速度与激情:X-15高超声速飞行器试飞实况

小火箭出品

本文作者:邢強博士

本文共3358字, 15圖。 預計閱讀:3分鐘

本文是小火箭X-15系列文章的第4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。

第2篇《》, 咱們一起分析了X-15高超聲速飛行器的液體火箭發動機。

第3篇《》。

本篇, 小火箭用珍貴的歷史照片, 力圖還原X-15高超聲速飛行器的試飛實況。


試飛員喬瑟夫·恩格爾與X-15的彩色合影。

看到他靦腆的笑容了么?

恩格爾的父母, 此時正驕傲地站在攝影師旁邊看著自己的兒子。

恩格爾在人類航空航天發展史上, 在1965年永久地留下了自己的名字。


還記著小火箭在之前說過, X-15技術驗證機的單臺發動機的推力與如今的一架F-22猛禽戰斗機的2臺發動機的推力總和相當吧。

X-15擁有22.68噸推力的火箭發動機, 整機卻只有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。

公元1965年6月29日, 試飛員恩格爾就來了一次完全是火箭式的垂直爬升!

在他父母的注視下, 恩格爾啟動了X-15的火箭發動機,

并且不斷拉桿, 直到駕駛艙內3個紅燈亮起, 90度, 加速向上!

當時, 國際上對于航空與航天的分界線, 還不是100公里卡門線(為了紀念錢學森博士的導師馮·卡門), 而是50英里線(相當于80.47公里)。

按設計好的彈道, 恩格爾沒有著急下壓, 而是讓X-15做了類似運載火箭的程序轉彎的動作。

彈道最高點:85.5公里!恩格爾成為了按當時標準進入太空的人。


從窗外看去, 地球優雅而美麗的曲線盡收眼底。

1965年6月29日, 挑戰了85.5公里彈道高點, 成功進入太空, 隨后平安著陸后, 恩格爾與父母小聚。


一個多月后, 在1965年8月10日, 恩格爾駕駛同一架X-15技術驗證機,

再次進入太空, 做了亞軌道飛行, 彈道高點為82.6公里

在1965年10月14日, 恩格爾第三次挑戰進入太空的亞軌道飛行任務, 第三次成功進入太空, 彈道高點為81.1公里

由于當時的標準是跨過海拔50英里(80.47公里)的高度就算進入太空, 恩格爾便成為了首個在4個月內3次進入太空的人類


3次到過太空的恩格爾從此對太空產生了完全不可抑制的迷戀。

他開始正式向美國宇航局NASA遞交申請,想要成為深空探索的宇航員,想要進入阿波羅計劃。

但是,當時宇航局以恩格爾飛行經驗不足為由,讓他坐了冷板凳。擁有駕駛天賦的恩格爾,沒能成為阿波羅飛船的指令長,只是作為阿波羅14號飛船的備份,在地面上望著月球發呆。

上圖是恩格爾與阿波羅14號飛船登月艙的合影(在地球上),登月艙腿部的金色與銀色物體是什么?詳見小火箭的公號報告《衛星表面的金色薄膜,一種重要的軍事和工業材料》。


不過,恩格爾完全沒有放棄。他開始奮力練習飛行,成為了整個宇航局最勤奮的飛行員。到上世紀80年代,恩格爾的駕駛技術,已經爐火純青,成為了當時人們公認的飛行家。

上圖,左數第三個是恩格爾。


阿波羅計劃在上世紀70年代中止了,但是航天飛機計劃興起。1981年,恩格爾成為哥倫比亞航天飛機測試飛行任務(STS-2)的首席飛行士。當時的哥倫比亞號航天飛機上,總共只有2位宇航員。

1985年,恩格爾以指令長身份,帶領5人團隊,完成了發現號航天飛機的太空任務。


這是1981年恩格爾駕駛哥倫比亞號航天飛機升空的場景。與1965年,也就是16年前,年輕的恩格爾駕駛X-15技術驗證機進入太空的場景極為相似。

另,小火箭統計了一下恩格爾這個飛行狂魔的飛行記錄:擁有15401小時的飛行小時數,其中有9001小時是噴氣式飛機的。系統地學習和駕駛過185種各型飛機,其中有25種是戰斗機。


對于工程復雜大系統來說,出一些狀況是在所難免的。

上圖為1968年,一次X-15的地面發動機靜態點火測試過程中,火箭發動機突然爆炸后的試驗場。

燒成灰燼的發動機殘骸還被固定在夾具上。X-15的機體則被整體推到了3米遠的地面上。

而有的發動機故障,發生在天上。


這是X-15項目的另外一位試飛員,名為約翰·麥凱。

注意上圖,X-15機鼻左側的兩個孔,是姿態控制火箭發動機的噴口。從這個角度來看,X-15更像是航天器而不是航空器。

1922年出生的約翰在第二次世界大戰期間是美國海軍的飛行員。他同樣也是一位有著飛行天賦的人。在太平洋戰爭期間,約翰對日軍作戰十分英勇,即使是面對水平機動性好很多的日軍零式戰斗機也沒怎么吃過虧。

戰爭結束時,約翰已經是擁有兩枚空中金質獎章和受過一次總統嘉獎的英雄飛行員了。

戰爭結束,約翰終于有機會去做他夢寐以求的兩件事:求學和求婚。

這兩件事情,都很順利。

1950年,約翰·麥凱從弗吉尼亞理工學院畢業,獲工學學士學位。專業,當然是航空工程學。

他的婚姻也很幸福,和他摯愛的妻子育有8個孩子。

但是,藍天和太空始終還是在向約翰不停地發出召喚。


工程師約翰,再次走上飛行員的生涯,而且這次是試飛員。

1962年11月9日,約翰駕駛X-15技術驗證機升空,執行該項目啟動以來最危險的任務:飛行器穩定性極限測試。

在升空之前,這架X-15的尾鰭被拆除。這樣,該機的航向穩定性就被大幅削弱。人們想要知道,X-15的增穩系統的性能極限在哪里,在尾鰭拆除的情況下,能否僅依靠副翼和方向舵的配合來在高超聲速的狀態下實現直線飛行。

技術嫻熟的約翰從NB-52載機上脫離之后,立刻爬升到3.8萬米的高空,并且實現了Ma 5.5的高超聲速飛行。

X-15可以在沒有尾鰭的情況下穩定飛行!

這是出事之前,約翰通過無線電發出的報告。

然后,出事了。

約翰感覺輕微一震,然后就看到速度表在急速下降。

黑匣子后來顯示,此時的火箭發動機推力驟降為標稱推力的30%。

約翰認為,這種狀態下,X-15技術驗證機是無法返航回到愛德華茲空軍基地的。(事后計算驗證,的確如此。)

于是,他決定在內華達荒漠中的一片干湖上迫降。

而此時,航向控制系統和油門控制系統已全部失效。


約翰發現,副翼還能用,于是就努力調整副翼來瞄準干湖,遠離居民區。

X-15的腹內,還有不少液氧和液氨,帶著這些燃料,是不可能迫降成功的。于是,約翰駕駛的X-15像醉漢一樣,跌跌撞撞地踉蹌螺旋下墜。

就這樣70秒后,X-15幾乎耗盡了燃料,但發動機的推力太強,雖然這段時間一直是只剩30%的推力,此時X-15的空速依然達到了Ma 1.492。

這是人類首次超聲速迫降。

1962年11月,內華達荒漠上空的恐怖聲音在當地的報社和當地居民的回憶中,都留下了深深的印象。

人類航空航天史上,還從未有這樣快的載人飛行物以如此低的高度飛行。

而且,對低空高速飛行穩定性有著至關重要的作用的尾鰭,被摘除了。


在尾鰭摘除、襟翼失效、發動機保持30%推力關不掉、副翼最終也失效的情況下,耗盡燃料的約翰以超聲速的狀態刺入內華達荒漠的腹地,奇跡般地著陸了。

但是,X-15的速度還是太快了,這樣的速度卷起了荒漠地面的沙塵,同時也讓地面效應這股強大的力量以非對稱的形式作用在機身上,引發了巨大的滾轉力矩。

X-15瞬間就翻轉了下來,肚皮朝天在內華達荒漠上繼續冒著火花滑動。

3公里后,X-15停了下來。

當從鎮子里趕來的消防隊員和醫生把約翰從機艙里救出來的時候,約翰已經深度昏迷。

不過,命硬的約翰還是活了下來。

可惜,這次事故給約翰帶來了巨大的心理陰影。他沒法再飛行了,而且開始用酒精麻痹自己,以免時常被噩夢驚醒。

1975年4月27日,約翰在加利福尼亞州的家中去世,享年52歲。

約翰經歷的,不是最嚴重的X-15事故。

小火箭認為,想要挑戰進入太空的任務,想要突破大自然給人類設置的天然限制,不付出代價,是不可能的。這就是人類與大自然,與上蒼,與上帝,與騰格里做的交易與博弈吧!



1967年11月15日,37歲的試飛員米歇爾·亞當斯少校,駕駛X-15飛行時,不幸進入不可控制的發散式螺旋狀態。

在Ma 5.5的高超聲速狀態下,米歇爾與X-15共同經受了15個g的正向過載和8個g的側向過載。

隨后,X-15在高空解體(升空10分35秒),主要殘骸在內華達荒漠地區被找到。

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3次到過太空的恩格爾從此對太空產生了完全不可抑制的迷戀。

他開始正式向美國宇航局NASA遞交申請,想要成為深空探索的宇航員,想要進入阿波羅計劃。

但是,當時宇航局以恩格爾飛行經驗不足為由,讓他坐了冷板凳。擁有駕駛天賦的恩格爾,沒能成為阿波羅飛船的指令長,只是作為阿波羅14號飛船的備份,在地面上望著月球發呆。

上圖是恩格爾與阿波羅14號飛船登月艙的合影(在地球上),登月艙腿部的金色與銀色物體是什么?詳見小火箭的公號報告《衛星表面的金色薄膜,一種重要的軍事和工業材料》。


不過,恩格爾完全沒有放棄。他開始奮力練習飛行,成為了整個宇航局最勤奮的飛行員。到上世紀80年代,恩格爾的駕駛技術,已經爐火純青,成為了當時人們公認的飛行家。

上圖,左數第三個是恩格爾。


阿波羅計劃在上世紀70年代中止了,但是航天飛機計劃興起。1981年,恩格爾成為哥倫比亞航天飛機測試飛行任務(STS-2)的首席飛行士。當時的哥倫比亞號航天飛機上,總共只有2位宇航員。

1985年,恩格爾以指令長身份,帶領5人團隊,完成了發現號航天飛機的太空任務。


這是1981年恩格爾駕駛哥倫比亞號航天飛機升空的場景。與1965年,也就是16年前,年輕的恩格爾駕駛X-15技術驗證機進入太空的場景極為相似。

另,小火箭統計了一下恩格爾這個飛行狂魔的飛行記錄:擁有15401小時的飛行小時數,其中有9001小時是噴氣式飛機的。系統地學習和駕駛過185種各型飛機,其中有25種是戰斗機。


對于工程復雜大系統來說,出一些狀況是在所難免的。

上圖為1968年,一次X-15的地面發動機靜態點火測試過程中,火箭發動機突然爆炸后的試驗場。

燒成灰燼的發動機殘骸還被固定在夾具上。X-15的機體則被整體推到了3米遠的地面上。

而有的發動機故障,發生在天上。


這是X-15項目的另外一位試飛員,名為約翰·麥凱。

注意上圖,X-15機鼻左側的兩個孔,是姿態控制火箭發動機的噴口。從這個角度來看,X-15更像是航天器而不是航空器。

1922年出生的約翰在第二次世界大戰期間是美國海軍的飛行員。他同樣也是一位有著飛行天賦的人。在太平洋戰爭期間,約翰對日軍作戰十分英勇,即使是面對水平機動性好很多的日軍零式戰斗機也沒怎么吃過虧。

戰爭結束時,約翰已經是擁有兩枚空中金質獎章和受過一次總統嘉獎的英雄飛行員了。

戰爭結束,約翰終于有機會去做他夢寐以求的兩件事:求學和求婚。

這兩件事情,都很順利。

1950年,約翰·麥凱從弗吉尼亞理工學院畢業,獲工學學士學位。專業,當然是航空工程學。

他的婚姻也很幸福,和他摯愛的妻子育有8個孩子。

但是,藍天和太空始終還是在向約翰不停地發出召喚。


工程師約翰,再次走上飛行員的生涯,而且這次是試飛員。

1962年11月9日,約翰駕駛X-15技術驗證機升空,執行該項目啟動以來最危險的任務:飛行器穩定性極限測試。

在升空之前,這架X-15的尾鰭被拆除。這樣,該機的航向穩定性就被大幅削弱。人們想要知道,X-15的增穩系統的性能極限在哪里,在尾鰭拆除的情況下,能否僅依靠副翼和方向舵的配合來在高超聲速的狀態下實現直線飛行。

技術嫻熟的約翰從NB-52載機上脫離之后,立刻爬升到3.8萬米的高空,并且實現了Ma 5.5的高超聲速飛行。

X-15可以在沒有尾鰭的情況下穩定飛行!

這是出事之前,約翰通過無線電發出的報告。

然后,出事了。

約翰感覺輕微一震,然后就看到速度表在急速下降。

黑匣子后來顯示,此時的火箭發動機推力驟降為標稱推力的30%。

約翰認為,這種狀態下,X-15技術驗證機是無法返航回到愛德華茲空軍基地的。(事后計算驗證,的確如此。)

于是,他決定在內華達荒漠中的一片干湖上迫降。

而此時,航向控制系統和油門控制系統已全部失效。


約翰發現,副翼還能用,于是就努力調整副翼來瞄準干湖,遠離居民區。

X-15的腹內,還有不少液氧和液氨,帶著這些燃料,是不可能迫降成功的。于是,約翰駕駛的X-15像醉漢一樣,跌跌撞撞地踉蹌螺旋下墜。

就這樣70秒后,X-15幾乎耗盡了燃料,但發動機的推力太強,雖然這段時間一直是只剩30%的推力,此時X-15的空速依然達到了Ma 1.492。

這是人類首次超聲速迫降。

1962年11月,內華達荒漠上空的恐怖聲音在當地的報社和當地居民的回憶中,都留下了深深的印象。

人類航空航天史上,還從未有這樣快的載人飛行物以如此低的高度飛行。

而且,對低空高速飛行穩定性有著至關重要的作用的尾鰭,被摘除了。


在尾鰭摘除、襟翼失效、發動機保持30%推力關不掉、副翼最終也失效的情況下,耗盡燃料的約翰以超聲速的狀態刺入內華達荒漠的腹地,奇跡般地著陸了。

但是,X-15的速度還是太快了,這樣的速度卷起了荒漠地面的沙塵,同時也讓地面效應這股強大的力量以非對稱的形式作用在機身上,引發了巨大的滾轉力矩。

X-15瞬間就翻轉了下來,肚皮朝天在內華達荒漠上繼續冒著火花滑動。

3公里后,X-15停了下來。

當從鎮子里趕來的消防隊員和醫生把約翰從機艙里救出來的時候,約翰已經深度昏迷。

不過,命硬的約翰還是活了下來。

可惜,這次事故給約翰帶來了巨大的心理陰影。他沒法再飛行了,而且開始用酒精麻痹自己,以免時常被噩夢驚醒。

1975年4月27日,約翰在加利福尼亞州的家中去世,享年52歲。

約翰經歷的,不是最嚴重的X-15事故。

小火箭認為,想要挑戰進入太空的任務,想要突破大自然給人類設置的天然限制,不付出代價,是不可能的。這就是人類與大自然,與上蒼,與上帝,與騰格里做的交易與博弈吧!



1967年11月15日,37歲的試飛員米歇爾·亞當斯少校,駕駛X-15飛行時,不幸進入不可控制的發散式螺旋狀態。

在Ma 5.5的高超聲速狀態下,米歇爾與X-15共同經受了15個g的正向過載和8個g的側向過載。

隨后,X-15在高空解體(升空10分35秒),主要殘骸在內華達荒漠地區被找到。

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