NASA X-43

X-43
X-43
	ペガサスロケットブースターが、試験飛行中に点火直後にNASAのX-43A（機首に搭載された黒い物体）を加速している（2004年3月2日）
一般情報
タイプ	実験用極超音速無人機
国籍	アメリカ合衆国
デザイナー	米航空宇宙局（NASA）
構築者	マイクロクラフト（機体）; GASL（エンジン）;
プライマリユーザー	米航空宇宙局（NASA）
建造数	3

NASA X-43は、極超音速飛行のさまざまな側面をテストすることを目的とした、複数のスケールバリエーションが計画された実験的な無人極超音速航空機でした。Xプレーンシリーズの一部であり、具体的には1990年代後半に開発されたNASAのHyper-Xプログラムの一部でした。 ^[1]ジェット機の速度記録をいくつか樹立しました。X-43は、約マッハ9.6で記録されたジェットエンジン搭載機の中で最速です。^[2]

X-43 を上部に搭載した「スタック」と呼ばれる翼付きブースターロケットが、ボーイング B-52 ストラトフォートレスから打ち上げられた。ブースターロケット (ペガサスロケットの改良型第 1 段) がスタックを目標速度と高度まで到達させた後、スタックは廃棄され、X-43 は独自のエンジンであるスクラムジェットを使用して自由飛行した。

シリーズの最初の飛行機である X-43A は使い捨て機で、3 機が製造されました。最初の X-43A は 2001 年に飛行中に故障して破壊されました。他の 2 機はそれぞれ 2004 年に飛行に成功し、スクラムジェットが約 10 秒間作動し、その後 10 分間滑空し、意図的に海に墜落するという速度記録を樹立しました。X-43 シリーズのさらなる飛行機の計画は中断またはキャンセルされ、USAF が管理するX-51プログラムに置き換えられました。

発達

X-43はNASAのHyper-Xプログラムの一部で、この計画にはNASAとボーイング、マイクロクラフト社、オービタルサイエンシズ社、ゼネラル・アプライド・サイエンス・ラボラトリー（GASL）などの請負業者が関与していた。マイクロクラフト社がX-43Aを製造し、GASLがそのエンジンを製造した。

NASAの航空事業の主な目標の1つは、空気呼吸による極超音速飛行の技術の開発と実証であった。 1994年11月に国家航空宇宙機（NASP）プログラムが中止された後、米国にはまとまった極超音速技術開発プログラムがなかった。1990年代後半にNASAが開発した「より良く、より速く、より安く」のプログラムの1つとして、Hyper-XはNASPプログラムの技術と研究を活用し、極超音速空気呼吸推進の実証に向けて前進した。^[3]

Hyper-X フェーズ I は、バージニア州ハンプトンのラングレー研究センターとカリフォルニア州エドワーズのドライデン飛行研究センターが共同で実施した NASA 航空宇宙技術事業プログラムでした。ラングレーが主導センターとなり、極超音速技術の開発を担当しました。ドライデンは飛行研究を担当しました。

フェーズ I は、スクラムジェット推進、極超音速空気力学、設計手法の飛行検証を目的とした、7 年間にわたる約 2 億 3000 万ドルのプログラムでした。その後のフェーズは継続されず、X-43 シリーズの航空機は 2006 年にX-51に置き換えられました。

デザイン

X-43A機は、全長3.7メートル（12フィート）強の小型無人試験機であった。 [ ^4]この機体は揚力体設計で、翼に頼るのではなく、機体自体が飛行のためにかなりの揚力を提供する。機体の重量はおよそ1,400キログラム（3,000ポンド）であった。X-43Aは、推進力なしで滑空しているときでも、高速飛行で完全に制御できるように設計された。しかし、この機体は着陸して回収できるようには設計されていなかった。試験終了後、試験機は太平洋に墜落した。

マッハ速度で飛行すると、超音速の空気抵抗に伴う圧縮衝撃波により、かなりの熱が発生します。マッハ速度が高いと、熱が非常に高くなり、機体の金属部分が溶けることがあります。X-43A は、エンジンカウルと側壁の前縁の後ろで水を循環させて、それらの表面を冷却することで、これを補いました。テストでは、水の循環はマッハ 3 程度で開始されました。

エンジン

この航空機は、超音速燃焼ラムジェット、または「スクラムジェット」エンジンの開発とテストのために作られました。これは、超音速で流れる空気内で外部燃焼が起こるエンジンのバリエーションです。^[5] X-43Aの開発者は、航空機の機体を推進システムの一部となるように設計しました。つまり、機体前部は吸気流の一部であり、後部は排気ノズルとして機能します。^[6]

X-43Aのエンジンは主に水素燃料で動いていた。成功したテストでは、約1キログラム（2ポンド）の燃料が使用された。ロケットとは異なり、スクラムジェット動力の乗り物は、エンジンに燃料を供給するための酸素を搭載していない。酸素を運ぶ必要がなくなったことで、乗り物のサイズと重量が大幅に軽減された。将来的には、このような軽量の乗り物は、より重いペイロードを宇宙に運んだり、同じ重量のペイロードをより効率的に運んだりできるようになるだろう。

スクラムジェットはマッハ4.5以上の速度でしか作動しないため、スクラムジェット動力の航空機をこの基本速度まで加速するには、ロケットまたは他のジェットエンジンが必要である。X-43Aの場合、航空機は改造されたボーイングB-52ストラトフォートレス爆撃機から発射されたペガサスロケットによって高速まで加速された。X-43Aとペガサスを組み合わせた機体は、プログラムチームのメンバーによって「スタック」と呼ばれた。^[6]

X-43A 試験機のエンジンは、特定の速度範囲向けに特別に設計されており、流入する気流が予想どおりに動いている場合にのみ、燃料と空気の混合物を圧縮して点火することができます。最初の 2 機の X-43A 航空機はマッハ 7 前後での飛行を想定しており、3 機目は高度 30,000 m (98,000 フィート) 以上でマッハ 9.8 (時速 10,700 km、時速 6,620 マイル) を超える速度で飛行するように設計されていました。

運用テスト

2001年6月2日に行われたNASAの最初のX-43A試験は、ペガサスロケットがB-52ロケットから放出されてから約13秒後に制御を失ったため失敗した。ロケットは遷音速に達したときに制御振動を経験し、最終的にロケットの右舷エレボンの故障につながった。これによりロケットは計画されたコースから大幅に外れ、安全対策として破壊された。この事件の調査では、ロケットの能力と飛行環境に関する不正確な情報が事故の一因となったと述べられている。この試験のデータモデリングにいくつかの不正確さがあったため、使用された特定のペガサスロケットの制御システムが不十分になったが、最終的に失敗の原因を単一の要因に帰することはできなかった。^[7]

2004年3月の2回目のテストでは、ペガサスは正常に点火し、高度約29,000メートル（95,000フィート）で試験機を放出した。分離後、エンジンの空気取り入れ口が開かれ、エンジンが点火し、機体はロケットから離れて加速し、マッハ6.83（7,456 km/h、4,633 mph）に達した。燃料は11秒間エンジンに流れ、その間に機体は24 km（15マイル）以上を移動した。ペガサスブースターの分離後、機体はわずかに速度が低下したが、その後スクラムジェットエンジンが機体を上昇飛行で加速した。^[7]バーンアウト後、管制官はまだ数分間機体を操縦し、飛行制御を操作することができたが、空気抵抗で減速した機体は海に落ちた。この飛行により、X-43Aは世界最速の自由飛行空気呼吸機となった。

NASAは2004年11月16日にX-43Aの3番目のバージョンを飛行させた。ペガサスロケットブースターは40,000フィートでB-52キャリアから分離し、固体ロケットは110,000フィートでマッハ10まで加速した。^[8] X-43Aはマッハ9.8で分離し、エンジンはマッハ9.65で始動し、10〜12秒間、抗力とほぼ等しい推力で飛行し、14分後に太平洋に向かって滑空した。^[8]飛行中の動圧は1,050 psf（0.50 bar）だった。^{[8]マッハ9.68、}^[9]^[10]高度109,440フィート（33,357メートル）で時速6,755マイル（10,870キロメートル）に達し、 ^[11]さらに、機体が熱負荷に耐える能力をテストしました。^[12]

代替品

2006年1月、米空軍は、米国本土からの強制適用および発射、またはFALCONスクラムジェット再使用ミサイルを発表しました。^[13] 2006年3月、空軍研究所（AFRL）の超音速燃焼ラムジェット「ウェーブライダー」飛行試験機がX-51Aに指定されたことが発表されました。米空軍のボーイングX-51は、2010年5月26日にB-52から投下され、初飛行しました。

バリエーション

2004 年の X-43 試験後、NASA ドライデンのエンジニアは、約 20 年ですべての努力が実り、2 段式軌道上有人機が完成することを期待していると述べました。科学者たちは、近い将来に国家航空宇宙機(NASP) のような単段式軌道上有人機が登場するかどうかについて、大きな疑問を表明しました。

他の X-43 機も計画されていたが、2013 年 6 月現在、^{[アップデート]}中止またはキャンセルされている。機体の基本設計は X-43A と同じになる予定だったが、機体サイズは中程度から大幅に大きくなると予想されていた。

X-43B

X-43B は、タービンベース複合サイクル (TBCC) エンジンまたはロケットベース複合サイクル(RBCC) ISTAR エンジンを搭載したフルサイズの機体です。ジェットタービンまたはロケットが、当初は機体を超音速まで推進します。マッハ 2.5 からはラムジェットが引き継ぎ、マッハ 5 程度でエンジンはスクラムジェット構成に切り替わります。

X-43C

X-43C は X-43A よりやや大型で、おそらくHyTechエンジンを使用した炭化水素燃料の実現可能性をテストすることが期待されていました。ほとんどのスクラムジェット設計では燃料に水素が使用されていますが、HyTech は従来の灯油タイプの炭化水素燃料で稼働しており、運用車両をサポートするにはより実用的です。冷却に独自の燃料を使用するフルスケールのエンジンの建造が計画されました。エンジン冷却システムは、長鎖炭化水素を短鎖炭化水素に分解して急速燃焼させる化学反応器として機能します。

X-43Cは2004年3月に無期限に停止された。^[14]リンクされた記事では、プロジェクトの無期限停止と、 2004年3月18日に行われた下院宇宙航空小委員会の公聴会にクレイグ・E・ステイドル少将が出席したことが報じられている。2005年半ばには、X-43Cは年末まで資金が確保されているように見えた。^[15]

X-43D

X-43DはX-43Aとほぼ同じだが、速度範囲がマッハ15に拡大された。2007年9月時点では、ボーイング社のドナルド・B・ジョンソンとNASAラングレー研究センターのジェフリー・S・ロビンソンによる実現可能性調査のみが行われた。調査の概要によると、「X-43Dの目的は、地上では収集が困難、あるいは不可能である高マッハ飛行環境とエンジン操作性情報を収集することである。」^[16]

参照

DARPA ファルコンプロジェクト – 極超音速兵器を開発する米国のプログラム
HyShot – オーストラリア極超音速プロジェクト 2000-2007
ロックウェル X-30 – 1986年から1993年にかけての米国NASAと国防総省の極超音速プロジェクト
ラインベリー計画 – かつて計画されていた米国中央情報局の航空機
宇宙打ち上げ構想 – 米国 NASA および国防総省プログラム 2000-2002

同等の役割、構成、時代の航空機

ボーイング X-51 – 無人極超音速実験機
極超音速技術実証機 – 極超音速実証機

参考文献

^ 「2001年4月28日：NASAのX-43A極超音速研究機による初の拘束飛行」。2021年4月28日。
^ トンプソン、エルビア、キース・ヘンリー、レスリー・ウィリアムズ。「弾丸より速い：ギネスがNASAのスクラムジェットを認定」。2021年7月30日アーカイブ、Wayback Machine NASA。 2011年8月1日閲覧。
^ ピーブルズ、カーティス(2010)。『未知の世界への11秒: Hyper-Xプログラムの歴史』バージニア州: AIAA。ISBN 978-1-60086-776-7。
^ Harsha, Phillip T.、Lowell C. Keel、Anthony Castrogiovanni、Robert T. Sherrill。「X-43A 機体設計と製造」 AIAA 2005-3334。2011年 8 月 1 日閲覧。
^ スウィナード、グラハム。宇宙船の飛行方法：数式なしの宇宙飛行。ニューヨーク：シュプリンガー、2010年。ISBN 978-1-44192-629-6。p.113。
^ ab Martin, Guy. 「極超音速の先駆者：X-43A」 AircraftInFormation.info。 2012年8月16日閲覧。
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^ 「X-43D 概念設計と実現可能性調査」。Wayback Machine AIAA に 2008 年 2 月 29 日にアーカイブ。2011 年 8 月 1 日に閲覧。

注記

外部リンク

X-43 打ち上げ NASA アニメーション
NASA の X-43 プロジェクトのページ 2016-02-13 にWayback Machineでアーカイブされました
ドライデン飛行研究センター X-43 写真コレクション
X-43a の国際コンポーネント 2012-10-14 にWayback Machineでアーカイブ
B-52からの発射、赤外線
https://web.archive.org/web/20150316013940/http://videoclip.pk/watch_video.php?v=H1M8DKHXN2HO

[1] 「2001年4月28日：NASAのX-43A極超音速研究機による初の拘束飛行」。2021年4月28日。

[Thompson-2] トンプソン、エルビア、キース・ヘンリー、レスリー・ウィリアムズ。「弾丸より速い：ギネスがNASAのスクラムジェットを認定」。2021年7月30日アーカイブ、Wayback Machine NASA。 2011年8月1日閲覧。

[3] ピーブルズ、カーティス(2010)。『未知の世界への11秒: Hyper-Xプログラムの歴史』バージニア州: AIAA。ISBN 978-1-60086-776-7。

[4] Harsha, Phillip T.、Lowell C. Keel、Anthony Castrogiovanni、Robert T. Sherrill。「X-43A 機体設計と製造」 AIAA 2005-3334。2011年 8 月 1 日閲覧。

[5] スウィナード、グラハム。宇宙船の飛行方法：数式なしの宇宙飛行。ニューヨーク：シュプリンガー、2010年。ISBN 978-1-44192-629-6。p.113。

[AircraftInFormation-6] Martin, Guy. 「極超音速の先駆者：X-43A」 AircraftInFormation.info。 2012年8月16日閲覧。

[Bentley2008-7] ベントレー、マシューA.スペースプレーン：空港から宇宙港へ（Astronomers' Universe）。ニューヨーク：シュプリンガー、2008年。ISBN 978-0-38776-509-9 、 p.110–111。

[Heppenheimer2007-8] Thomas A. Heppenheimer (2007 年 9 月)。「熱障壁に立ち向かう: 極超音速の歴史」(PDF)。NASA 歴史部門。277 ページ。

[PAW-9] Richard R. Kazmar (2005). 「Pratt & Whitney の空気吸入式極超音速推進 – 概要」(PDF)。アメリカ航空宇宙学会。

[X43-10] Charles McClinton (2006 年 1 月 9 日)。X-43: スクラムジェットのパワーが極超音速の壁を破る(PDF)。第 44 回 AIAA 航空宇宙科学会議および展示会。NASA ラングレー研究センター。2011 年 7 月 24 日のオリジナル(PDF)からアーカイブ。

[11] 「空気吸入エンジン搭載の最速航空機：X-43」。ギネス世界記録。2004年11月16日。

[NASA040-12] 「NASA「Hyper-X」プログラムがスクラムジェット技術を実証」NASA、2017年8月7日。

[13] 「Falcon」。space.com。 2011年8月1日閲覧。

[14] モリス、ジェファーソン。「NASA の調査で X-43C、RS-84 エンジンが犠牲に。」Wayback Machineに 2004 年 11 月 18 日にアーカイブされた Aviation Week、 2004 年 3 月 19 日。2010 年 1 月 9 日に閲覧。

[15] 「良いニュースはすぐに広まる。」Boeing Frontiers、2005 年 8 月。引用: 「米国下院議員ジム・タレント (共和党、ミズーリ州) が後援する NASA への 2,500 万ドルの資金援助要請のおかげで、X-43C プログラムの作業は 2005 年まで継続されます。」

[16] 「X-43D 概念設計と実現可能性調査」。Wayback Machine AIAA に 2008 年 2 月 29 日にアーカイブ。2011 年 8 月 1 日に閲覧。