挑戰速度的極限 – 極音速飛行器

1947年,美國X-1試驗機首次達成了水平狀態的超音速飛行。20年後,NASA的X-15試驗機在太空邊緣達成了6倍音速的里程碑。再過了將近35年,X-43A在短暫衝刺中做出接近9.8倍音速的超高速飛行,飛到離地表超過35公里遠的高空。

工程師是如何用了將近1甲子的時間,就將飛行速度從勉強突破1倍音速提升至將近10倍的呢?

X-43A試驗機脫離NB-52B「八號球」母機[1]

即使是最快的噴射飛機,美國SR-71黑鳥偵察機(就是變形金剛裡的天火),也只能達到3馬赫(3倍音速)的飛行速度。在空氣動力學中,將5馬赫或更高的速度定義為極音速(亦稱超高音速),意指速度較超音速(超過1.2馬赫)還高出許多的狀態。
和噴射飛機與火箭相同,針對極音速領域的研究始於第二次世界大戰,最初構想是讓飛行器在特定的高度層以高超音速持續滑翔飛行,這種飛行方式也需要飛行器具有更好的空氣動力學特性,採用這種飛行方式可以將飛行距離提高一倍。
隨著航太技術的突破,工程師開始探討極音速飛行器的可行性,因此相關研究也開始蓬勃發展。

美國SR-71黑鳥偵察機[2]

極音速武器彈道示意圖[3]

2004年, NASA開發的X-43實驗機試飛成功。X-43是一架無人駕駛的飛行器,外形狀似滑板,並使用獨特的超音速燃燒衝壓發動機(Scramjet)作為動力。
與傳統高速飛行時所使用的火箭引擎不同,這種動力系統在運作時,進入燃燒室的氣流速度必須超過音速,否則發動機很難啟動。
因此,X-43A必須先掛載在母機的翼下飛至高空後,點燃與之相連的飛馬座火箭將X-43A推進到超音速的狀態後,再點燃超音速衝壓發動機進行極音速飛行。在試驗中,X-43A曾經飛出過接近10馬赫的高速。
而後,波音公司推出了X-51乘波者無人高超音速試驗機,除了裝備新一代超音速燃燒衝壓發動機與新式冷卻技術外,X-51由機頭至腹部的進氣道形成了獨特流線外形,使X-51產生的壓力都用於產生機體上升的升力,即所謂的「壓縮升力」。2013年,X-51A成功完成了持續3分30秒的5.1倍音速的飛行。

X-43A與飛馬座火箭(後方較大白色物體)在空中分離的電腦預想圖[4]

X-51乘波者無人高超音速試驗機[5]

有鑑於極音速飛行器技術在軍事上帶來的優勢,俄羅斯與中國也加緊開發腳步。2014年,中國開始測試WU-14高超音速飛行器,目的是測試能否穿透美國的飛彈防禦網。
由於特殊的外形以及小型火箭控制裝置,飛行路線不規律且難以預測,理論上這種機動性可以達到躲避目前所有飛彈防禦系統的超越性突破。
更有甚者,2019年,俄羅斯宣布已部署新型極音速武器系統,號稱能規避美國飛彈防禦系統偵測,被擊落機率大幅降低,也是全球首款部署的洲際極音速武器。
而在今年,印度成功試射國產極音速技術測試演示機,成為繼美國、俄羅斯和中國之後,第4個開發和成功測試極音速技術的國家。除了軍事領域外,由於重返大氣層時的速度極快(太空梭的重返速度約為24馬赫),因此在太空飛機的設計中極音速也是重要的設計考量,如美國X-37與中國的神龍空天飛機。

WU-14高超音速飛行器[6]
俄羅斯新型極音速武器系統說明[7]

極音速領域由於牽扯到極高熱與極高速的特殊環境條件,如需攜帶有人的駕駛艙,重量與體積將大大超過目前科技。

因此,目前能達到極音速的方法,如彈道飛彈的彈頭、使用超音速燃燒衝壓發動機的無人飛行器與航行在太空的無人太空飛機,都是以無人飛行器為設計考量。

希望未來,待技術更加成熟後,能應用在有人飛行器上,將可大大縮短長程飛行時間。

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