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美国D-21无人机覆灭记

发布时间:2018-05-09 11:32:00 文章来源:未来智讯    
    当时的中国搜寻人员从飞行性能判断,以为是美军SR-71高速侦察机,“帽子”就是一个明显的证据。如果是SR-71坠毁,飞行员就肯定落到我国境内!当地派出上百名边境民兵遍山遍野到处搜寻飞行员和SR-71的两个大发动机。
    与此同时,美国也对此飞行器的命运十分关心,却始终弄不明白怎么会失踪。美军有人以为是被我新式防空武器击落。该机坠毁后,经过我国有关科技人员研究,已基本弄清这种新式飞行器的特点和性能,随即撤除在边境搜山的民兵,没有因此误了春耕。原来美国用B-52飞机从本土出发飞到在南海上空,投放了一架新式高空三倍音速绝密无人侦察机入侵我国领空。该机从雷州半岛登陆,在中国国境绕了一大圈后因故障坠毁。
    我国始终没有发表任何正式消息。美国直到1977年后,才在刊物上承认有这种名为D-21的机型,随后几年陆续发表不少有关资料。39年后,即2010年8月,我国在北京小汤山航空博物馆首次向公众展出其残骸,引起军事航空迷的注意,纷纷摄影留念,并在网上发表各种评论。
    
    从残骸中了解到的一些情况
    
    这种无人机外形为箭头状,三角形机翼,前缘后掠角75°,并有加宽的椭圆形前缘边条。整机身翼融合,没有水平尾翼,没有起落架,机身像个圆筒,机头进气。进气锥采用复杂的双折角形状。前锥角很尖以适应M3.5左右的激波特点。锥体很大,好像把进气口都堵住一样,只留周边一小缝进气,而且略向下垂。该锥体不能前后移动,是为特定飞行M数设计的。机身直径1.04米,空壳0.915-0.94米。
    D-21B机背上设吊挂点三个,用来连接到母机B-52上。还有与母机连接的电源插销及燃油注入口等。机腹有安装固体火箭助推器的连接点。冲压式发动机很小,装在机身后段。所以当时在现场找不到像喷气式发动机那样的动力装置。
    燃油装在机身进气道四周和机翼中段的整体油箱内。使用燃油与SR-71用的一样,是美国的JP-7号煤油。通常用的JP-4航空煤油在高空长时间飞行是不利的,燃油挥发太快,容易在燃油系统中产生气泡,阻塞管道以至发动机停车。JP-7航油比重0.83,闪点很高,用火柴点不着火。据到过残骸现场的人员称,可嗅到一股非常强烈的类似氨水的气味,好几天不散,可能是这种专用燃油的气味。机身前下部有设备舱,发现的设备舱内装光学照相机而不是电子侦察器材。机体大部分为钛合金制成,机翼外侧边缘部分包括前端突出弧形部分和活动翼面(升降副翼)是用像硬纸板一样的材料制成的蜂窝结构。全机表面涂有黑色涂层。在机身中段周围和中翼部分,整体油箱蒙皮外表面先涂有一层厚约8毫米的灰色涂层,外面再刷一层黑漆,同时油箱内充填氮气。
    发动机重约200千克,最大直径710毫米。检测残骸时发现,燃烧后在喷口处有一层灰白色粉末,而不是像JP-4那样有黑色积炭。可能由于燃料中加有镁质添加剂。
    因发动机没有旋转部分,故只好用一个冲压涡轮带动。这涡轮装置是辅助动力装置,可能还带动设备舱的增压冷却涡轮。
    D-21的进气道系统基本上是一个圆筒藏在机身内上方。机身前端有一个圆形进气口,内有一个大的进气锥,前锥半锥角26°,进气锥是不可调的,下俯角5°,约相当于预定飞行高度和速度时飞机的迎角。进气锥表面的附面层用环形开缝吸进锥内,然后从机身上方两侧排出。进气锥后面是扩散器的整流体并向上倾斜,因进气管道先向上倾斜然后沿机身上方穿过,不是在机身当中。进气道内直径0.4米,外直径约0.42米,因有隔热层,内外直径相差很大。整个进气道与机身之间基本上充填燃料,起降温作用。尾喷口也不可调节。尾喷管用高压涡轮泵排出的气体通过夹层进行冷却。
    设备舱内安装有照相机和胶片盒。照相机通过一个嵌有3块玻璃的窗口向下拍照。舱内还装有惯性导航系统(INS)、自动飞行控制系统(AFCS)和用计算机存储的航行程序系统(ADC)等主要航空电子设备。三轴速率陀螺位于无人机重心附近。设备舱连同降落伞等全重不大于360千克,其中仅照相机设备及外壳残骸就重275千克。
    将部分系统部件放在设备舱中的原因,是它们可以利用设备舱的冷却系统,而且可在任务结束时与设备舱一起回收。设备舱内控制温度靠通风散热系统。在高空11000米以上同温层内,标准大气温度是-56℃,实际上随季节不同,在-50℃~-75℃之间。但三倍音速时,空气直接“撞”到机体处的温度――驻点温度理论值达到335℃。所以冲压空气引进后,要先经“冲压空气/燃料”散热器令空气降温,再到涡轮散热器,然后才进到设备舱。设备舱中排出的气体从机身上方排气格栅逸出。舱内保持一定压力,温度可能不超过80℃。
    机内有一般飞机都必须的工作系统。电源有无刷交直流发电机,由涡轮动力装置带动,还有银锌电池组和镍镉电池组。涡轮动力装置由冲压空气带动,它还带动液压泵、滑油泵。排气口在机尾左侧后缘。
    液压系统有两套,主系统用于操纵无人机。另一套很特别,靠独立的储压瓶供压,专门用来控制主系统,保证操纵舵面不超过充许偏度,防止无人机过猛动作而损坏。由此可见,该机机体设计强度很低。
    
    美刊介绍的该机整个历史过程
    
    20世纪60年代初,美国已研制出一种号称当时各国防空导弹都无法击落的高空高速侦察机――SR-71。的确,到目前为止还没有一架SR-71被击落。但为避免外交风波,当年美空军还是利用其技术研制了一种使用一台冲压式发动机的侦察无人机,飞行速度预定为M数3.2,原称GTD-21,后改称D-21,绰号“标签板”(TagBoard)。该机仍由洛克希德公司“臭鼬”工厂负责研制,总师是C・凯利・约翰逊。D-21于1962年4月26日首飞。据报道,该机1970年单价为550万美元。
    最初该无人机计划由SR-71的前身、战斗机机型A-12飞机携带投放,因此共改装了2架A-12作母机,称为M-12型。在母机后机身脊背上加一流线型支架,把D-21背在背上。起飞后,当速度达到M3.25左右时把无人机投放出去。投放前无人机的冲压发动机要起动并全力工作,否则两机的速度达不到这样大。而直到两机分开前,母机仍继续向无人机输油,补充用掉的油量。为保证两机分离成功,母机上增设1个“投放员”的座位。当时最担心的是两机相撞。因为在这样高的M数时,SR-71已产生相当强的激波,D-21穿越这些激波可能会出问题。
    D-21为减少带飞阻力,加上了头锥罩和尾喷口罩。不料第一次试投放时脱开的头锥罩把机翼前缘打坏,发动机也受损,试验失败。第二次试验时,放弃头、尾罩,在M3.24时起动
       冲压发动机,分离获得成功。第三次试验在太平洋上空进行,投放顺利,D-21飞行2600千米,并完成预定的8次盘旋。1966年7月30日,第四次投放,两机刚分离,D-21的发动机便工作不正常,同时发生滚转,撞向母机。M-12飞机损坏后自动上仰成90°角,随即解体。飞行员及投放员都弹射脱离,但投放员落海淹死。从此这种投放方案被放弃。
    后来D-21改用B-52H飞机投放,称为D-21B型。1964年12月22日开始第一次试投。无人机吊挂在B-52H左翼靠根部位置。由于B-52的速度不能保证冲压发动机起动,所以无人机腹部要挂一个很大的固体火箭助推器。D-21B侦察完毕飞回投放地区,由于该无人机太大,当年的技术很难将其回收,因此只回收侦察设备舱,无人机自行炸毁或坠海沉没。以后又试投过多次,成败不一。
    据美刊报道,B-52一共执行过4次作战投放,其目的均为窥探我国中西部的核武器试验设施,最后都以失败告终。
    第一次作战发射是在1969年11月9日,但导航系统失灵,D-21B一直飞到西伯利亚上空燃油耗尽坠毁,残骸被苏联人捡走。第二次作战发射是1970年12月26日,总共飞了4900千米,但到海面后,没能回收。第三次作战发射在1971年3月4日进行,D-21B完成了5400千米的整个任务剖面,由于降落伞绳损坏,JC-130B未能从空中进行回收,后来海军的回收船只也没有从海上将设备舱捞起。
    D-21B的第四次也是最后一次发射是在1971年3月20日中午。在北部湾上空投放后,于雷州半岛进入我国大陆,12时40分到达逐溪。结果与第一次相似,最终没有飞回预定回收地区而是落在我国境内。
    这次任务失败使得D-21项目宣告终止。这种无人机一共生产38架,投放用掉21架,余下的保存在美国亚利桑那州的戴维斯-蒙散(Davis-Monthan)空军基地和美国各地的博物馆。
    D-21B全长13.15米,身长11.65米,机高2.2米,翼展5.88米,翼面积36.8平方米。该机空重2410千克,初始飞行重量约5200千克,燃油最大重量2700千克,辅助燃油(镁粉及煤油混合)108千克。D-21B飞行高度24000~27000米。转弯时坡度不大于60°,因此转弯半径很大,约65千米以上。最大飞行M数3.7,巡航M数3.2~3.3;航程7000千米(高度24000米),续航时间约2小时。
    动力装置在机身后部,采用了美国一种防空导弹用的RJ43-MA-11冲压发动机的修改型,并备有点火用特种燃料,熄火后能重新点火。有一个喷射系统用来冷却发动机,因此可以连续工作1.5小时以上。在高空巡航时发动机最大推力约为9千牛。
    助推火箭长13.5米,重约5000~6000千克,外挂在无人机腹部。从已发表的照片看,火箭头部伸出到无人机机头前。可能为了使飞机亚音速时安定飞行,火箭尾部下有腹鳍,在地面可折起。火箭工作时间87-90秒,但每次发射并不一定要把火箭用完。
    
    投放、导航及回收问题
    
    无人机约在高度8000米从B-52投下,同时D-21B的自动程序启动。投下后约1-3秒,助推火箭点火,使无人机速度能在约10秒后达到M3.2左右,随即冲压发动机点火。D-21中的飞行自动控制系统(AFCS)、惯性导航系统(INS)、航行程序系统(ADC)及其它系统将按顺序起动。无人机迅速上升到24000米或更高一些,速度保持在预定M数,例如M3.4。
    到达巡航高度后,助推火箭被抛弃,飞行所需推力由冲压发动机提供,保持平飞。无人机速度可用发动机喷油量调节推力来控制。ADC系统可预先设定航迹并以预定M数飞行。一旦到达目标区上空,照相机开始工作,到预定时间关掉,然后返航。
    在抵达INS确定的预计回收地点后,无人机减速下滑。在约18000米高度,爆炸螺栓点火,设备舱被弹出。冲压发动机将停车,无人机继续滑行直到坠海或自行炸毁。
    设备舱弹出后,先自由坠落到约4572米的高度,然后逐一打开减速稳定伞和主伞,缓慢下降。这时应该有1架执行特种任务的JC-130B飞机在附近飞过来用尾钩将伞绳钩住,把它拉放到飞机货舱里,运往指定地点。当年我国捡到的所谓飞行员“帽子”其实是减速稳定伞的包装伞衣。
    该方法在美国回收地面的特务人员或147型无人机使用过,是经过考验的技术,但用于D-21时多次都不成功。当JC-130B错过了目标,还可用海军舰船来进行回收。只是有时船赶到设备舱落海地点时,它已沉入海底。
    
    该型无人机最大研制技术难点是克服热障
    
    在高空以大M数飞行的主要热源有三,即空气动力加热、太阳光直接加热和发动机工作产生的热量。如不冷却,机翼前缘和进气道内温度可能达到250℃-300℃。机身中后段因有发动机,温度可能高达400℃-500℃,尾喷管将是白热状态。
    我国专家分析残骸后发现,D-21解决高温问题采用的办法是:机体大部分用钛合金制造,按重量算可能高达90%;采用隔热层保护翼面前缘、机身、燃油箱和进气管道;降温材料用石棉类耐高温材料。此外,机内燃料、氮气和降温后的冲压进气等也都用作降温材料。机内有圆球形液体氮气瓶,容积14升,可保持33.5大气压,理论气化温度可达-190℃。
    燃油在投放前温度不高,油箱外有隔热层,到高速后温度仍然不高,因此可用作降温材料。有些特殊部位用局部喷氮气冷却的方法降温。同时飞机外表的黑漆具有高热辐射率,辐射系数超过0.93,使得机体热量能辐射出去(无漆钛合金的表面辐射系数只有0.38)。
    穿过机身的进气道外壳是双层的,两层之间有石棉填充层和可通燃油的降温管道及氮气冷却管道。设备舱位置以后的机身外表隔热层是变厚度的,最厚约20毫米,向后变薄,平均12~15毫米,最后在尾喷口前减为0。
    为了隔热,已泡在燃料中的操纵机构、液压系统等管道及零件,有的外面包有隔热袋,有的用陶瓷橡胶,厚度从3-50毫米不等。对外面的机构如操纵舵机则喷液氮冷却。
    为了各种散热需要,机内有很多个热交换器,例如冲压空气/燃料散热器、液压油,燃料散热器、燃料/氮气散热器等。燃料先经过多个散热器,充分发挥其冷却剂功能,才到达高压涡轮泵向发动机喷油。
    在B-52带飞状态,无人机各冷却系统不工作,估计要由母机提供设备舱空调空气和电源。无人机身上有相应管道接口和很大的电源插头。
    
    失败原因:可靠性太差
    
    D-21B上的电气和电子设备常常出现故障,其所用的计算机和电路连接器如多针插头和电线等,造成了很多难以预料的故障。D-21虽然机体和推进系统先进,但当年其电气和电子设备所用的硬件水平与任务要求明显不相适应。据报道,D-21B在臭鼬工厂调试好,刚运到比尔空军基地就会出问题,有的问题在基地只需作很小的调整就能解决,但有时问题很大,总之没有一次不发生问题的。所以,D-21B四次执行任务全都失败,原因可能是其可靠性太差。
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