高超音速飛機的起源：因為美國丟了面子
1957年10月4日，美國人在近地軌道上發現了一個重達1841克的人造衛星，經常在華盛頓特區上空毫無挑戰地飛過，這對美國來說簡直是一種恥辱，也改變了美國人對蘇聯技術的看法，引發了蘇聯和美國之間“導彈差距”的擔憂，並標誌著“太空競賽”時代的開始。除了各種航天計劃外，美國空軍也推出了HYWARDS項目(高超音速武器和研發支持系統)，設想了一種速度接近18馬赫的載人飛行器，開啟了美國近70年的高超音速飛機的漫長追求之路，能成功嗎？
一：高超音速飛機設想概念，第一號難題是“熱障
最早的高超音速飛機概念開始於1952年，作為載人航天飛行的入門，美國空軍也正在考慮高超音速飛機的概念，貝爾飛機公司已經構思出了X-2後掠翼的火箭飛機，1956年9月，X-2成為第一架達到3馬赫的飛機，隨即失控墜毀。貝爾戰後聘請的德國火箭科學家沃爾特·多恩·貝爾埃爾提出的另一個想法，設想了一個可以在50至75英里的高度飛行的電離層研究火箭，能夠使用自己強大的火箭發動機上升。通過“高超音速進出大氣層”來擴大飛行範圍。這種“滑翔式”的高超音速飛行方法是德國1928年提出，後因技術難度太大被放棄。
最終在1957年發展成Dyna-Soar/X-20(“動感滑翔”)項目。這架35英尺長的載人飛行器由洲際彈道導彈助推器發射，設計主要是為了探索從軌道飛行返回大氣層的技術，兩級火箭推進的階梯式滑翔5000英里，但是隨著資金轉移到水星和雙子座載人航天計劃，國防部長羅伯特終止了這個項目。但是它產生了大量的研究和技術，美國人認識前所未有的空氣動力加熱和高溫結構的問題是如此可怕，當一架飛機從非常高的速度進入密度較大的空氣時，能量被轉換成熱量，產生高達1093度的局部機身溫度。。速度越快，溫度越明顯升高——馬赫數為6時，表面溫度是馬赫數為3時的8倍，它們被視為“高超音速飛行的障礙”，簡稱“熱障”。
X-2探索了不能通過風洞測試和原始的計算機技術精確模擬的飛行狀態。提供了大量的研究數據，這些數據也為更先進的機型做了準備，貝爾飛機公司起草了一份介紹新的高超音速飛機外形和規格的設計方案，外觀相當傳統，短粗的機翼和十字形機尾，至關重要的是指定了一種由國際鎳公司生產的鉻鎳合金，結合了創新的散熱器構造技術來“擊敗熱量”，這種鉻鎳合金重量是鋁合金的三倍，20世紀40年代被開發用於噴氣發動機的小零件，在極端溫度下保持其強度而不需要內部和外部外殼之間的絕緣“雙層牆”，貝爾提出需要一些高度創新的建造技術讓外殼會根據其在機身中的位置以不同的速度升溫，接下來的工作是開始對貝克群的基本設計模型進行空氣動力學和風洞測試飛機控制和穩定問題，為了避免早期x -2的縱向穩定性問題，需要一個體積龐大、厚度較薄、垂直尾翼面積與機翼面積大致相同的穩定器來維持速度達到7馬赫時的方向性穩定性。結果是將水平尾翼放置在與機翼相同的平面上，可以避免這種干擾。
劉易斯飛行推進實驗室對動力裝置的選擇進行了調查，通用電氣的愛馬仕導彈發動機是一個早期的但最終不合適的候選者。似乎唯一的選擇是幾個相對低功率的紅外單元組合來改變總推力，以代替節氣門控制。又過了兩年，專門為設計的可節流發動機才投入使用。儘管面臨著艱鉅的技術挑戰，貝爾公司仍然對這個項目充滿信心，1954年5月邀請了美國空軍和美國海軍代表來聽他的建議，決心只用了三年時間就造出了這樣一臺革命性的機器。會議上美國海軍代表團透露，道格拉斯飛機公司已簽約研究D-558-II型“天空火箭”的後續產品，道格拉斯提出了非常創新的分散摩擦熱的方法，包括在外部皮膚上有一個臨時燒蝕塗層的鈦主體結構。飛行表面的最高溫度將達到1815攝氏度，其前沿邊緣將被噴以水來產生除熱蒸汽，或由泵入邊界層氣流的冷凍氧氣來保護，尾翼和翼尖的推進器噴流由過氧化氫催化產生的蒸汽提供動力，可以實現高空方向控制。
二：高超音速飛機項目競爭，最先來的被最後到的擊敗
美國空軍萊特航空發展中心前評估了提案，估計至少需要4年時間和1220萬美元才能實施。各方就高超音速研究作為一個單一的聯合項目達成了普遍共識，一個月後，美國空軍批准提議，強調應該被視為專門為探索高超音速(馬赫數為5+)飛行狀態而建造的純研究工具，貝克爾的研究是主要的焦點，萊特航空發展中心簽署的諒解備忘錄強烈建議將高超音速飛機作為“國家緊急事項”，美國空軍邀請12家制造商投標高超音速合同，該合同於1955年1月17日成為1226項目，考慮到了這樣一小批高度精密的飛機需要大量的研究和風險，沒有擴大生產的前景，缺乏商業利潤，這將需要大量的研究和風險，沒有擴大生產的前景，大多數公司在製造這類飛機時也缺乏相關經驗。將這種不利因素與潛在的製造經驗的利益進行權衡，格魯曼公司、馬丁公司和洛克希德-馬丁公司退出了競爭，只有來自道格拉斯、貝爾、波音和諾斯羅普的高級官員參加了會議。
會議上確認每個公司提供一個主要的設計和一個備選方案，基本規格是一架速度為2011米/秒，飛行高度76199米的飛機，第一架飛機將在合同簽署後30個月內準備好，美國空軍任命切斯特·e·麥科洛上校為WADC項目工程師，並將該項目的管理權交給WADC的戰鬥機分部。喬治·a·斯潘根伯格成為美國海軍的項目工程師。截止到1955年5月9日，只有四家公司提交了創意。隨著波音公司、昌斯-沃特公司、麥克唐奈公司、康維爾公司和諾斯羅普公司的退出，道格拉斯和貝爾公司似乎是最有資格的競爭者。
貝爾公司的D-171提案使用了三個貝爾XLR-81發動機，每個發動機產生14500磅的推力，相對傳統的機翼和尾翼佈局有一個像X-1那樣的減阻齊平罩，使用八個小的過氧化氫推進器被包括用於高空飛行控制，但它把一氧化氮作為XLR-81燃料系統的氧化劑非常危險的，貝爾公司之所以選擇液氧部分原因是它不需要在航空母艦上安裝複雜的加註系統來保持液態氧罐的滿載。但是油箱需要相當大的儲存空間。貝爾的設計師們選擇了一種“雙層牆”的面板方法，通過使用更薄的外表皮焊接到波紋的內表皮上，每個小面板能夠在嚴重的加熱下擴展，用空氣間隙提供絕緣，從而減輕了約3000磅的重量。根據美國海軍的要求，還起草了一個雙座的版本，貝爾認為30個月的最後期限是不可能實現，預計需要46個月才能製造出第一架飛機。
道格拉斯提交的684型飛機沿用了先前的“天箭”式設計，但使用了由較厚的半英寸鎂/釷-鋯合金(HK31)製成的直翼，機翼前緣為銅。道格拉斯認為與鉻鎳合金相比，鎂更輕，也更容易加工，鎂/釷-鋯合金不會像鉻鎳合金那樣有效地阻止輻射熱量，但在短時間內暴露在極端高溫下是可以忍受的。道格拉斯使用了與“天空火箭”類似的逃生系統，配備了合理的、配備降落傘的前機身。它的火箭動力裝置是一個單一的反應發動機，使用受歡迎的發動機與液氧和氨推進劑組合。684型好處是足夠輕，可以在航空母艦起降。
北美航空公司從來沒有建造過火箭，但它有豐富的導彈研製經驗，該公司研製了20世紀50年代馬赫3的納瓦霍遠程巡航導彈。該公司還參與了創新的 XB-70轟炸機的研究，在製造美國空軍戰鬥機方面有著長期而傑出的記錄，尤其是P-51野馬、F-86軍刀和F-100超級軍刀。由休·埃爾金領導的NAA高級設計團隊基於蘭利規範的設計，比其他團隊更專注於“可能的藝術”和相對簡單的解決方案，使用鉻鎳合金作為主要結構材料，前沿領域利用層壓玻璃布等材料可替換的尖端部分吸收高熱，液態氧和無水氨推進劑艙與半單殼中央機身融為一體，減輕了重量，“隧道”整流罩被添加到機身側面，以適應控制電纜、推進劑管道和配線。採用楔形上、下垂直穩定器和反應發動機XLR-30發動機。到1955年6月10日，北美航空公司以微弱優勢排在道格拉斯684型之前，貝爾則第三名。最終北美航空公司戰勝貝爾、道格拉斯和共和公司中標，
三，高超音速飛機的材料，非常難加工
北美航空公司需要研製的是一臺有一個很大的推力餘量發動機的小飛機，飛到76199米的高度，速度達到6馬赫，高空動力學穩定性和控制並不重要，重要的是研究空氣動力加熱，這架飛機的設計必須能夠承受+4g和2g的重量，雖然基本佈局是相當傳統的，機身是基本上未經考驗獨特創新金屬，關於結構材料選擇的不確定性促使了對陶瓷-金屬、玻璃纖維和碳化鈦的進一步研究，以及為了嘗試不同的材料而提出的可移動機翼前緣。鈦材料用於機身和機翼的一些部分結構，鈦合金(6A1-4V)可以通過熔合或電阻技術進行焊接，
駕駛艙內部壓力殼使用高強度鋁(2024-T)，鉻鎳合金取代了部分碳化鈦合金作為散熱材料用於機翼和尾部表面，駕駛艙玻璃也需要一種新的材料，因為三層的鈉鈣鋼化玻璃只能承受398度，而不是預期的537度，玻璃之間的溫度變化達到398度，康寧玻璃公司開發了能承受815度高溫的鋁硅酸鹽玻璃外層，研究小組努力將飛機的總重量控制在一定範圍內，但機身下部的吸熱結構數量不足，這使他。不得不增加2000磅的金屬製品來吸收預期的熱量。為了提高縱向穩定性，在機翼前方削減了側隧道整流罩，將水平穩定器向後移動了5.4英寸，增加了垂直穩定器的面積，使背側和腹側區域大致對稱。為了減少顫振的風險，速度制動器做得更小。
北美航空公司堅持為新飛機設計一套全壓式太空飛行服，每一套都是單獨“定製”的，使用克拉克的專利“鏈接網”材料，包括內部通風服，排洩系統和上部和下部的橡膠衣服摺疊在一起，在腰部密封。上半部分有內置手套，下半部分也起到了防g服的作用，最高可達7g，鍍鋁反射外層讓它有“銀色太空服”的外觀，駕駛艙和宇航服都用氮氣加壓，宇航服的橡膠頸封防止氮氣洩漏到飛行員的玻璃纖維MA-3頭盔中，頭盔和內部的充氣氣囊都提供了100%的氧氣，呼出的空氣通過頸密封上的一個單向閥進入充滿氮氣的太空服，無論哪種情況，飛行員都不能在飛機上脫下手套或面罩。飛行員系統包含了一個非常堅固的，複雜的彈射座椅，能夠在4馬赫和12萬英尺的高空提供良好的生存機會
四，高超音速飛機的動力，動力強大，但自已不會飛
動力是高超音速飛機的靈魂，北美航空公司自己的實驗用NA 5400只能提供5400磅的推力，而貝爾XLR-81可以從不對稱的二甲肼和噴氣燃料的混合物(“JPX”)中獲得了15000磅的推力，最終由美國空軍壓力下的北美航空公司選擇反應發動機公司(RMI)在生產的XLR-30，它由美國海軍海盜號火箭的XLR-10發展而來，在發動機進入燃燒室之前，它使用冷卻管使發動機周圍的冷推進劑循環。它還引入了一種“排放渦輪”機制，利用燃料和燃燒部分的氣體的混合物來推動燃料系統循環渦輪。其結果是一個單一的，緊湊的動力裝置，幾乎是XLR-II的9倍的推力，但減輕了約100磅的重量。可以提供170001磅(30%的推力)和57000磅的推力之間的可變功率，並使發動機能夠至少5次飛行中的重新啟動，然而XLR-30還沒有準備好，和飛機有一個9個月的差距，同時劉易斯實驗室對使用高腐蝕性氨作為推進劑表示了一些擔憂，並建議用JP4噴氣發動機燃料代替。
由於使用火箭發動機，高超音速飛機需要一架母機把它帶上高空，B-36H是戰略空軍司令部自1949年以來的主要重型轟炸機，但時速只有400英里，超音速B-58A的起落架單元和吊艙發動機之間沒有足夠的空間吊掛，波音的KC-135加油機的低翼和短機身的主起落架也沒有留下空間，最終選擇B-52轟炸機，它的高掛翼和在機身和機艙之間的廣闊空間給了一個大型支撐塔的空間，機翼可以支持50000磅負載,因此吊掛相對笨重的高超音速飛機，
但要從右機翼移除一個燃料箱，使內側襟翼失活，並拆除所有軍用系統的外罩。安裝一個的液壓釋放裝置和一個氣動備份系統，右側內側襟翼上的一個切口為高超音速飛機的垂直尾翼提供了間隙，安裝為高超音速飛機提供了電力和氧氣的設備，B-52的兩個機身燃料箱被移除，以容納兩個1500加侖液態氧氣罐，以及24個氮氣和氦氣的氣瓶。“填補”高超音速飛機的液態氧供應，還在機身右側安裝電視攝像機、照明燈和三架16毫米電影攝像機，發射操作員通過攝像機監視高超音速飛機投放。
五，高超音速飛機的飛行控制，先進而複雜
飛行控制和傳統的副翼和水平穩定器相比，操縱方面幾乎沒有什麼不同，通過速率陀螺儀、伺服缸和阻尼器，西屋電氣公司的穩定增強系統(SAS)在所有三個軸(俯仰、橫滾和偏航)上運行，從而保持了整體的穩定性。當起飛或準備返航時，飛行員會仔細檢查位置指示器上的水平安定面設置，方向舵的兩個部分由傳統的踏板操作，下腹側鰭和方向舵有足夠的離地間隙。腹鰭在亞音速和中等攻角下保持穩定，固定的腹鰭後部打開，形成一對空氣制動器，與背鰭區域的一對相連。當飛行員有足夠的跑道視野時，在最後進近時展開了四個延長的速度制動段，使著陸更加準確。在54863米的高空使用，彈道控制系統和過氧化氫蒸汽推進器接管了工作，矢量控制器有一個1.40英寸的排氣口，在機頭成對的指向左右，向上和向下為俯仰和偏航，每個翼尖有兩個控制控制系統，產生40磅的推力，向上和向下為滾動控制保持機翼水平。矢量控制器是唯一控制飛機的態度和防止向後飛的方法
飛機的操縱特性與美國國家航空航天局艾姆斯實驗室的模擬結果非常相似。同樣適用於高海拔地區，在那裡普通的皮托管傳感器不能工作，是創新的“球鼻子”在飛機的鼻尖測量AoA和側滑角。它也被稱為“Q-ball”，因為它測量的是動態壓力，或“q”。諾斯羅普公司製造了6個“O-ball”單元，用於X-15，包括一個直徑6.5英寸的球形傳感器，位於飛機機頭的頂端，70磅的相關電子、液壓和氣動設備放在它後面。用氮氣冷卻後，這個“球”在一個鋼製的接箍上進行液壓旋轉，這樣它就總是朝向氣流。通過壓力傳感孔，可檢測到10度~ +40度的攻角和±20度的側滑角。當“Q-ball”的發展仍在等待完成時，一個正常的71英寸NACA空氣數據吊杆用於飛行測試計劃的初始低速部分。
飛行控制的另一個重大創新是裝有在飛行中測量飛機性能和位置的裝置，20世紀60年代的慣性導航系統(INS)最初作為模擬系統運行。使用慣性飛行數據系統來測量高度、爬升速度、速度和姿態。校準平臺的信息來自NB-52艦載機的AN/APN-81多普勒雷達和N-1陀螺穩定磁羅盤。使用了一個四環框架平臺，駕駛艙顯示屏上顯示的信息顯示了俯仰、滾轉和航向，它是一個“八球”旋轉球面，其中包括一張小飛機圖片，定位與地面、地平線和天空的關係。，平臺在發射前進行了調整，然後在5分鐘內顯示速度和高度數據，並在20分鐘內繼續提供俯仰、側滾和驅動/偏航信息。與後來的環形激光陀螺系統相比，其精度和可靠性較差。然而，修改後的慣性飛行數據系統可以自行校準來自NB-52的數據輸入和數字計算機很可靠。
六：結論，白忙了
這架飛機設計需要超過6000項圖紙，涉及200個分包項目的修改，大部分的製造過程，尤其是具有挑戰性的金屬加工都是由北美公司完成的，鉻鎳合金和鈦的硬度不同尋常，能很快磨壞工具，而且拋光和切割所需的時間比傳統的航空金屬長得多。第一架準備就緒時美國副總統理查德·尼克松宣佈這款新飛機“重新奪回了美國在太空中的領先地位”它的飛行速度比最快的飛行員高出三倍，比高速步槍的子彈高出兩倍，而且很容易就超過世界高度紀錄許多倍。”是第一架超過4馬赫、5馬赫和6馬赫的飛機，在15次飛行中，其最高速度翻了一番。
如果衝壓發動機被成功地整合，火箭飛機可能已經能夠達到7馬赫。雖然故障百出，但可以說是有史以來最成功的高速飛行研究項目，作為一種研究工具，這種飛機非常靈活。可以進行了各種各樣的實驗，包括微隕石收集艙、導彈探測系統、為土星運載火箭準備的絕緣樣品以及其他各種各樣的實驗。不過美國的高超音速飛行器仍然是遙不可及，經歷70年的研究和無數次失敗後，美國至今還沒擁有可用於實戰，正如美國太平洋司令部前司令、現任駐韓國大使哈里斯去年2月份的發言：中國的高超音速技術發展超過了我們......我們落後了。
