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升力体——航天飞机的先驱者
介绍编辑本段回目录
航天飞机现在人们己不陌生，它己为美，俄两国所有。尤其是美国航天飞机，它频频往返于天地之间，发射各种军用和民用卫星，派遣人员修复和回收卫星，井执行其它航天任务。随着各种文件的解密，有关美国航天飞机方案诞生和发展初期的一些情况也逐步展现给世人，而当初升力体式飞行器的试验研究工作在其中扮演了重要角色。
偶然发现编辑本段回目录
美国初期的航天器回收方式是溅落。这种方式虽十分昂贵，但当时美苏正卷入空前的军备和太空竞赛之中，所以也只好选择这种可以更快、更容易地实现的回收方式了。
后来。美国科学京及军界迫切地希望开发出一种更省钱、省时而且可以在太空和大气层中反复使用的飞行方式——这种飞行器必须耐得住重返大气层时的高温，还要像常规飞机一样安全着陆。当然，这一切都处于绝密研究状态。当时研究的各种方案都围绕着一半像航天器、一半像飞机的所谓升力体式飞行器。
升力体式设计的思想是由艾格尔斯和阿伦两位科学家于1957年在美国航空航天局(NASA)艾姆斯研究中心从事弹道导弹再入问题研究时偶然发现的。试验中，艾格尔斯注意到钝头锥形体耗散再入能量的速度要比尖头锥体快。更重要的是，他观察到锥形体上表面的平坦部分在穿过地球大气时可以产生升力，井增加气动稳定性。这一发现意味着，至少从理论上讲，可以造出一种无翼飞行器——它可以飞到太空，能承受再人时的气动加热，也能像普通飞机一样在空气中滑翔并有控着陆——升力体式飞行器方案由此诞生了。
个人行为编辑本段回目录
最初，NASA对利用艾格尔斯的发现并不热心。尽管溅落回收存在这样那样的弊端，但却是最容易实现的，只需让飞船直接落向地面即可。不过，随着科学家们开始规划研制更先进的可复用航天器，以取代“水星”号、“双手星座”号和“阿波罗”号等弹道式和半弹道式回收飞船，他们认识到了艾格尔斯的发现的价值。
最先对升力体式设计进行认真研究的是NASA设在加州爱德华兹空军基地的飞行研究中心(即后来的德菜顿飞行研究中心)。当时这项研究没有得到官方的支持，因为NASA的高级官员们打开始就认为采用这种方案的飞行器难以稳定飞行。然而。1962年2月，NASA工程师里德还是针对升力体式设计开展了一项非正式的研究计划。
里德不单单是工程师，更是一名航模爱好者，而且很有水平。首批试验是利用几架蒙着牛皮纸的、精巧的滑翔机模型进行的。这些小模型拖在采用无线电控制的飞机模型后面，以采集与设计有关的数据。里德用8毫米家用摄像机拍下了飞行过程，以供随后研究。尽管只是个人行为，但这一项目还是验证了升力体设计的可行性。有了这些飞行试验数据，里德便准备着手下一步的研究。
里德滦知该项目要得到NASA的正式批准，必须得到该局试飞员的支持。为此，它特意向X-15火箭飞机的老资格试飞员汤姆逊介绍了项目情况。汤姆逊在对里德的工作进行一番研究后，同意一旦这种飞机制造出来，可以对其进行试飞。随后，两人找到飞行试验中心主任比克尔。经劝说，比克尔批准根据里德的设计制造一架原型滑翔机。4个月后，代号M2-F1的滑翔机诞生了。
M2-FI比里德用纸和轻质木材制造的模型机强不了多少。它由钢管架外包木壳构成，13度角锥形机体的上表面被设计成平面。后部的两个垂直操纵舵和方向舵控制偏航，两个后缘襟翼和升降副翼——组合起来的副翼和升降舵——控制俯仰和滚转。这样一种很特别的飞行器在制造上需要很高的技巧，NASA雇员中一些“航空爱好者’在其中发挥了他们的才干，也付出了不少辛苦。M2-F1样子并不漂亮，外号“大胖子”。到了这一步，该项目还是有些私下里“瞎捣鼓”的色彩。NASA总部没有给它预算，也没正式认可，比克尔甚至没通知总部要进行飞行试验。原型机的制造和试飞都是在经费很少的条件下完成的。
艾姆斯研究中心(艾格尔斯最初进行升力体研究的地方)很希望该项目能实施下去，为其提供了技术支持和风洞试验条件。首批风洞试验的结果令人鼓舞，为进行低空试飞奠定了基础。最初的试飞在罗杰斯干湖床进行，由加大了马力的一辆“庞蒂亚克”敞篷车把M2-F1拖到高速，结果效果还不错，试验机在拖绳松开前有时可升到30米的高度，使驾驶员可拉平飞行并驾机正常着陆。这些试验为研制操纵系统和开展更大胆的试飞铺平了道路，并使多名飞行员熟悉了这种怪形怪状的飞机的飞行特性。
比克尔把低空拖曳试飞的结果呈送给丁NASA总部，井获准进行高空试飞。1962年日月16日，由汤姆逊驾驶的M2-Fl由R4D飞机(C-47军用运输机的海军型号，亦即DC-3民用客机)拖至3000米高空并释放。两分钟后，滑翔机在干湖床上着陆。同后来的升力体飞行器一样，M2-F1的横侧操纵性能很差，所以很难驾驶。用汤姆逊的话说，就便是在驾驶一块“流线型砖头”。
尽管如此，飞行试验还是继续进行，而且试飞员们不久也适应了这种飞机怪僻的飞行特性；到1964年8月，M2 F1分别由7人驾驶成功进行了百余次飞行，其结果使人们对升力体方案的可行性不再怀疑。根据试验情况，比克尔、里德和汤姆逊向NASA总部提出了建造重一些的升力体原型机并进行试验的计划。
步入正轨编辑本段回目录
当时，飞行研究中心并不是美国研究升力体方案的唯一机构，位于弗吉尼亚州的NASA兰利研究中心也开展了这项研究，而且空军也在利用一架原型机进行试验。为便于协调，NASA和空军设立了一项正式的联合研究计划，以建造升力体飞行器并进行试验。为了避免重复并能对尽可能参的设计进行研究，飞行研究中心还决定对其它众多原型机设计公开其项目情况，以供借鉴。
NASA向新设立的联合研究计划提供了两种设计M2-F2以M2—Fl为基础，采用钝头半锥形设计，由艾姆斯研究中心研制；HL-10呈“切平”的三角形，是由兰利中心根据其研究成果设计的。为节省费用，两个型号同时由诺斯罗普公司建造。
美国空军到60年代中期开始着手分三个阶段实施其自己的“航天器技术与预研试验”计划，旨在开发更先进的再入航天器。该计划初期的重点是研制和试验称为SV-5的无人升力体原型机。SV-5最初的试飞是由充氢气球把1.5米长的模型试验机带到制造厂的上空进行的，不久改用“宇宙神”SLV-3型火箭在范登堡空军基地把原型机发射到上空，沿西部导弹试验靶场飞行，并在海上回收。这些无人飞行试验对升力体研究工作做出了重大贡献，其中的SV-5D原型机成了唯一一种能从轨道速度完成完整的再入过程的升力体，验证了再入防热系统的有效性。
在上述研究的基础上，空军最终研制出于自己的载人升力体原型机。即SV-5P。该机随后改称X-24A，并被列入NASA和空军的升力体联合研究计划。X-24A充分利用了空军已有的研究成果，采用锡奥科尔公司出产的、曾成功用于X-l和X-15计划的XLR-11火箭发动机，而且所用的载机就是NASA那架曾携带著名的X-15高超音速研究火箭飞机进行试飞的B-52飞机。
NASA和空军的联合计划并没有完全延续升力体方案研究初期的做法。例如，空军在开展SV-5飞行试验时，没有让试验机进行常规的水平着陆，而是在海面上空由带有专门设备的飞机在半空中回收乘降落伞下降的试验机。在联合研究项目下，空军放弃了这种“空中抓捕”方式。改用水平着陆方式。
有惊有险编辑本段回目录
三种新型升力体原型机中最先试飞的是M2-F2。这种圆底、平顶、圆头的半锥形飞机长6.8米，宽2.9米，由尾部的两个垂直方向舵操纵，干1965年6月1 5日交付给NASA。尽管个头和形状与M2-F1大同小异，但它全部由金属制成，重近2.3吨，约为M2-F1的6倍。另外，它的各个分系统更为复杂，所用的XLR-11发动机(与X-24A相同)推力为35.6千牛，可把试验机加速到两倍于音速的速度。
1966年7月12日，M2-F2由汤姆逊驾驶进行了首次飞行，与随后进行的升力体飞行一样，这次飞行是严格按照程序进行的。由于要先摸清飞行特性，所以初期的飞行都是无动力的。首次试飞时，试验机挂在B-52载机右机翼的挂架上被携带到13.7公里的高空，投放后滑翔返回地面。在3.5分钟的下降过程中，涵姆逊让试验机进行了多次机动。刚离开载机，他就做了一次90度转弯。在7.6公里的高度上，他演练了一次着陆拉平动作，而后再次转弯90度，以进行最终的进场着陆。尽管动作都做成了，但过程却并不顺利。离开载机不久，试验机就因操作问题而发生了严重的滚动，好在汤姆逊能很快适应。恢复了对飞机的控制，最终准确地以315公里的时速在罗杰斯干湖床上着陆。
在随后的飞行试验中，飞行员们基本上都能掌握M2-F2的操纵特性，但M2-F2也并没百依百顺。1967年5月10日。在第16次飞行中，由NASA试飞员彼特森驾驶的这架试验机在进入进场着陆阶段时，发生严重摆动。彼特森经过努力完成了拉平动作，试验机以350公里的速度轻轻接地，但起落架却未能完全展开。试验机因此而失控。翻滚了6个跟头后才停了下来。事故使机体受损严重，彼特森也受了重伤。M2-F2最终进行了重造，因变动很大而改称M2-F3，并继续完成了总共27次滑翔飞行。
事实上，在被特森出事前几个月，HL-10就也开始了首批试飞。首次滑翔飞行原定于1966年12月21日进行，但因电气故障而中止。次日上午，由彼特森驾驶的HL-10在罗杰斯干湖床上空13.7公里由B-52飞机投放。试验机几乎完全无法控制。在3分9秒的飞行中，它总是在做机动动作时俯仰过度。不过彼特森还是使它安全着陆了。为改进操纵特性，HL-10停飞了一段时间，技术人员在此期间扩展了外倾垂直尾翼的前缘并使其上翘。改进后的试验机于1968年3月15日再次飞行，证明了改进措施的有效性。试验机在平稳着陆前达到了354公里的最高时速，试验取得圆满成功。在有动力试飞前，HL-10共成功进行了11次滑翔飞行。
此后，HL-10又开始使用XLR-11发动机进行有动力飞行。最初的飞行试验了升力体的稳定性及使用火箭动力的控制性能，速度仅比无动力飞行稍快。同以往一样，试验机也是由载机携至高空投放。1968年10月23日的首次有动力飞行在空军少校金特里的驾驶下进行，但发射后不久火箭发动机出了故障。不过试验机在抛掉推进剂后还是安全地着陆了。同年11月13日。试验机在NASA试飞员曼克的驾驶下再次飞行，并取得成功。
随着越来越频繁的有动力试飞的顺利进行，NASA开始瞄准更高的目标。1969年5月19日，第17次飞行的HL-10速度达到了1.3倍音速，高度达到16.2公里，成了第一架突破音障的升力体飞行器。1970年2月18日，HL-10在空军上尉霍格的驾驶下，速度达到1.86倍音速。成为飞得最快的升力体。9天后，NASA飞行员达纳又创造了27524米的升力体飞行高度纪录。至此，HL-10短暂的生涯也接近了终点。
与NASA的两种试验机一样，由空军提供的X-24A升力体原型机最初飞行时也是无动力的。在金特里和曼克的驾驶下，这种滑翔飞行共进行了10次。尽管有其它升力体飞行的经验可惜鉴，但X-24A的滑翔飞行并未做到万无一失。第3次飞行中，由金特里驾驶的试验机在离预定投放时间还差近1分钟时，意外地从载机上掉下。事后证明这是一次人为失误，而不是机械故障。B-52载机上的副驾驶伸手拨动释放机构的保险开关时不小心触动了发射开关，造成了X-24A提早45秒发射。
面对突发情况，金特里和地面控制人员表现得很冷静。负责地面控制的曼克迅速跑到雷达导航图前，用铅笔估算了一下X-24A距预定发射点的距离。随即他又来到干湖床地图前，发现试验机距北头18号跑道的原定着陆点太远，立即决定改在湖床中部11公里挺的l7号跑道着陆。他的快速反应节省了时间。X-24A不仅安然着陆了，而且还按预定要求完成了全部旨在获取数据的机动动作。
开始有动力飞行后，X-24A暴露了它的最大弱点。作为滑翔再入
飞行器，它的操纵品质还是不错的；但在启用XLR-11火箭发动机作动力时，它的操纵性和稳定性就差了。尽管如此，试飞工作并没有停止。1970年10月14日，X-24A进行了首次超音速飞行，速度达到1.15倍音速。最终该机达到了1.6倍于音速的速度。
70年代初，NASA和空军继续进行其升力体计划，利用试飞对美国航天飞机的各种设计方案进行研究。但当时别的航天计划正搞得轰轰烈烈，所以这些试飞工作没有受到公众的关注。不过，对于实现升力体研究计划的最终目标——建造可重复使用的航天器，这些飞行还是起到了应有的作用。
X-24A在1971年没有进行飞行，整个试验机进行了彻底改造。改造后的该试验机完全是一副新面孔，改称X-24B。它充分利用了已取得的研究成果、与“带翅膀的土豆”的老样子相比，它“出落”成了圆滑的三角翼式高机动性再入飞行器。
1975年8月5日，升力体研究计划迎来丁它最辉煌的一天。这一天，曼克驾驶的X-24B挂在B-52飞机的机翼下升空。离开载机后，它使用自身的火箭发动机像为它护航的飞机一样灵活自如地爬升到了18.3公里的高度，然后又返回地面，并在爱德华兹空军基地的混疑土跑道上无动力地完成了着陆动作。这次6分钟的飞行证明，可以研制出这样一种飞行器，它不仅能够再入大气层，而且随后也可以穿越大气飞行，并可像普通飞机一样在跑道上的自如而准确地进行无动力着陆。
无名英雄编辑本段回目录
NASA和美国空军进行的升力体飞行试验尽管是默默进行的，没有引起什么轰动，但仍然在航空和航天史上竖起了一块丰碑。那些试验机可谓是可重复使用航天器及航天飞机研制工作的开路先锋，为当今乃至未来的太空旅行铺平了道路。通过正们的飞行，有关部门制订出了无动力着陆的规程，美国航天飞机的设计人员也据此取消了航天飞机的着陆发动机，大大增强了航天飞机的性能，简化了设计，提高了运载能力。
不过，升力体试飞工作的成效现在很可能还尚未得到最大的体现。眼下的航天飞机并不是纯升力体设计，而是一个因载货空间的载货能力要求所限而采取的折衷方案。就像改进后的X-24B一样，它采用的是所谓的“混合机体”设计，机体形状和小型三角翼的组合使其既能承受再入气动加热，又能提供水平着陆所需的足够的升力。
目前美国正在研制新一代的可复用航天器，其中令人瞩目、有可能取代现役航天飞机的X-33试验机再次尝试使用升力体型机体。这些神奇的无翼飞行器在书写了一段历史之后，很可能也代表着美国太空开发的未来。
