NASA开启X-Planes研究的历史新纪元

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08-08 17:04 两个质子 (lianggezhizi) 科技

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历史总是相似的。过去的七年中,有一些时间段相比起其他显得格外忙碌--当全国航空领域最智慧的头脑设计、建造并试飞了一系列验证机,用以测试飞行中那些极具想象力和实用性的最新想法。


短翼,长翼,三角翼,前掠翼,变后翼,宽尾翼,无尾翼;高速,低速;喷气推进,火箭推进,甚至核推进--尽管这项技术从未在空中被使用过。


这些先驱飞机中的每一架都有它自己的成败往事,甚至是悲剧;每一架都由不同的公司制造,不同的政府组织出于不同的目的去运作。


他们就是被熟知的X-Planes(X系列飞机)或者X-vehicles(X系列飞行器),因为其中有一些是导弹或者宇宙飞船。它们广受赞誉,给予全球航空爱好者暖意和怀旧感。


"每一架都有着各自的趣闻,每架都在航空史中都有一席之地,帮助它们青史留名。"NASA的首席历史学家Bill Barry说道,"而且它们真的很炫酷。"


现在,NASA的航空开拓者们准备再一次将一系列新的验证机送上蓝天,意在秉承其展示高端科技,拓展航空前沿的重要传统使命。


它们的目标包括展示如何让客机每次飞行只燃烧一半燃料并减少75%的污染,以及比现在的喷气式飞机更安静--即使是在超音速飞行时。


NASA对X-Planes的重新重视被称做航空新视野(New Aviation Horizon,NAH),于二月份宣布并作为总统预算的一部分编入2016财年(财年始于2016年10月1日)。该计划是在接下来的十年内设计,建造并试飞一系列X-Planes,以加速先进绿色航空科技的工业融合。


"如果能造出那些飞机中的一部分并展示部分技术,我们希望能让美国工业更快更容易地掌握它们,并把它们推向市场。"NASA的综合航空系统项目负责人Ed Waggoner说道。


NASA知道如何去实施该项目,追溯到它前身--美国航空顾问委员会(NACA),以及最早的一架X-Planes。它被恰如其分地命名为X-1,它是NACA和之后新成立的美国空军共同进行的项目。


超音速实验


"从前空中住着一只恶魔,他们说但凡挑战它都难逃一死。他们的操控杆将变得僵硬,他们的飞机将摇摆不定,他们的肉体将泯然不复。


这个恶魔就住在仪表上1马赫(Mach 1)位置,指向750英里每小时(1207km/h)--在此,空气难以流动;恶魔就住在这个据说无人能破的屏障后面,这个屏障叫"音障"。


然后他们建造了一架小型飞机X-1,尝试着打破音障。人们来到加利福尼亚高地沙漠试飞,他们便是试飞员;尽管无人知晓他们姓甚名谁。"《太空先锋》1984(The Right Stuff, 1984)


贝尔X-1, Chuck Yeager于1947年驾驶它打破音障。

图片来源:NASA


由贝尔飞机制造的X-1是第一架飞行速度高于音速的飞机,因此打破了音障。音障是一个十分流行但是本质上具有误导性的术语,它更多被用于指代高速飞行的挑战这一虚设的概念,而不是空中不可逾越的物质墙。


正如《太空先锋》这样的书和影视作品绘声绘色记载的一样,在1947年10月14日,空军上尉Chuck Yeager摩拳擦掌,鼓起勇气爬进亮橘色的"魅力格林散德"号,驾驶X-1飞出其历史的一刻。


据报道,那一天在羚羊谷,也就是加利福尼亚爱德华空军基地所在地,响荡着其第一次音爆的余波。但无论那里是否有人真的听到了音爆,之后的数十年里,军事基地上方超音速飞行带来的无数余波常常回荡在山谷里。


X-1也成为由NACA(NASA的前身),美国空军,海军和其他政府机关管理的一系列验证机项目中的第一个。


近日,美国空军编号的X-Planes名单已经到了56号,但这不意味着那里就有56架X-Planes.有一些飞机有多个版本但使用同一个编码,而且还有更多实验运载工具已经经过设计,制造和试飞,却没有被编号。与此同时,一些已被编号的X运载工具从来没有被建造过。


"X-52在编号时被跳过了,因为没人希望把这架飞机和B-52轰炸机混淆在一起。此外,有一些X-Planes根本不是研究用的验证机,而是生产型飞机和宇宙飞船,这样就把X-Planes这个系列的水搅得更浑了,分不清哪个是哪个不是。"Barry说。


"他们在X-1诞生的时候并没有想过要有一系列的X飞行器,因为你最终总会有好几个修正版本,比如A版本,B版本等等--它们是很不一样的飞行器。"


没被命名为X-Planes的验证机包括一些NASA的空天飞机,以及美国海军的D558II空中火箭。1953年,飞行员Scott Crossfield驾驶着它第一次以两倍音速飞行,也就是2马赫。


更令人费解的是,有一些早期的X-Planes被叫做XS-1,XS-2等等。XS是实验超音速(experiment supersonic)的简写。"虽然并没有历史文件清楚地记载,在某些时候XS会变成X,因为XS听上去太像excess (多余的),感觉像是不需要的东西一样。"Barry提到。


还有一些飞机,比如XB-70,一个常被视作X-Planes的超音速喷气飞机的典范,却并不在美国空军官方编号的56种X-Planes之列。Barry说:"通常来说,当历史上对X-Planes的指定变成一个非常模糊的术语时,它成为了今天人们口中最新研制飞机的代名词。"


也许在所有和NASA联系在一起的X-Planes中,X-15火箭飞机是最新也是最有名的--甚至比X-1更胜一筹。"毫无疑问,X-1是最具有历史意义的一架飞机。


不仅因为它是第一架,还有它在超音速飞行领域做出的种种贡献。但是X-15或许是所有X-Planes中最有实际生产意义的版本。"Barry说。


1959年至1968年,共计飞行199次,有翼飞机X-15以极超声速到达宇宙边缘,开拓了设计理念和操作程序。正是它们直接促进了"水星计划","双子星计划","阿波罗载人航天飞行计划"和航天飞机的发展。


除了对高速航空做出的贡献以外,X-15还有其他成就。Barry解释道,它是NASA,空军和海军这几个处于竞争关系的军事产业一次极好的合作。


"X-15所代表的这种重要航空研究,最适合由几个有共同目标的组织合作完成。"Barry说,"我们已经预见到这一点了,因为我们打算试飞下一波飞机。"


"三脚椅"


"三脚椅的第一条腿"--计算可行性:该模型展现了喷气发动机旋翼周围空气产生的声音会以反方向传播。

图片来源:NASA/Tim Sandstrom



"三脚椅的第二条腿"--一个半结构模型正在NASA Langley风洞进行颤震实验。图片来源: NASA Langley/Sandie Gibbs


但是,在这个高速电脑可以进行复杂的模拟,世界级风洞能够使用并测试高仿真模型的时代,为什么我们还需要试飞像X-Planes这样的东西?


"这是个好问题。"Waggoner说。答案和Waggoner描述的三脚椅在航空研究领域中的必要性有关。


第一条椅腿代表计算能力,包括那些高速超级计算机。它们可以模拟空气流经物体,如机翼,方向舵或一整架飞机时的物理现象。这些现象仅以1和0的形式存在于模拟中。


第二条椅腿代表实验方法。科学家常将一个物体(机翼,方向舵或整架飞机)整体或部分的比例模型放入风洞来测量流经物体的气流。


在风洞中的测量数据可以帮助完善电脑模型,而这些模型则进一步优化飞机设计。优化后的设计可以再一次进行风洞测试。


"它们每一个都很棒,而且会促进彼此的优化,但每个都有可能在根据结果进行推断时发生错误。"Waggoner说,"所以第三条椅腿就是走出去,真正地去试飞这些设计方案。"


不论试飞的是X-Planes还是新飞机的全尺寸原型机,所有实际飞行中记录的数据都可以用来校验并提升最新设计的计算方法和实验方法。


"现在你有三种不同的方式来看待同一个问题,"Waggoner说,"只有这三件事情一起做我们才能充分降低错误率,从而完全相信我们的数据。"


静音超音速技术



静音超音速技术(Quiet Supersonic Technology, QueSST)的概念处于初级设计阶段,它或将成为NASA的一流X-Planes之一。


尽管可能不会是航空新视野X-Planes系列中最先被试飞的三脚椅研究,QueSST已经被运用在飞机的设计中了。


洛克希德.马丁公司(Lockheed Martin)领导的团队在二月份签订了先期设计合同。如果时间规划和议会基金能够维持,这架新的超音速X-Planes预计在2020年试飞。


QueSST旨在解决X-1在70年前进入航空领域时就带来的问题--干扰民生的过响音爆。


近期的研究显示:超音速飞机有可能被设计成某种形状,使它在超音速飞行时形成的激波产生极轻的音爆,这样公众就听不见了。


关于产生的音爆有各种各样的描述:有的说像远远的雷声,有的说像外面邻居用力关车门时你在家里听到的声音,还有的说像超音速心跳的重击。


NASA打算设计,建造并试飞一系列X-Planes以测试先进的绿色航空技术。

图片来源:NASA/Maria C. Werries


"我们知道这个概念能够实际应用,但现在继续研究的最好方法是向公众展示X-Planes的能力。"NASA超音速项目经理Peter Coen说。


QueSST试飞收集的数据有望帮助美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration)及他国同行设立与噪音相关的规章制度,使全国范围内超音速航空的商业化成为可能。


"提供数据是将公共交通引入可接触、可支付的超音速飞行的关键一步。"Coen说。


与此同时,其他的验证机也列在考虑之中,包括那些形状新颖、打破传统桶状机身和传统机翼的飞机以及其他使用混合动力推进的飞机。


那些X-Planes确切的外观,操控方法和飞行地点都还没有准确定下。"我们想让市场和社会帮助我们决定向哪个方向发展,"Waggoner说,"但我们真的很为自己将要展示的东西感到激动。"


有趣的是,尽管那些未来将被测试的飞机都被当做X-Planes, 完全有可能只有其中的一些能获得官方指定编号--甚至一架都没有。


"我们还不知道,"Waggoner说,"可能只有等到我们马上要承接建造合同时才会针对每架飞机做出决定。"


所以,无论NASA最终决定用X-数字还是好记的首字母缩写(或是两者兼备)来给新飞机命名,有一件事是毋庸置疑的: NASA的飞行研究项目正再一次振兴航空研究,进入令人激动的新纪元。


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