[航天史話]6.7馬赫的冷戰黑科技——X-15火箭飛機的故事

知識 02-18

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X-15高超音速火箭飛機幫助太空梭鋪平了通往太空之路，該機被尼爾·阿姆斯特朗稱讚為「史上最成功的研究飛機」，本文就來回顧一下這種「有人駕駛火箭」的傳奇故事。

本文原載於「空軍之翼」，

原作者Armstrong，原作者保留一切權力。

　　自從1947年查克·耶格爾駕駛貝爾X-1達到1.06馬赫後，人類飛行紀錄在50年代初向前推進的速度相當緩慢，距離實現太空飛行的夢想還很遙遠。

X-15高超音速火箭飛機幫助太空梭鋪平了通往太空之路，該機被尼爾·阿姆斯特朗稱讚為「史上最成功的研究飛機」

高超音速

　　為了解決這個問題，貝爾飛機公司首席設計師羅伯特·J·伍茲在1951年10月向美國國家航空諮詢委員會（NACA，NASA的前身）建議啟動高超音速飛機研究，這種飛機的飛行速度和高度都將遠遠超過之前任何機型，能觸及太空邊緣。

　　到1952年中期，NACA已經制定出這種研究飛機的關鍵參數，要求飛行高度19-80公里，飛行速度4-10馬赫。如能實現，這將是世界上第一架太空飛機。

　　當時存在一個重要觀點：未來的載人航天飛行將通過某種可重複使用的太空飛機實現。NACA計劃分三步來實現這個宏偉計劃：第一步，超音速飛行；第二步，高超音速飛行；最後一步，把宇航員送入地球軌道。

　　這種研究飛機將被用於收集高超音速飛行中氣流和氣動加熱數據、驗證高超音速操控性和穩定性、測試在地球大氣層外飛行時的操控響應、評估再入技術和飛行儀錶，以及人為因素對高超音速飛行的影響。更重要的是，該機將驗證之前在地面風洞和實驗室中獲得的高超音速飛行數據的準確性。

　　伍茲的建議很快獲得了高層接納，1954年初，美國空軍和海軍都收到一份更具體的建議，兩軍都表示會提供支持。12月，美國空軍邀請幾家承包商來參加X-15項目的競標，1955年9月北美航空（NAA）公司獲勝，獲得了製造三架飛機的合同。反應發動機公司（1958年起更名為Thiokol）則在1956年2月被授予研製配套的XLR99火箭發動機的合同。到1956年底，北美製作的全尺寸模型已經通過設計和結構評審，1957年末開始製造第一架X-15，1958年10月X-15-1下線。

X-15在研製時有兩種方案：三角翼和常規布局，最後選擇了常規布局

1966年NASA機棚中的各種研究機，其中就有X-15三兄弟

有人駕駛火箭

　　X-15的機身修長而光滑，除了有個相當突兀但非常必要尾翼組件外，看上去就是一枚有人駕駛火箭。這架飛機基本上就是一個飛行的火箭燃料箱，只是在尾部安裝了一台火箭發動機，在頭部放進了一名飛行員。該機中置梯形後掠翼的翼展只有6.81米，除後緣襟副翼外沒有其他可動操縱面。該機不同尋常的尾翼組件集成了穩定尾翼和氣動操控面，與傳統飛機相比，垂尾和腹鰭又大又厚，截面呈楔形，前緣鋒利，後緣為一個平面，能高超音速飛行和再入過程中提供必要的穩定性。垂尾和腹鰭上還集成了大型全動方向舵，一個在垂尾頂部，一個在腹鰭底部，垂尾和腹鰭根部兩側還安裝了減速板。後機身兩側是兩片下反全動平尾，提供俯仰和滾轉控制。

X-15三面圖

　　X-15的起落架也非比尋常，前起落架是可收放雙輪結構，但無自主轉向功能，主起落架則是兩個滑撬，向前收入腹鰭兩側的機身內。為了在觸地時不至於擦尾，X-15在降落前需要先拋掉腹鰭方向舵，讓方向舵獨自傘降落地，不過不是每次都能成功。滑橇位於機尾，接觸湖床後在阻力的作用下就能使前起落架立即觸地，避免發生任何彈跳現象。

滑橇位於機尾，接觸湖床後在阻力的作用下就能使前起落架立即觸地，避免發生任何彈跳現象

　　X-15的內部結構使用鈦合金製造，外部蒙皮則使用一種被稱為「因科內爾-X」的鉻鎳合金製成，可承受高達650度的高度。X-15無自主升空能力，只能掛在B-52母機的機翼下方從空中發射。

在發射時B-52轟炸機需要掛載著X-15從加州愛德華茲空軍基地起飛，然後飛到猶他州的發射點發射

發動機和燃料

　　X-15的XLR99火箭發動機結構相對簡單，活動部件很少，卻是第一種具有節流閥的火箭發動機，而且能在飛行中重新啟動。XLR99在研製中遭遇難題，導致出現延誤，好在反應發動機公司憑藉豐富的火箭發動機研發經驗，最終研製成功。XLR99重408千克，長2.13米，其中噴管就佔去了0.61米。

XLR-99-RM2火箭發動機

XLR99火箭發動機的噴管內側

　　在X-15的機身內，7.62米長的燃料箱佔去了15.24米機身長度的一半，蒙皮就是燃料箱內壁，並使用氦氣加壓。燃料箱可裝大約3785升液氧和5300升液氨，由一個過氧化氫驅動的渦輪泵以每秒148升的速率噴入燃燒室，產生大約27215千克推力。根據推力大小，發動機燃燒時間為70-80秒或240-270秒。X-15的平均飛行時間是7-8分鐘，最長一次飛行剛剛超過12分鐘28秒。

在X-15的機身內，7.62米長的燃料箱佔去了15.24米機身長度的一半

座艙

　　雖然從外表看，X-15的座艙似乎很狹小，但這只是低矮座艙蓋帶來的錯覺，座艙內部空間實際上比當時大多數戰鬥機都大。這個座艙的視野極其有限，飛行員只能通過兩片楔形風擋玻璃看到前方和兩側的有限區域，無法以機鼻和機翼作為視覺姿態參考，想要看見地面就只能壓坡飛行。所以在X-15降落的最後階段，跟蹤機上的飛行員會持續向X-15飛行員通報高度和其他參數，幫助他安全降落。X-15座艙後方是一個大型儀器艙，用於進行各種科學實驗，為未來太空項目收集有用信息。

座艙的視野極其有限，飛行員只能通過兩片楔形風擋玻璃看到前方和兩側的有限區域，無法以機鼻和機翼作為視覺姿態參考

　　X-15飛行員需要身穿壓力服飛行員，座艙在10670米以上高度時會自動充氮氣增壓，同時向飛行員供氧。飛行員坐在一個彈射座椅上，最大彈射速度達4馬赫（約4830公里/小時），最大彈射高度36580米。座椅在彈出後會展開翼面穩定姿態，等將到適合的速度和高度時再張開主傘，讓飛行員與座椅分離。許多人懷疑該座椅在4馬赫速度下究竟能不能成功彈射，不過沒人能實際測試一下。

X-15的彈射座椅

座椅在彈出後會展開翼面穩定姿態，等將到適合的速度和高度時再張開主傘

飛控

　　X-15採用常規的液壓飛行控制系統（FCS）。由於X-15要在稀薄大氣環境中飛行，此時氣動操縱翼面已經無效，所以也配備了反推力系統（RCS），在機鼻和兩側翼尖都安裝了兩個噴射方向相反的火箭推進器。此外，X-15還配備了增穩系統（SAS），能在飛行中自動控制操縱翼面，幫助飛行員維持飛行姿態。

由於X-15要在稀薄大氣環境中飛行，此時氣動操縱翼面已經無效，所以也配備了反推力系統（RCS）

　　X-15在整個服役期間先後使用過兩種不同的飛控系統：第一種有三根不同的操縱桿，第二種精簡到一根操縱桿。在第一種系統中，除了傳統中置操縱桿和方向舵踏板外，右側控制台上還有一根與方向舵交聯的側桿。這根側桿最初被設計用於大過載飛行，但飛行員實踐下來覺得側桿比中置操縱桿還要好用，於是此後只使用側桿，使中置操縱桿變成了多餘。第三根操縱桿是位於左側控制台上的另一根側桿，用於控制反推力系統，可以手動或自動模式操作。後一種模式會同時啟動反推力增強系統（RAS），幫助X-15在高空進行穩定飛行，一般用於動力飛行期間。

X-15-1的座艙內有三根不同的操縱桿

　　第二架X-15更換了霍尼韋爾公司的MH-96飛控系統，把操縱桿數量減少到了一根，將氣動和反推力控制功能合二為一，可根據飛行狀態自動控制。第三架X-15-3同樣安裝了這種飛控，並且改進了從氣動飛行過渡到太空飛行以及大氣層再入的控制精度，同時還降低了飛行員的工作量。結果，X-15-3被用於執行所有高度超過82300米的試飛任務。

第二架X-15更換了霍尼韋爾公司的MH-96飛控系統，把操縱桿數量減少到了一根

飛向高邊疆

　　第一架X-15（X-15-1）在1959年6月8日完成首飛，由一架B-52母機攜載升空，釋放後進行了4分56秒的無動力滑翔飛行。首飛試飛員是斯科特·克羅斯菲爾德，他是一名前NACA試飛員，現為北美航空工作。作為過渡方案，X-15-1和X-15-2都先安裝上反應發動機公司的XLR11發動機。1959年9月17日，克羅斯菲爾德駕駛X-15-2完成了首次動力飛行。

斯科特·克羅斯菲爾德

發射後直線爬升的X-15

作為過渡方案，X-15-1和X-15-2都先安裝上反應發動機公司的XLR11發動機

　　X-15-2在1959年11月5日進行第三次飛行，飛機在13400米與母機分離後，克羅斯菲爾德在啟動發動機時一個下方燃燒室爆炸並燃起大火，於是駕駛飛機緊急迫降在羅莎蒙德干湖床。由於大火造成結構損傷，X-15-2的機身在前起落架觸地時折斷，幸運的是飛行員毫髮無傷。雖然出了這麼大的事故，X-15-2在三個月內就被修復，準備好再次飛行。

　　沒有安裝發動機的X-15-3在1959年6月29日抵達愛德華茲空軍基地，隨後在1960年裝上了全新的XLR99火箭發動機。同時，X-15-2退出試飛去換裝新發動機。1960年6月8日，X-15-3進行第二次地面試車，由於一個小部件發生故障導致發動機爆炸，整個後機身被炸毀，座艙里的克羅斯菲爾德幸運逃脫。

　　新發動機的首次試飛發生在1960年11月15日，克羅斯菲爾德駕駛X-15-2以14000米/0.83馬赫的狀態與母機分離。雖然他只開了一半推力，X-15-2還是直衝雲霄並一直加速到2.97馬赫，爬升到24750米高空。X-15-3在修復完畢後於1961年12月做了首次飛行，試飛員是尼爾·阿姆斯特朗，這是X-15項目的第46次飛行。

X-15-2脫離載機後開啟XLR99發動機

尼爾·阿姆斯特朗與X-15

　　此後項目漸入佳境，XLR99暴露出的問題被一一解決，證明了自己是一台優秀的火箭發動機。X-15團隊向高邊疆挺近。

　　但這不意味著試飛會平安無事，1962年11月9日，約翰·「傑克」·麥凱駕駛X-15-2試飛，他無法獲得火箭發動機的全部推力，XLR99對油門控制沒有反應，卡在了30%推力狀態。於是麥凱駕機迫降，結果X-15-2在迫降中發生翻滾，飛機被嚴重損壞，麥凱也身受重傷。X-15-2在維修重建期間被升級成X-15A-2，並在1964年6月進行了新構型的首次飛行。X-15A-2的機身加長了73.66厘米，腹鰭下方可增加一台衝壓噴氣發動機，機身兩側可掛兩個燃料箱。

麥凱駕機迫降，結果X-15-2在迫降中發生翻滾，飛機被嚴重損壞，麥凱也身受重傷

X-15-2在維修重建期間被升級成X-15A-2

X-15A-2的機身加長了73.66厘米，腹鰭下方可增加一台衝壓噴氣發動機，機身兩側可掛兩個燃料箱

X-15A-2的尾部修改

　　X-15項目在第191次飛行中遭遇首次死亡事故，X-15-3在高超音速飛行中陷入螺旋，後機身斷裂，飛機在40秒內下降了30000米，導致飛行員麥克·亞當斯遇難。

邁克爾?亞當斯少校

X-15-3的後機身殘骸

　　在X-15-2維修重建期間，X-15-1又完成了8次飛行。此時有人開始質疑X-15項目付出如此高昂的代價是否值得，且不論巨大的飛行風險，該機每次發射的費用就估計高達60萬美元。1966年，NASA同意承擔X-15項目的大部分費用，但直到1968年底才被批准，看起來留給X-15項目的時間不多了。

　　由於維修和天氣問題，在1968年下半年完成第200次飛行的計劃被推遲了10次，直到最後也沒有實現。12月20日，X-15被從B-52的機翼下方卸下，在完成了199次飛行後（最後一次由比爾·達納駕駛在10月24日進行），X-15項目宣告結束。

飛行員

　　克羅斯菲爾德完成工廠試飛把X-15移交給NASA後，還有其他11名試飛員駕駛過X-15，其中5人來自美國空軍，1人來自美國海軍，5人來自NASA。毫無疑問他們都是太空先鋒，同時也是傑出的工程師和飛行員。

毫無疑問他們都是太空先鋒，同時也是傑出的工程師和飛行員

　　後來，這批飛行員中有的為NASA的未來太空項目做出了貢獻，有的在先進飛機研製項目中繼續擔任試飛員，有的則返回部隊並參加越戰。其中就有在1069-71年間擔任「企業」號航母艦長，後來官至海軍上將的福雷斯特·彼得森，他一生參加了二戰、朝鮮戰爭和越南戰爭這三次戰爭。尼爾·阿姆斯特朗擔任了「雙子座8」和「阿波羅11」兩次任務的指揮官，並成為了登月的第一人。喬·恩格勒成為太空梭試飛員，並擔任太空梭STS-2和STS-51-1兩次任務的指揮官。

創紀錄

　　8名不同的飛行員完成的13次飛行符合美國空軍的太空飛行規定，也就是高度達到50英里（80公里）。他們中的美國空軍飛行員被授予了宇航員之翼資格章，但平民飛行員們直到2005年才獲得了同樣的認可。

宇航員之翼徽章

　　不過這13次飛行中只有兩次被國際航空聯合會（FAI）承認為是高度超過100公里的太空飛行，這兩次飛行都由約瑟夫·沃克駕駛X-15-3完成的。其中第一次是1963年7月進行的第90次飛行，高度達到了106公里。一個月後，沃克在第91次飛行飛到了108公里高度，讓X-15成為名副其實的太空飛機。直到近20年後，這個紀錄才被進入地球軌道的「哥倫比亞」號太空梭打破。

　　X-15-3負責創造高度紀錄，X-15-2則成為了速度神話。1961年6月23日，羅伯特·懷特駕駛X-15-2在第38次飛行中成為地球上第一名飛行速度超過5馬赫的飛行員，達到了5.27馬赫（5802公里/小時）。幾個月後，懷特駕駛同一架飛在11月9日的第45次飛行期間，創造了6.04馬赫（6586公里/小時）的新紀錄。

X-15-3負責創造高度紀錄，X-15-2則成為了速度神話

懷特在11月9日的6.04馬赫飛行中遭遇左側風擋玻璃碎裂事故

　　這個速度紀錄在6年後的X-15項目第188次飛行被打破，1967年10月3日，彼得·奈特駕駛升級後的X-15A-2飛出了載人飛機的最快速度——6.7馬赫（7275公里/小時）。作為對比，安裝吸氣式發動機的有人駕駛飛機的最快速度不到一半，也就是洛克希德SR-71「黑鳥」在1976年7月創造的3528公里/小時。

遺產

　　X-15項目被認為達到並超過了預期目標，非常巨大成功，但費用嚴重超支，比原先估計的1070萬美元高出近30倍。在原定目標中，X-15的速度和高度要求分別是6馬赫/76.2公里，機身表面溫度650度，結果實際達到6.7馬赫/108公里，表面溫度732度，表面氣動壓強超過1.074千克/平方厘米。