NASA X-43 - NASA X-43

X-43
X-43A.jpg
Wzmacniacz rakietowy Pegasus przyspieszający NASA X-43A wkrótce po zapłonie podczas lotu testowego (27 marca 2004 r.)
Rola Eksperymentalny naddźwiękowy UAV
Pochodzenie narodowe Stany Zjednoczone
Grupa projektowa NASA
Zbudowane przez Micro Craft (płatowiec)
GASL (silnik)
Główny użytkownik NASA
Liczba zbudowany 3

X-43 był eksperymentalny bezzałogowy naddźwiękowy samolot z wielu planowanych skali zmian przeznaczone do testowania różnych aspektów hipersonicznych lotu . Jest to część X płaszczyźnie serii, a zwłaszcza od NASA jest Hyper-X programu. Ustanowiła kilka rekordów prędkości dla samolotów odrzutowych . X-43 jest najszybszym odrzutowym samolotem w historii, osiągającym około 9,6 Macha.

Skrzydlata rakieta startowa z X-43 umieszczonym na górze, zwana „stosem”, została wystrzelona z samolotu Boeing B-52 Stratofortress . Po tym, jak rakieta wspomagająca (zmodyfikowany pierwszy stopień rakiety Pegasus ) doprowadził stos do docelowej prędkości i wysokości, został odrzucony, a X-43 odleciał swobodnie, korzystając z własnego silnika, scramjeta .

Pierwszy samolot z tej serii, X-43A, był pojazdem jednorazowego użytku, z którego zbudowano trzy. Pierwszy X-43A został zniszczony po awarii w locie w 2001 roku. Każdy z pozostałych dwóch latał z sukcesem w 2004 roku, ustanawiając rekordy prędkości, z odrzutowcami działającymi przez około 10 sekund, po których następowały 10-minutowe ślizgi i celowe zderzenia z oceanem. Plany dotyczące większej liczby samolotów z serii X-43 zostały zawieszone lub anulowane (i zastąpione przez program X-51 zarządzany przez USAF ).

Rozwój

X-43 był częścią programu Hyper-X NASA, angażującego amerykańską agencję kosmiczną i wykonawców, takich jak Boeing , Micro Craft Inc, Orbital Sciences Corporation i General Applied Science Laboratory (GASL). Micro Craft Inc. zbudował X-43A, a GASL zbudował jego silnik.

Jednym z głównych celów NASA Aeronautics Enterprise było opracowanie i demonstracja technologii lotu hipersonicznego z oddychaniem powietrzem. Po anulowaniu programu National Aerospace Plane (NASP) w listopadzie 1994 roku, w Stanach Zjednoczonych brakowało spójnego programu rozwoju technologii hipersonicznych. Jako jeden z „lepszych, szybszych i tańszych” programów opracowanych przez NASA pod koniec lat 90., Hyper-X wykorzystał technologię National Aerospace Plane, która szybko przeniosła go w stronę demonstracji hipersonicznego napędu oddychania powietrzem.

Hyper-X Phase I był programem NASA Aeronautics and Space Technology Enterprise prowadzonym wspólnie przez Langley Research Center w Hampton w stanie Wirginia i Dryden Flight Research Center w Edwards w Kalifornii . Langley był ośrodkiem wiodącym i odpowiedzialnym za rozwój technologii hipersonicznych. Dryden był odpowiedzialny za badania lotnicze.

Faza I była siedmioletnim programem, który kosztował około 230 milionów dolarów, mający na celu sprawdzenie w locie napędu scramjet , aerodynamiki hipersonicznej i metod projektowania.

Kolejne fazy nie były kontynuowane, gdyż samoloty serii X-43 zostały zastąpione w 2006 roku przez samoloty X-51 .

Projekt

Koncepcja artysty X-43A z scramjetem przymocowanym od spodu
Samolot startowy B-52B NASA startuje z naddźwiękowym pojazdem badawczym X-43A (27 marca 2004 r.)

Samolot X-43A była mała unpiloted testu pomiaru odległości ponad 3,7 m (12 ft) w nośniku długości . Pojazd był konstrukcją nadwozia nośnego, w której korpus samolotu zapewnia znaczną siłę nośną podczas lotu, zamiast polegać na skrzydłach . Samolot ważył około 1400 kg (3000 funtów). X-43A został zaprojektowany tak, aby w pełni sterować w locie z dużą prędkością, nawet podczas szybowania bez napędu . Jednak samolot nie został zaprojektowany do lądowania i odzyskania. Pojazdy testowe uderzyły w Ocean Spokojny po zakończeniu testu.

Podróżowanie z prędkością Macha wytwarza dużo ciepła ze względu na kompresyjne fale uderzeniowe związane z naddźwiękowym oporem aerodynamicznym . Przy dużych prędkościach Macha ciepło może stać się tak intensywne, że metalowe części płatowca mogą się stopić. X-43A zrekompensował to poprzez obieg wody za maską silnika i krawędziami natarcia ścian bocznych, chłodząc te powierzchnie. W testach cyrkulacja wody została aktywowana przy około 3 Macha.

Silnik

Pełnowymiarowy model samolotu X-43 w wysokotemperaturowym tunelu aerodynamicznym Langley .

Statek został stworzony, aby opracować i przetestować silnik strumieniowy o spalaniu naddźwiękowym lub silnik „ scramjet ”, odmianę silnika, w której spalanie zewnętrzne odbywa się w powietrzu przepływającym z prędkością ponaddźwiękową. Konstruktorzy X-43A zaprojektowali płatowiec samolotu jako część układu napędowego : przednia część jest częścią dolotowego powietrza, podczas gdy część rufowa działa jako dysza wylotowa.

Silnik X-43A był napędzany głównie paliwem wodorowym . W pomyślnym teście zużyto około jednego kilograma (dwa funty) paliwa. W przeciwieństwie do rakiet, pojazdy z napędem scramjet nie mają na pokładzie tlenu do zasilania silnika. Eliminacja konieczności przewożenia tlenu znacznie zmniejsza gabaryty i wagę pojazdu. W przyszłości takie lżejsze pojazdy będą mogły przewozić cięższe ładunki w kosmos lub przewozić ładunki o tej samej masie znacznie wydajniej.

Scramjets działają tylko z prędkościami w zakresie Mach 4,5 lub wyższym, więc rakiety lub inne silniki odrzutowe są wymagane, aby początkowo rozpędzić samolot napędzany scramjetem do tej prędkości bazowej. W przypadku X-43A samolot został rozpędzony do dużej prędkości rakietą Pegasus wystrzeloną z przebudowanego bombowca Boeing B-52 Stratofortress . Połączony pojazd X-43A i Pegasus został nazwany „stosem” przez członków zespołu programu.

Silniki w pojazdach testowych X-43A zostały specjalnie zaprojektowane dla określonego zakresu prędkości, które są w stanie skompresować i zapalić mieszankę paliwowo-powietrzną tylko wtedy, gdy przepływ powietrza jest zgodny z oczekiwaniami. Pierwsze dwa samoloty X-43A były przeznaczone do lotu z prędkością około 7 machów, podczas gdy trzeci został zaprojektowany do operowania z prędkością większą niż 9,8 machów (10 655,3 km/h; 6 620,9 mph) na wysokości 30 000 m (98 000 stóp) lub większej.

Testy operacyjne

Obraz CFD X-43A przy Mach 7
X-43A zrzucony spod skrzydła B-52B Stratofortress

Pierwszy test NASA X-43A przeprowadzony 2 czerwca 2001 roku nie powiódł się, ponieważ rakieta Pegasus straciła kontrolę około 13 sekund po wypuszczeniu go z lotniskowca B-52. Rakieta doświadczyła oscylacji sterowania, gdy przeszła w stan transsoniczny , co ostatecznie doprowadziło do awarii sterburtowego elevonu rakiety . To spowodowało, że rakieta znacznie zboczyła z zaplanowanego kursu i została zniszczona ze względów bezpieczeństwa. Śledztwo w sprawie incydentu wykazało, że do wypadku przyczyniły się nieprecyzyjne informacje o możliwościach rakiety, a także o środowisku jej lotu. Kilka nieścisłości w modelowaniu danych dla tego testu doprowadziło do niewystarczającego systemu sterowania dla konkretnej użytej rakiety Pegasus, chociaż nie można było ostatecznie obwiniać jednego czynnika za awarię.

W drugim teście w marcu 2004 r. Pegasus wystrzelił z powodzeniem i wypuścił pojazd testowy na wysokości około 29 000 metrów (95 000 stóp). Po rozdzieleniu wlot powietrza do silnika został otwarty, silnik odpalił, a następnie samolot przyspieszył od rakiety osiągając 6,83 Macha (7455,75 km/h; 4632,79 mph). Paliwo płynęło do silnika przez 11 sekund, czas, w którym samolot przebył ponad 24 km (15 mil). Po oddzieleniu dopalacza Pegasus pojazd doświadczył niewielkiego spadku prędkości, ale silnik scramjet później przyspieszył pojazd w locie wznoszącym. Po wypaleniu, kontrolerzy nadal byli w stanie przez kilka minut manewrować pojazdem i manipulować urządzeniami sterującymi lotem; samolot, spowolniony przez opór powietrza, wpadł do oceanu. Dzięki temu lotowi X-43A stał się najszybszym na świecie latającym swobodnie powietrzem samolotem.

NASA obleciała trzecią wersję X-43A 16 listopada 2004 r. Zmodyfikowana rakieta Pegasus została wystrzelona ze statku-matki B-52 na wysokości 13 000 m (43 000 stóp). X-43A ustanowił nowy rekord prędkości 9,64 Macha (10 240,84 km/h; 6 363,36 mph) na wysokości około 33 500 m (110 000 stóp), a następnie przetestował zdolność pojazdu do wytrzymania obciążeń cieplnych.

Części zamienne

W styczniu 2006 r. USAF ogłosiły zastosowanie i wystrzelenie rakiety z kontynentalnych Stanów Zjednoczonych lub pocisku wielokrotnego użytku FALCON scramjet.

W marcu 2006 roku ogłoszono, że Air Force Research Laboratory (AFRL) naddźwiękowy silnik spalinowy „WaveRider” został oznaczony jako X-51A. Boeing X-51 USAF został po raz pierwszy oblatany 26 maja 2010 roku, zrzucony z B-52.

Warianty

Po testach X-43 w 2004 r. inżynierowie NASA Dryden powiedzieli, że spodziewają się, że wszystkie ich wysiłki zakończą się produkcją dwustopniowego pojazdu z załogą na orbicie za około 20 lat. Naukowcy wyrazili wiele wątpliwości, czy w przewidywalnej przyszłości pojawi się załogowy pojazd jednostopniowy na orbitę, taki jak National Aerospace Plane (NASP).

Inne pojazdy X-43 były w planach, ale od czerwca 2013 zostały zawieszone lub anulowane. Oczekiwano, że będą miały taką samą podstawową konstrukcję nadwozia jak X-43A, chociaż oczekiwano, że samolot będzie miał umiarkowanie lub znacznie większy rozmiar.

X-43B

Oczekiwano, że X-43B będzie pojazdem pełnowymiarowym, wyposażonym w silnik o cyklu łączonym opartym na turbinie (TBCC) lub silnik o cyklu łączonym opartym na rakietach (RBCC) ISTAR . Turbiny odrzutowe lub rakiety początkowo rozpędzały pojazd do prędkości ponaddźwiękowej. Silnik strumieniowy może przejąć kontrolę, zaczynając od 2,5 Macha, a silnik przestawia się na konfigurację scramjet przy około 5 Macha.

X-43C

X-43C byłby nieco większy niż X-43A i miał przetestować żywotność paliwa węglowodorowego, prawdopodobnie z silnikiem HyTech . Podczas gdy większość projektów scramjet wykorzystuje wodór jako paliwo, HyTech działa na konwencjonalnych paliwach węglowodorowych typu nafty, które są bardziej praktyczne do obsługi pojazdów operacyjnych. Planowano budowę pełnowymiarowego silnika, który do chłodzenia będzie wykorzystywał własne paliwo. Układ chłodzenia silnika działałby jak reaktor chemiczny, rozbijając długołańcuchowe węglowodory na krótkołańcuchowe węglowodory w celu szybkiego spalania.

X-43C został zawieszony na czas nieokreślony w marcu 2004 roku. Powiązana historia informuje o zawieszeniu projektu na czas nieokreślony i pojawieniu się kontradmirała Craiga E. Steidle'a przed przesłuchaniem w podkomisji House Space and Aeronautics 18 marca 2004 roku. W połowie 2005 roku X-43C został zawieszony na czas nieokreślony. -43C wydawało się być finansowane do końca roku.

X-43D

X-43D byłby prawie identyczny z X-43A, ale zwiększył zakres prędkości do 15 machów. We wrześniu 2007 r. Donald B. Johnson z Boeinga i Jeffrey S. Robinson z NASA przeprowadzili tylko studium wykonalności . Centrum Badawcze Langley . Według wstępu do badania „Celem X-43D jest zbieranie informacji o środowisku lotu o wysokiej liczbie Macha i pracy silnika, które są trudne, jeśli nie niemożliwe, do zebrania na ziemi”.

Zobacz też

Samoloty o porównywalnej roli, konfiguracji i epoce

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

  • Bentley, Matthew A. Samoloty kosmiczne: z lotniska do kosmodromu (wszechświat astronomów). Nowy Jork: Springer, 2008. ISBN  978-0-38776-509-9 .
  • Swinerd, Graham. Jak latają statki kosmiczne: lot kosmiczny bez formuł. Nowy Jork: Springer, 2010. ISBN  978-1-44192-629-6 .

Linki zewnętrzne