下为滚动控制保持机翼水平。矢量控制器是唯一控制飞机的态度和防止向后飞的方法
飞机的操纵特性与美国国家航空航天局艾姆斯实验室的模拟结果非常相似。同样适用于高海拔地区，在那里普通的皮托管传感器不能工作，是创新的“球鼻子”在飞机的鼻尖测量AoA和侧滑角。它也被称为“Q-ball”，因为它测量的是动态压力，或“q”。诺斯罗普公司制造了6个“O-ball”单元，用于X-15，包括一个直径6.5英寸的球形传感器，位于飞机机头的顶端，70磅的相关电子、液压和气动设备放在它后面。用氮气冷却后，这个“球”在一个钢制的接箍上进行液压旋转，这样它就总是朝向气流。通过压力传感孔，可检测到10度~ +40度的攻角和±20度的侧滑角。当“Q-ball”的发展仍在等待完成时，一个正常的71英寸NACA空气数据吊杆用于飞行测试计划的初始低速部分。
飞行控制的另一个重大创新是装有在飞行中测量飞机性能和位置的装置，20世纪60年代的惯性导航系统(INS)最初作为模拟系统运行。使用惯性飞行数据系统来测量高度、爬升速度、速度和姿态。校准平台的信息来自NB-52舰载机的AN/APN-81多普勒雷达和N-1陀螺稳定磁罗盘。使用了一个四环框架平台，驾驶舱显示屏上显示的信息显示了俯仰、滚转和航向，它是一个“八球”旋转球面，其中包括一张小飞机图片，定位与地面、地平线和天空的关系。，平台在发射前进行了调整，然后在5分钟内显示速度和高度数据，并在20分钟内继续提供俯仰、侧滚和驱动/偏航信息。与后来的环形激光陀螺系统相比，其精度和可靠性较差。然而，修改后的惯性飞行数据系统可以自行校准来自NB-52的数据输入和数字计算机很可靠。
六：结论，白忙了
这架飞机设计需要超过6000项图纸，涉及200个分包项目的修改，大部分的制造过程，尤其是具有挑战性的金属加工都是由北美公司完成的，铬镍合金和钛的硬度不同寻常，能很快磨坏工具，而且抛光和切割所需的时间比传统的航空金属长得多。第一架准备就绪时美国副总统理查德·尼克松宣布这款新飞机“重新夺回了美国在太空中的领先地位”它的飞行速度比最快的飞行员高出三倍，比高速步枪的子弹高出两倍，而且很容易就超过世界高度纪录许多倍。”是第一架超过4马赫、5马赫和6马赫的飞机，在15次飞行中，其最高速度翻了一番。
如果冲压发动机被成功地整合，火箭飞机可能已经能够达到7马赫。虽然故障百出，但可以说是有史以来最成功的高速飞行研究项目，作为一种研究工具，这种飞机非常灵活。可以进行了各种各样的实验，包括微陨石收集舱、导弹探测系统、为土星运载火箭准备的绝缘样品以及其他各种各样的实验。不过美国的高超音速飞行器仍然是遥不可及，经历70年的研究和无数次失败后，美国至今还没拥有可用于实战，正如美国太平洋司令部前司令、现任驻韩国大使哈里斯去年2月份的发言：中国的高超音速技术发展超过了我们......我们落后了。
