——美国X系列试验飞行器带给我们的启示

刘海涛

提到英文字母X，我们首先想到的是X通常用于表示数学中的未知数；同时，X还是英文“Experimental”这个单词的缩写，即“试验”之意。如果我们将X的这两种含义结合，就会体现出人类科学发展的基本轨迹：探索未知，勇于尝试，追求极致。

在飞行器领域，如果提到代表着未知与尝试的X，我们不能不提到美国的X系列试验飞行器。从1945年至今，美国已开展了成百上千次的试验飞行器的研究与试飞工作。我们知道，在飞行器设计领域，未知的技术障碍与难题比比皆是，即使是通过风洞、模拟器和计算机也只能构建出一个理想状态下的模型而已，所以必须研制出专门用途的试验机去实际飞行测试，来探索那些未知的领域。因此，美国人将他们这一系列试验飞行器的研究工作定义为X，并以X为每一代的试验飞行器冠名。

今天，我们回顾美国X系列试验飞行器的发展简史，从几个方面对X系列飞行器的发展进行一个归纳和梳理，希望能为我们的科研工作带来一些启示和帮助。

一、更快更高更强

“更快更高更强”这是奥林匹克的口号和座右铭，它体现了人类对于自身体能和智能的极致追求。同样，在飞行器研究领域，“更快更高更强”也是飞行器研究的旗帜与目标。

为了探索航空航天的众多未知领域，美国人开始了X 系列试验飞行器的研究工作。1945 年初，世界上第一架试验飞行器X-1在美国军方的资助下首飞成功。X-1 试验飞机作为人类历史上一种划时代的飞机，不仅仅是因为它的速度超过了音速，也是因为它是世界上第一种纯粹为了试验目的而设计制造的飞机。X-1 最初设想来自于20 世纪30 年代末飞机设计领域所遇到的问题，当时建造的风洞已经不能满足飞机在亚音速和超音速飞行条件下各种参数的正确搜集，因而研制一种专用的飞行试验机势在必行。1947 年10 月14 日，试飞员查理斯×耶格尔驾驶X-1-1 在13,000米的高空飞出了1.06 马赫的高速，从而迈出了人类超音速飞行的第一步。不久，X-1-2 在飞行试验中速度也超过了音速。X-1 总共试验飞行了157 次，最大飞行速度达到1.45 马赫，最大飞行高度21,000 米。而随后的X2试验飞行器则更进一步：1956 年4 月25 日，试飞员埃伯依斯特驾驶X-2 在试验飞行中首次超过了音速，达到1.4 马赫。在随后的飞行中，X-2 又达到了2.53 马赫的高速。7 月23 日，埃伯依斯特进行了最后一次X-2 飞行，在20,800 米的高空达到了2.87 马赫，这次飞行让他获得了“世界上飞得最快的人”的光荣称号。这还没有完，9 月7 日另一位试飞员金切洛驾驶X-2 飞到了38,500 米的高空，也为自己赢得了“世界上第一位太空人”的称号。9 月27 日，埃伯依斯特刚保持了两个多月的速度记录就被另一名试飞员梅尔本×阿普特打破了。在当天的试验飞行中，X-2 在阿普特的驾驶下达到了3.196 马赫，但阿普特随后驾驶X-2 在空中进行了急转弯，结果飞机的控制系统失灵并进入了螺旋。遗憾的是，阿普特试没能成功控制住飞机以致机毁人亡。而金切洛保持的高度记录也被后来的X-15打破，在X-15近十年的研究和试验时间里，它先后创造了6.72 马赫和108,000 米的速度与升限的世界记录，它的试验飞行几乎涉及了高超音速研究的所有领域，并为美国后来水星、双子星、阿波罗有人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的试验数据。而2004年横空出世的X-43飞行器又将速度记录再次提高，2004 年3 月27 日，X-43A 在第二次试飞中，随着助推火箭迅速爬升至28,500 米的高空。这时，X-43A 从火箭中分离出来，依靠自身的超音速燃烧冲压发动机工作了大约10秒钟，最高速度达到8,000 公里/小时，相当于7 马赫，在随后的11月16日，X-43A的再次试飞又将这一纪录刷新至9.7马赫。

可见，人类在追求自身极致的同时，也在追求者包括飞信器在内的科学技术的极致。更快更高更强的口号不断地激励着人类向极致，向卓越发起一次次的冲锋。然而，科学技术探索的道路并不是一帆风顺的，但是，在不怕困难与失败，用于尝试和拼搏的科研人员的艰苦卓绝努力下，我们勇敢地迎接一个个挑战，克服一个个困难，才使得飞行器能够飞行得更快更高更强。

二、迎接挑战之路

科学研究就是在一片荆棘丛中开辟出一条星光大道的过程，X系列飞行器的研究工作也是在不断的迎接挑战中发展进步。在探索未知领域的过程中，我们会不断遇到新的问题和挑战，因此也要求我们勇于迎接挑战，开辟出一条光明之路。以当时X飞行器研制过程中的一些问题为例，让我们感受一下科研人员的勇气，智慧和奋斗。

垂直起降技术：垂直起降技术现在看来已经不是什么新鲜事了，但在二十世纪五十年代中期却是相当前卫同时也是难度颇大的设计。1954 年瑞恩航空公司开始研制垂直起降喷气式飞机X-13，后来海军和NACA（美国国家航空咨询委员会，美国国家航空航天局 NASA 的前身）也进入其中。为了减轻X-13 的重量，常规飞机中最常见的部件都被取消了，如起落架、襟翼、弹射座椅等。另外，X-13 所携带的燃油也受到了严格限制。X-13 是一种纯粹使用喷气发动机来完成垂直起降（VTOL）的试验型飞机，能够很容易的在垂直与水平飞行状态之间转换。X-13 采用无尾三角翼设计，翼尖和垂尾顶部位置装有压缩空气喷嘴以控制机体空中飞行姿态。经过研究人员的创造性设计和制造，1957年7月，X-13从安德鲁空军基地直接飞到了美国五角大楼附近并安全降落，这是有史以来五角大楼迎接的第一架也是唯一一架固定翼喷气式飞机。但是，需要指出的是虽然X-13 在技术上是成功的，但在实用性方面却是失败的。可即便如此，X-13 的成功飞行还是证明了喷气垂直起降飞机在技术上是可行的，为日后喷气垂直起降飞机的发展提供了十分有益的借鉴。

跑道着陆的再入飞行器：现在我们在电视上看到的美国航天飞机在飞机跑道上着陆似乎司空见惯，可是，在四十年前，这还是一种理想和愿望。X-24实验飞行器的诞生，似乎就是为了实现这种理想和愿望。X-24 是一种升力体飞行器，它一半象航天器一半象飞机。升力体飞行器采用钝头锥形体，没有大多飞机所具有的主翼等结构。其锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气层时能够产生升力，同时也能增强启动稳定性。升力体飞行器可以飞到太空中承受住再入大气层时的气动加热，也能象普通飞机一样在空气中滑翔并着陆。1971 年生产的X-24B为一种三角翼流线型升力体飞行器。在1975 年8 月5 日的试飞中，X-24B 在B-52 的挂载下升空。离开载机后，X-24B 打开火箭发动机迅速爬升到18.3 公里的高度，然后返回爱德华兹空军基地，并顺利的完成了无动力着陆动作。这次试验飞行表明，研制一种能够象普通飞机一样在飞机跑道上着陆的再入飞行器在技术上是完全可行的。

前掠翼技术：尽管前掠翼技术早在二战开始前就已经出现了，但由于技术条件所限并没有获得多大的发展。上个世纪70 年代，高强度复合材料的出现使前掠翼在飞行器上的应用有了技术基础。1977 年开始了对X-29A前掠翼试验机的研制。由复合材料制成的X-29A 前掠翼能够在飞行中克服扭曲变形，其强度也有了很大的提高。X-29A 作为X系列试验飞行器中的重要一员，用于试验前掠翼技术以及为达到下一代战斗机所要求的高机动性、轻重量、低成本、高效率而应用的其它先进技术。第一架X-29A 于1984 年12 月14 日在爱德华兹空军基地首飞成功，这是X 系列试验飞行器计划停滞近十年后的首次飞行，标志着美国重新开始了向航空科研领域最高峰的攀登历程。在随后一系列试验飞行中，X-29A 表现出了极佳的大迎角飞行能力。在45 度的迎角飞行中，X-29A 具有优异的控制响应。即使到了67 度的极限，X-29A 的表现同样不错，并且具有很好的滚转操纵性。因为这是不借助任何附加翼面和推力矢量技术而实现的，所以X-29A 这些飞行试验具有非比寻常的意义。

从上述三例可以看出，X实验飞行器是在不断地探索未知-遇到挑战-解决困难继续探索-再遇到挑战-再解决困难继续探索中不断升华的。尽管当时认为是最关键最困难的技术问题在如今看来是如此的迎刃而解，但是如果我们将自己定位于几十年前科技尚不如现在发达的二十世纪中叶，我们就会对X飞行器的研究人员致以深深的敬意。我们钦佩他们面对挑战的勇气，同时也敬仰他们战胜困难，克服技术难关的天才般的方法与才能。

三、失败是成功之母

纵观X系列试验飞行器的发展历程，在充满了令人激动欢欣鼓舞的成果的同时，也充满着失败的研究试飞的惨痛经历。有些项目在研究过程中中断，而另一些项目在试飞过程中的机毁人亡更让人感到惋惜。

X-20是波音公司为美国空军设计的一种载人航天轰炸机，可以超过5 马赫的高超音速飞行，执行侦察、武器投放等军事任务。X-20 由“大力神”火箭送入地球轨道，可进行多圈轨道飞行。但后来由于耗资过大和设计目标不切实际，X-20项目在只完成一个全比例模型后就于1963 年12月被取消了。尽管我们现在只能看到X-20的模型照片或者想象图，但从某种理念、思想或意义上说，X-20 无愧为后来航天飞机的“先行者”。

1951年，X-5在爱德华兹空军基地完成了首飞。在第9 次试飞中，X-5 首次成功完成了空中掠翼动作，但由于艾立森J35-A-17A 涡轮喷气发动机安装位置较低，X-5 经常会出现螺旋。1953 年10 月13 日，试飞员雷蒙德.帕普森在X-5 的螺旋事故中没有成功逃脱，最终机毁人亡。尽管事后的研究发现，螺旋的频繁出现并不是变后掠翼的问题，而是X-5 机体设计上的缺陷造成的，但这并不能挽回试验的失败和飞行员的生命。但就是凭借着X-5 的丰厚技术积累，美国先后研制出了F-111 战斗轰炸机、F-14 战斗机以及B-1 轰炸机，而X-5则成为了美国变后掠翼飞机的共同“祖先”。

纵观美国整个X 系列试验飞行器的发展史，我们发现虽然其中许多型号都是以失败而告终，而且花费了大量的人力、物力和财力，但正是有了这些尖端科学技术的“开拓者”，才有了今日美国航空航天研究领域的辉煌成就。任何对于这些失败项目的冷嘲热讽对于我们自身来说都是极端危险的，因为在未知领域里的探索完全不犯错误是不可能的，妄想一步到位不失败的思想更是不可取的。这就是科学研究探索未知的严酷之处。而人类之所以能成为地球的主人，正在于面对未知的领域与尝试的失败，能够继续振作勇气，同时，从失败的教训中吸取积极的经验，去迎接更大的挑战，向着极致的高峰不断攀登。

因此，我们今天回顾美国X系列试验飞行器的发展简史，并不仅仅是感叹X系列试验飞行器的发展多么令人激动，也不仅仅是惋惜哪些失败而告终的机毁人亡的事例，我们更要明确科学研究的道路是探索未知的曲折漫长而又铺满荆棘的一条永无止境的路，而我们要做的则是充满探索未知的好奇，鼓起百折不饶的勇气去尝试，从失败中吸取经验和教训去继续尝试，去追求最终科学与人类和谐统一的极致。