Gør dig klar til æraen med hypersonisk flyvning - med fem gange lydens hastighed

Det slanke fly, virkelig mere raket end fly, faldt fra vingen på en B-52, før den skød gennem himlen over Point Mugu Sea Range ud for Californiens kyst, efterlader en lang, hvid spiral i kølvandet.

Den ubemandede X-51A ramte Mach 4.8, næsten fem gange lydens hastighed, med hjælp fra en solid raketbooster. Så smed Boeing Co.-flyet boosteren og dens eksperimentelle scramjet-motor tog over, at suge højkomprimeret luft ind for at drive køretøjet endnu hurtigere - til en hypersonisk hastighed på omkring 3, 400 mph, eller Mach 5.1.

Flyet stolede på den scramjet i kun 3{ minutter under testflyvningen i 2013, men forskere siger, at pålidelig teknologi, der driver fly til hypersoniske hastigheder på Mach 5 eller højere, kan være funktionel inden for 10 år, i første omgang til brug i missiler.

Indsatsen er høj.

Pentagon ser hypersoniske våben som en potentiel game changer, der kunne give det - eller en modstander - den slags kant, som stealth-fly eller smarte bomber gjorde i årtier tidligere. Hypersoniske missiler ville være ekstremt svære at skyde ned, ankommer med lidt eller ingen advarsel og manøvrerer for at undgå forsvar.

Rusland og Kina udvikler også hypersoniske missiler, og i november der var rapporter, Kina var begyndt at bygge verdens hurtigste vindtunnel for at teste hypersoniske fly og våben.

"Jeg er også dybt bekymret over Kinas tunge investeringer i den næste bølge af militærteknologier, inklusive hypersoniske missiler, "Adm. Harry Harris Jr., chef for flådens U.S.A. Stillehavskommando, sagde i sidste uge for en husvæbnede tjenesteudvalg. "Hvis USA ikke holder trit, (U.S. Pacific Command) vil kæmpe for at konkurrere med People's Liberation Army på fremtidige slagmarker."

Som med tidligere programmer, herunder stealth-teknologi og forskning i ballistiske missiler, Det sydlige Californien kan være klar til at tage en ledende rolle i dens udvikling.

Defence Advanced Research Projects Agency, eller DARPA, det samme bureau, der hjalp med at udvikle internettet, og luftvåbnet står i spidsen for et program kaldet Hypersonic Air-breathing Weapon Concept. Det har tildelt forsvarsvirksomheder, herunder Raytheon Co. og Lockheed Martin Corp., kontrakter om at arbejde på teknologier, der ville muliggøre et "effektivt og overkommeligt" luftaffyret hypersonisk krydsermissil.

Luftfartsfirmaet Orbital ATK Inc. blev også for nylig udvalgt til at deltage i et hypersonisk flymotorprojekt med DARPA, mens militærflyproducenter har diskuteret deres egne koncepter for hypersoniske fly.

Nærmere sigt, Forsvarsministeriet er parat til at begynde at teste et hyperhastighedsprojektil til kanonsystemer, der kan nå hastigheder tæt på Mach 6, ifølge rapporter. Projektilet kan få konsekvenser for det fremtidige missilforsvar.

Pålidelig hypersonik kunne ikke kun fremdrive et missil til utrolige hastigheder, der gør dem sværere at skyde ned, men kunne også give mulighed for større manøvredygtighed i usædvanlige højder – både tættere på jorden og langt højere end rækkevidden af ​​nuværende missilforsvarssystemer, ifølge en rapport fra Rand Corp. udgivet sidste år.

"Der var dette gamle ordsprog, at hypersonic var fremtiden og altid ville være det, " sagde Kevin Bowcutt, senior teknisk fellow og chefforsker for hypersonic hos Boeing, som kom med det originale konceptdesign til X-51A i 1995. "Nu tror folk på det. Det er ægte."

USA.' den nuværende teknologiske vægt på hypersonic er mangfoldig. Historisk set USA har været førende på dette område, og teknologien er lovende. Men udvikling er ikke drevet af et specifikt missionsbehov, sagde James Acton, meddirektør for Nuclear Policy Program i tænketanken Carnegie Endowment for International Peace.

Andre analytikere har sagt, at det nuværende fremstød for hypersonic kan være et forsøg på at afskrække andre lande fra at overveje hypersoniske missilangreb.

Men for at udvikle funktionel hypersonic teknologi, USA bliver nødt til at udvikle motorsystemer og materialer, der kan fungere ved høje hastigheder og temperaturer i længere perioder. At forsknings- og udviklingsomkostninger alene ville være betydelige, og ville ikke engang inkludere de milliarder af dollars, der er nødvendige for at udvikle operationelle køretøjer, siger eksperter.

Tit af milliarder af dollars kan blive brugt på hypersonikkontrakter mellem 2020 og 2035, hvis forskningen "kommer til udfoldelse i rigtige våbenprogrammer, " sagde Loren Thompson, en rumfartsanalytiker hos Lexington Institute tænketank, som modtager støtte fra Lockheed Martin og Boeing.

Det kunne være en velsignelse for det sydlige Californien.

Thompson sagde, at regionen er hjemsted for nøgleforskningscentre for industrien og den amerikanske regering - såsom Lockheed Martins hemmelighedsfulde Palmdale Skunk Works-facilitet og Edwards Air Force Base - som kan gøre det til centrum for hypersonic forskning. Boeing har sagt, at hypersonic arbejde allerede bliver udført på deres Huntington Beach-anlæg, samt i St. Louis og Seattle.

Tidligere store forsknings- og udviklingsprogrammer bragte tusindvis af arbejdspladser til regionen. Da B-2 stealth bombeflyet nærmede sig sit produktionstop i 1992, flybygger Northrop havde 9, 000 arbejdere i Pico Rivera og 3, 000 mere i Palmdale.

USA's udvikling af hypersonic dateres til 1940'erne, da JPL fastgjorde en WAC Corporal-raket i næsen af ​​en tysk V-2-raket for at skabe en to-trins raket som en del af Hærens Bumper-program. Lanceret fra New Mexicos White Sands Missile Range i 1949, raketten nåede 5, 150 mph, eller omkring Mach 6.7.

Et andet stort gennembrud kom i 1950'erne og 1960'erne med X-15-programmet, eksperimentelle raketdrevne fly, der nåede en tophastighed på Mach 6,7 og var designet til at fremme forståelsen af ​​hypersonisk flyvning.

Data fra testflyvningerne var med til at påvirke rumfartøjets design af Apollo-kapslen og Saturn V-raketten, der tog astronauter til månen.

Rumfærgen, som fløj fra 1981 til 2011, nåede også hypersoniske hastigheder, da den kom ind i jordens atmosfære igen, fører til udvikling inden for varmeabsorberende keramiske fliser og store, afrundede kanter for at sænke reentry-temperaturer.

Men på trods af denne trinvise udvikling, hypersonics researchers say there are still big technical hurdles to solve, especially in materials science.

When reentering the Earth's atmosphere, the outer surface of the space shuttle orbiter encountered temperatures of nearly 3, 000 degrees Fahrenheit. Aircraft-grade aluminum melts at a temperature about three times less than that, and the structure of a plane would fail at even lower temperatures.

One possible solution are materials such as titanium or nickel-based alloys, which can be used at speeds slightly beyond Mach 5. Past that, ceramic-matrix composites, a more exotic blend of strong, lightweight fibers, may be an answer.

"The better you can predict a heat load, the better you can come up with materials or structure to handle that heat load, " said Stuart A. Craig, an assistant professor in the aerospace and mechanical engineering department at the University of Arizona who researches hypersonic aerodynamics.

Development of a larger scramjet engine—formally known as a supersonic combustion ramjet—also has been challenging. While rockets can get a vehicle to hypersonic speeds, they are too large, heavy and inefficient to use in lighter missiles or aircraft.

Enter the scramjet—an air-breathing engine that can provide the boost needed to reach speeds greater than Mach 5 but is lighter and more efficient. Unlike a rocket, a scramjet does not need to carry its own tank of oxygen to burn with fuel, which is typically a hydrocarbon or hydrogen. I stedet, it uses the air in the atmosphere to serve as an oxidizer for the propellant.

"You can't afford to build all these big rockets every time you want to fly a hypersonic glide vehicle or a cruise missile, " said George Nacouzi, senior engineer at Rand Corp. and an expert on missile development. "It's just not practical."

Scramjets typically start working at speeds of about Mach 5, when the air flow is still supersonic and is highly compressed. NASA's X-43A aircraft program last decade proved that scramjets could work, though on a smaller scale than a typical plane.

Scaling up can be challenging, said Boeing's Bowcutt, who developed his X-51A design while at Rockwell International, which was later acquired by Boeing. Since wind tunnels can be limited in size, engineers must also rely more on computer simulations, which can't necessarily give full verification of a concept in real-world conditions.

But new technological developments have helped make some of these issues easier to solve. In a recent presentation at an aerospace technology conference, Lockheed Martin Skunk Works Vice President Jack O'Banion said increased computer-processing power and digital tools helped the defense giant design a scramjet engine in 3-D for a plane concept known as the SR-72.

Lockheed Martin has said this hypersonic aircraft concept could travel at speeds as high as Mach 6 and be operational by 2030. A Lockheed executive recently disputed speculation that the SR-72 already exists, saying the company's focus was on hypersonic weapons systems. (The name is a nod to Lockheed's stealthy SR-71 Blackbird, which first flew in 1964 and reached average speeds of 2, 200 mph.)

With digital-printing manufacturing, O'Banion said the company could integrate the scramjet engine with an "incredibly sophisticated cooling system, " allowing the engine to withstand multiple firings for routine operations. No moving parts would be involved.

"It would have melted down into slag if we tried to produce it five years ago, " han sagde.

With all of these challenges, many researchers say hypersonics probably will be developed first for missiles and later for manned aircraft.

But don't expect to book a seat on a hypersonic passenger jet anytime soon, as commercial applications of the technology could be at least 30 years away, said Nacouzi of Rand Corp.

That timeline would depend on the business case for hypersonic travel, which would presumably command premium ticket prices. The example of the Concorde passenger jet isn't exactly promising. An air disaster claimed 113 lives in 2000, temporarily grounding the fleet, but the high costs of operating the jet amid the slower market for air travel after the Sept. 11 attacks were what led to the plane's ultimate retirement in 2003.

"It's much easier to start with missiles, " Nacouzi said. "They're simpler than aircraft. An aircraft has much more systems involved."

© 2018 Los Angeles Times
Distribueret af Tribune Content Agency, LLC.