『X檔案』：從X-1到X-50 － 《美國 X 系列試驗飛行器簡史》

克里斯Chris

X檔案：從X-1到X-50
－－美國 X 系列試驗飛行器簡史



文章來源：空軍之翼

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英文字母 X 是「Experimental」這個單詞的縮寫，即「試驗的」之意，同時也蘊涵著「未知的」深層含義。在飛行器設計領域，未知的技術障礙與難題比比皆是，即使是通過風洞、模擬器和計算機也只能構建出一個理想狀態下的模型而已，所以必須研製出專門用途的試驗機去探索那些未知領域。

　　為了探索航空航天領域眾多的未知領域，美國人開始了 X 系列試驗飛行器的研究工作。1945 年初，世界上第一架火箭動力試驗機 XS-1（後來命名為 X-1）在美國軍方的資助下首飛成功。這之後，X-3、X-4、X-5 等一大批試驗飛行器相繼飛上了藍天。在隨後近三十年的發展過程中，以 X 冠名的試驗飛行器幾乎每年都要研製一種，其研製速度也快得驚人，這段時間因而也成為了 X 系列試驗飛行器發展的黃金時期。

　　越南戰場上的節節失敗和蘇聯全球範圍內的戰略緊逼，讓美國開始進入戰略調整階段。在這種大環境下 X 系列試驗飛行器的研製計劃也陷入了停頓，從 1971 年至 1983 年美國沒有進行任何一種 X 型試驗機的研製工作。

　　強硬的裡根總統上台後，沉寂了多年的 X 系列試驗飛行器計劃終於迎來了轉機，1984 年 X-29A 前掠翼試驗機的首飛成功重新拉響了美國向未知航空航天領域前進的號角。僅在上個世紀九十年代的十年間，就先後有 14 種 X 型試驗飛行器投入研製，X 系列試驗飛行器計劃的第二個黃金發展時期來到了。

　　今天，X 系列試驗飛行器已經不再單純以「更高、更快」作為其發展目標了，跨大氣層飛行器、太空營救系統、無人隱形武器投送平台等成為新的發展亮點。可以肯定的是，在未來的日子裡我們一定會看到越來越多更加先進的 X 系列試驗飛行器飛上藍天……

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X-1

　　X-1 試驗飛機作為人類歷史上一種劃時代的飛機，不僅僅是因為它的速度超過了音速，也是因為它是世界上第一種純粹為了試驗目的而設計製造的飛機。X-1 最初設想來自於 20 世紀 30 年代末飛機設計領域所遇到的問題，當時建造的風洞已經不能滿足飛機在亞音速和超音速飛行條件下各種參數的正確搜集，因而研製一種專用的飛行試驗機勢在必行。

　　貝爾飛機公司製造的 3 架 X-1 機長 9.45 米，機高 3.35 米，翼展 8.53 米，其機身形狀與 12.7 毫米機槍子彈極其相似，這樣可在超音速飛行時保持機體的穩定。X-1 的機翼為平直翼，翼面厚度很小。XLR-11 火箭發動機為其提供動力，其燃料為液氧與酒精和水的混合物。X-1-1、X-1-2 於 1945 年相繼出廠開始了試驗飛行，與此同時 NACA（美國國家航空咨詢委員會，美國國家航空航天局 NASA 的前身）也加入了 X-1 項目的研製工作。

　　1947 年 10 月 14 日，試飛員查理斯.耶格爾駕駛 X-1-1 在 43,000 英尺的高空飛出了 1.06 馬赫的高速，從而邁出了人類超音速飛行的第一步。不久，X-1-2 在飛行試驗中速度也超過了音速。1950 年 5 月 12 日，X-1-1 在耶格爾的駕駛下完成了最後一次試驗光榮退休了。隨後，X-1-2 也停止了飛行開始進行改造。NACA 的工程師們為 X-1-2 設計了新的機翼和新型的渦輪泵燃油系統，另外還將試飛員從側面艙門進入駕駛艙的設計改為向上開啟的座艙蓋，這樣 X-1-2 就成為了 X-1E。X-1E 是用來驗證薄翼氣動特性的，它是第一架採用 4% 機翼厚度飛行成功的飛機。另外還有必要提一下 X-1-3，由於其燃料供給系統進行了改進，所以其理論最高速度可以達到 2.4 馬赫，遠遠超過了前兩者。但這架 X-1-3 運氣不太好，在一次試飛中由於燃料洩漏事故和載機 B-50 一起在空中炸成了碎片。X-1 總共試驗飛行了 157 次，最大飛行速度達到 1.45 馬赫，最大飛行高度 21,000 米。

　　貝爾飛機公司之後又建造了四架經過改進的 X-1，其中 X-1A 進行動力穩定試驗，X-1B 進行空中載荷研究，X-1C 搭載機炮進行武器測試（實體模型階段被取消），X-1D 則進行傳熱研究。X-1D 和 X-1A 先後在試驗過程中爆炸墜毀，事後調查發現和 X-1-3 一樣都是因為液氧油箱中皮革墊圈引起的，所以隨後 X-1B 和 X-2 機體上的皮革墊圈全部被除去。多次馬赫 2 的飛行試驗後，X-1B 在 1957 年被改裝用來進行反應控制系統（RCS，Reaction Control System）的試驗。它的翼尖上被裝上了數枚過氧化氫火箭，當動態壓力對於常規空氣動力控制過小的時候，其後機身和機尾就會提供控制，這些成果為隨後 X-15 的發展提供了寶貴的經驗。

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X-2

　　X-2 試驗機項目於 1945 年由貝爾飛機公司、美國陸軍航空隊、NACA 共同承擔研製任務，它是一種裝備火箭發動機、後掠翼的試驗用機，其主要用途是為了研究飛行器在高空高速飛行條件下的氣動力加熱對機體結構的影響，以及飛行穩定性和操控有效性。

　　X-2 機長 13.84 米，機高 3.60 米，翼展 11.55 米。其機身使用了不銹鋼和 K-monel（一種銅鎳合金）材料，其動力為一台寇蒂斯 XLR25 液體火箭發動機。鑒於早期 X-1 發生的事故，X-2 為飛行員安裝了一個逃生艙。在緊急情況下，逃生艙可脫離主機身並打開穩定降落傘。當逃生艙降落到一定高度的時候，飛行員再可打開艙蓋自行跳傘逃生。即便如此，一架 X-2 還是在一次燃料洩漏事故中發生了空中爆炸，試飛員當場死亡。


　1956 年 4 月 25 日，試飛員埃伯依斯特駕駛 X-2 在試驗飛行中首次超過了音速，達到 1.4 馬赫。在隨後的飛行中，X-2 又達到了 2.53 馬赫的高速。7 月 23 日，埃伯依斯特進行了最後一次 X-2 飛行，在 20,800 米的高空達到了 2.87 馬赫，這次飛行讓他獲得了「世界上飛得最快的人」的光榮稱號。這還沒有完，9 月 7 日另一位試飛員金切洛駕駛 X-2 飛到了 38,500 英尺的高空，也為自己贏得了「世界上第一位太空人」的稱號（該記錄後來被 X-15 所打破）。

　　9 月 27 日，埃伯依斯特剛保持了兩個多月的速度記錄就被另一名試飛員梅爾本.阿普特打破了。在當天的試驗飛行中，X-2 在阿普特的駕駛下達到了 3.196 馬赫。也許是被打破記錄的喜悅沖昏了頭腦，阿普特讓 X-2 來了個空中急轉彎，以便能更快的返回愛德華茲空軍基地，但這個急轉彎讓飛機的控制系統失靈並進入了螺旋。阿普特試圖重新控制住飛機，但沒有成功。在即將墜毀的一瞬間，阿普特按下了逃生艙脫離的按鈕，但為時已晚他與 X-2 重重的摔在了地上。

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X-3

　　道格拉斯飛機公司研製的 X-3 機長 20.36 米，機高 3.81 米，翼展 6.92 米，其外形就像一把短劍，是早期 X 系列試驗飛機中外形最流暢的。與 X-1、X-2 不同，X-3 是借助自身的動力起飛和降落，並能保持進行 2 馬赫巡航飛行。X-3 機體結構首次嘗試大量使用鈦合金，同時還進行了低展弦比、高翼載機翼的可行性研究。X-3 的機身細長機翼短粗，這是當時美國正在研製中的戰鬥機的典型佈局。後來，F-104「星」戰鬥機的翼形就是取自 X-3。

首架 X-3 於 1952 年 9 月 11 日出廠，而第二架 X-3 則因為發動機動力不足和機體問題被中途取消，部分完成的機體作為首架機的備件使用。在愛德華茲空軍基地進行的試飛試驗中，試飛員認為 X-3 的兩台威斯汀豪斯 J34-WE-17 渦輪噴氣發動機動力嚴重不足而且飛機本身操控性也很糟糕。X-3 的首次超音速飛行是在以 15 度的角度進行俯衝時獲得的，當時的速度只有可憐的 1.1 馬赫。而它在隨後飛行中達到的最快速度也僅為 1.208 馬赫，當時的 X-3 正處於 30 度的俯衝狀態。

　　X-3 在試驗飛行中，經常會出現「滾轉耦合」的問題，即在進行一個軸上的機動時就會引起另外兩個軸上不受控制的機動。當時 F-100 戰鬥機也經常碰到這樣的問題，NACA 隨即在 X-3 上對「滾轉耦合」問題進行了深入的研究。

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X-4

　　洛斯羅普飛機公司的 X-4 主要是用來驗證半無尾翼超音速飛行的可行性，當時許多人認為這樣一種取消了水平尾翼的設計將能避免超音速飛行時機翼和水平尾翼之間振蕩波的相互干擾。

　　X-4 機體相當小巧，機長僅為 7.07 米，機高 4.54 米，翼展 5.15 米，只能容納兩台 J30 噴氣發動機、一名飛行員和必要的設備，攜帶的油料也只能維持 45 分鐘。不過小也有小的好處，X-4 幾乎所有的地面維護工作都可以不需要登機梯或腳凳來完成，地勤人員站在地面上就可以很容易的看到機艙內部的情況。


　第一架 X-4 於 1948 年 12 月 15 日首飛，但由於飛行狀態極不穩定很快就被停飛了。第二架 X-4 也好不到那兒去，經常會在 0.8 馬赫速度飛行時出現機體上下振動的問題，為此試飛員自嘲駕駛 X-4 就像是駕駛汽車行駛在「搓衣板」上一樣。儘管後來經過工程人員的改進，X-4 暫時克服了偏振的問題，但當它的速度達到 0.91 馬赫的時候，問題又出現了。X-4 的飛行試驗證明，半無尾翼飛機不適合接近馬赫 1 的飛行。後來，計算機電傳系統的出現讓後掠翼無尾翼設計再次火了起來，X-36、F-117A 等都採用了這樣的設計，儘管它們的外形和 X-4 相比已經是發生了巨大的變化。

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X-5

　　貝爾飛機公司的 X-5 將研究的重點轉向了變後掠翼。X-5 在外形上大量借鑒了德國在二戰期間研製的 P.1101，都是機頭進氣、氣泡式座艙和下置發動機設計。X-5 的機翼可在 20～60 度之間變換，總共需要 20 秒鐘。當電動後掠裝置失效後，飛行員可使用手閘完成掠翼工作（X-5 只能在低於 40 度的後掠角度下安全著陸）。X-5 機長 10.18 米，機高 3.66 米，翼展為 6.34 米。


1951 年 6 月 20 日，X-5 在愛德華茲空軍基地完成了首飛。在第 9 次試飛中，X-5 首次成功完成了空中掠翼動作。由於艾立森 J35-A-17A 渦輪噴氣發動機安裝位置較低，X-5 經常會出現螺旋。1953 年 10 月 13 日，試飛員雷蒙德.帕普森在 X-5 的螺旋事故中沒有成功改出，最終機毀人亡。螺旋的頻繁出現並不是變後掠翼的問題，而是 X-5 機體設計上的缺陷造成的。

　　從上個世紀六十年代開始，逐漸成熟的變後掠翼開始大行其道。憑藉著 X-5 的豐厚技術積累，美國先後研製出了 F-111 戰鬥轟炸機、F-14 戰鬥機以及 B-1 轟炸機，所以可以這麼說，X-5 是美國變後掠翼飛機的共同「祖先」。


NACA 的早期試驗機，從左至右依次是 D-558-2、D-558-1、X-5、X-1、XF-92、X-4

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X-6

　　在那個核力量至高無上的年代裡，美國空軍甚至開始考慮將核反應堆作為飛機的動力來源，以獲得超長的飛行能力。X-6 項目正是在這種背景下出台的，按照美國空軍和美國原子能委員會的最初設想，X-6 以 B-36 轟炸機為基礎，安裝一台通用電氣 P-1 型核反應堆，其產生的熱能將帶動四台通用電氣 J47 渦輪噴氣發動機運轉，從而為 X-6 提供飛行動力。


　等美國人開始認真考慮 X-6 計劃的時候，他們才發現這種飛機在未來的戰爭中只能成為懸在自己頭上的「核炸彈」，其安全性得不到很好的保證。很快 X-6 就被取消了，只留下一大堆原始方案圖紙。此時，作為 X-6 的前期研究技術儲備的 NB-36H 核動力飛機已經安全飛行了 47 次。

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X-7

　　洛克希德導彈與空間公司研製的 X-7 主要用來進行高速沖壓噴氣發動機的研究工作，其主要型號有 X-7A-1、X-7A-3 和 X-7B。X-7 體形很獨特，其長度為 9.99 米，翼展為 6.34 米，因而常被人戲稱作「飛行大煙囪」。試驗飛行時，X-7 會由載機 B-29 或 B-50 升入空中，然後脫離載機其尾部助推器點火發動從而自行飛行。沖壓發動機開始工作後，助推器則隨即與 X-7 脫離。

　　在長達 9 年的試驗飛行中（1951 年 4 月首飛），X-7 除了進行沖壓發動機的測試外還進行了導航與控制試驗、助推器推進試驗、高速降落傘試驗、熱力學試驗等諸多研究科目。美國空軍、陸軍和海軍均參與了 X-7 的試驗飛行，這在 X 系列試驗飛機研製史上是不多見的。X-7 是世界上第一架採用沖壓噴氣發動機速度達到 3 馬赫的飛行器。

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X-8

　　X-8（海軍代號為飛行蜜蜂 Aerobee）是一種十分廉價的無制導探空火箭，長度為 6.12 米，直徑為 0.38 米。在其頭錐內攜帶有各種光學、大氣、生物等試驗設備，以搜集關於太陽輻射、高空風、地球磁場和火箭空氣動力學等方面的數據。X-8 裝備有 RTV-N10 型液體燃料火箭發動機和固體燃料助推器，最大速度可達 6 馬赫。

X-8 可將 70 千克重的試驗設備送入 200,000 米的高空，而且這些設備還能夠通過火箭頭錐降落傘被地面回收。從 1947 年 11 月首飛至今，美國通用航空噴氣機公司總共製造了 900 枚以上執行各種軍用、民用任務的 X-8。

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X-9

　　1947 年 5 月，貝爾飛機公司獲得了一份研製 ASM-A-2「淘氣鬼」空對地核導彈（後來其編號更改為 B-63/GAM-63）的合同。之後不久，為了測試該導彈的常規航空動力學設計、無線電控制系統、火箭推進裝置等，縮比試驗型 RTV-A-4「伯勞鳥」（一種兇猛的食肉鳥類）研製成功。RTV-A-4 的動力系統為一台貝爾 XLR65-BA-1 液體火箭發動機，由一架 EB-50D 載機帶入空中並釋放，其後飛行通過載機上控制人員遙控完成。RTV-A-4 的射程為 80 公里，最大速度可達到 1.5 馬赫。

1951 年，RTV-A-4 被更名為 X-9，其試驗飛行一直持續到 1953 年 1 月。X-9 長為 6.94 米，直徑為 0.57 米，其最大速度提高至 2 馬赫。由於 X-9 的進展異常順利，貝爾飛機公司甚至開始設想用它來取代 B-63 並將其改裝為空對地核導彈。但最後由於 X-9 射程和載荷都偏小而被放棄。