火箭动力的飞机!X-15高超声速亚轨道空天飞机

小火箭出品

本文作者:邢強博士

本文共1963字, 17圖。 預計閱讀:3分鐘

本文是小火箭X-15系列文章的第2篇。

該系列, 小火箭將會用5篇文章, 詳細分析X-15高超聲速亞軌道空天飛機的誕生背景、總體設計、發動機、試驗試飛情況和取得的科研成果以及對如今太空科技的深遠影響。

第1篇《》, 咱們一起聊了X-15高超聲速飛行器的誕生背景和總體設計。

本篇, 咱們聊一下她的液體火箭發動機。

動力


X-15技術驗證機依靠強有力的火箭發動機來產生足夠將飛行器送入太空并實現高超聲速飛行的動力, 代表了上世紀50年代的航空用火箭發動機的最高水平。

而這臺發動機的誕生歷程, 則要追溯到上世紀30年代。


1930年4月4日, 美國3位癡迷于太空和火箭技術的小伙子, 成立了美國星際聯合會, 共同探討未來的星際航行技術以及這些技術對人類社會當前和以后的巨大影響。

聯合會的創始人喬治·彭德雷不僅對火箭技術的研究頗有建樹, 而且有非常好的文筆, 其科普與科幻作品留世頗多。 后來, 他成了美國公共關系高級顧問, 并且牽頭和其他工程師一起, 幫助國會組建了美國宇航局NASA。

(彭德雷的科研和科普作品眾多, 只不過, 為保護自己, 他多用筆名, 比如愛德華茲。 )

后來, 美國星際聯合會規模進一步擴大, 并更名為美國火箭學會, 以后再次更名為美國航空航天學會。

這些小伙子們認為,

要想讓人類成為星際物種, 研制新型的火箭發動機是至關重要的一步。


1938年, 他們成立了反應發動機公司, 專門用于研制高性能火箭發動機。



在新澤西州帕塞伊克縣一個湖邊, 反應發動機公司臨時搭建的試車臺上, 人類太空探索史具有劃時代意義的一次點火成功了:

XLR-11火箭發動機點火成功。

小火箭風格, 當年該試車臺的坐標:

北緯41° 0'11.14 “N西經74° 17'7.64 ”W


這臺火箭發動機隨后被安裝到了貝爾X-1技術驗證機上, 推動人類實現了首次超聲速飛行。


用于X-1技術驗證機的XLR-11火箭發動機雖然動力強勁, 推力高達3.6萬牛, 換算成非專業的單位, 約為3.67噸, 但是這種依賴多噴管并聯來提升推力的設計還是有升級空間的。

于是, 就有了XLR-99火箭發動機的計劃。

在實際花費高于預算5倍的代價下, XLR-99火箭發動機橫空出世。


這是反應發動機公司的巔峰之作, 在推出后不久, 該公司就終因財務捉襟見肘, 而在1958年被聚硫橡膠公司收購。

這一年, 聚硫橡膠公司拿到了為年輕的美國空軍研制民兵I型陸基洲際彈道導彈的固體火箭發動機的金額巨大的合同, 同時把反應發動機公司納入麾下, 一舉成為美國當時技術實力和經濟實力最強的火箭發動機企業。

XLR-99火箭發動機是反應發動機公司的絕唱,同時也是人類航空用液體火箭發動機在那個時代的代名詞。


在1959年,該發動機終于被安裝到X-15技術驗證機尾部的時候,我們知道,一切都穩了,新的速度與高度世界紀錄即將誕生。


XLR-99液體火箭發動機以液氧作為氧化劑,以液氨作為燃料,通過過氧化氫的分解產生的高壓氣體來驅動渦輪泵。

該火箭發動機的推力為22.241萬牛,也就是22.68噸。




這是什么概念?

答:單臺XLR-99液體火箭發動機的推力,相當于用于早期波音747和波音767噴氣式客機的普拉特·惠特尼發動機P&W JT9D 的單臺推力!

而早期波音747客機,雖說是使用了4臺普惠的JT9D,但是起飛重量足足有378噸!每臺發動機對應的重量為94.5噸

早期的波音767客機,使用了2臺普惠JT9D,其起飛重量為179.2噸,每臺發動機對應的重量為89.6噸

X-15,采用推力相當的單臺XLR-99火箭發動機,其最大重量僅15.42噸

22.68噸推力的火箭發動機,15.42噸的總重,這使得X-15技術驗證機實際上可以垂直爬升,而且是垂直加速爬升。



從量級角度分析,X-15技術驗證機的XLR-99火箭發動機的推力,相當于1架F-22戰斗機的2臺普拉特·惠特尼F-119發動機在巡航狀態下的推力之總和。

而F-22戰斗機的最大起飛重量為38噸,X-15技術驗證機的最大重量為15.42噸,由此來看,X-15的整機推重比是F-22戰斗機的2.46倍



X-15技術驗證機的XLR火箭發動機,采用液氧/液氨燃料組合,海平面比沖為239秒,真空比沖為279秒,推力在49.7%到102.5%之間連續可調。

從上圖可見,該發動機采用了正統的再生冷卻技術。燃料在進入燃燒室之前,在噴管夾層套管中被預熱,同時在熱交換過程中,實現燃料對噴管的冷卻。

這臺僅重413公斤的發動機,能夠產生22.68噸的推力,推重比為54.9

這個讓素以推重比聞名于世的F-119渦扇發動機(推重比大于9.5)汗顏了。

另,因為XLR-99是用于主要在大氣層內進行載人飛行的驗證機發動機,所以需要具備可重復使用能力。按設計,XLR-99火箭發動機可以在大修之前,重復使用40次,而且還支持高空熄火后自動/手動多次重新點火的能力。

版權聲明:

本文是邢強博士原創文章,騰訊獨家內容。歡迎朋友圈轉發。

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歡迎 加入小火箭 ,進入航空航天大家庭!

XLR-99火箭發動機是反應發動機公司的絕唱,同時也是人類航空用液體火箭發動機在那個時代的代名詞。


在1959年,該發動機終于被安裝到X-15技術驗證機尾部的時候,我們知道,一切都穩了,新的速度與高度世界紀錄即將誕生。


XLR-99液體火箭發動機以液氧作為氧化劑,以液氨作為燃料,通過過氧化氫的分解產生的高壓氣體來驅動渦輪泵。

該火箭發動機的推力為22.241萬牛,也就是22.68噸。




這是什么概念?

答:單臺XLR-99液體火箭發動機的推力,相當于用于早期波音747和波音767噴氣式客機的普拉特·惠特尼發動機P&W JT9D 的單臺推力!

而早期波音747客機,雖說是使用了4臺普惠的JT9D,但是起飛重量足足有378噸!每臺發動機對應的重量為94.5噸

早期的波音767客機,使用了2臺普惠JT9D,其起飛重量為179.2噸,每臺發動機對應的重量為89.6噸

X-15,采用推力相當的單臺XLR-99火箭發動機,其最大重量僅15.42噸

22.68噸推力的火箭發動機,15.42噸的總重,這使得X-15技術驗證機實際上可以垂直爬升,而且是垂直加速爬升。



從量級角度分析,X-15技術驗證機的XLR-99火箭發動機的推力,相當于1架F-22戰斗機的2臺普拉特·惠特尼F-119發動機在巡航狀態下的推力之總和。

而F-22戰斗機的最大起飛重量為38噸,X-15技術驗證機的最大重量為15.42噸,由此來看,X-15的整機推重比是F-22戰斗機的2.46倍



X-15技術驗證機的XLR火箭發動機,采用液氧/液氨燃料組合,海平面比沖為239秒,真空比沖為279秒,推力在49.7%到102.5%之間連續可調。

從上圖可見,該發動機采用了正統的再生冷卻技術。燃料在進入燃燒室之前,在噴管夾層套管中被預熱,同時在熱交換過程中,實現燃料對噴管的冷卻。

這臺僅重413公斤的發動機,能夠產生22.68噸的推力,推重比為54.9

這個讓素以推重比聞名于世的F-119渦扇發動機(推重比大于9.5)汗顏了。

另,因為XLR-99是用于主要在大氣層內進行載人飛行的驗證機發動機,所以需要具備可重復使用能力。按設計,XLR-99火箭發動機可以在大修之前,重復使用40次,而且還支持高空熄火后自動/手動多次重新點火的能力。

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