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노스아메리칸 X-15

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노스아메리칸 X-15
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노스아메리칸 X-15(North American X-15)는 미국 공군과 미국 항공 우주국(NASA)이 X플레인 시리즈 실험 항공기의 일부로 운용한 극초음속 로켓 추진 항공기이다. X-15는 1960년대에 속도와 고도 기록을 세웠으며, 우주 공간의 가장자리를 넘어 항공기 및 우주선 설계에 사용될 귀중한 데이터를 가지고 돌아왔다. X-15의 최고 속도는 4,520 마일 매 시 (7,274 km/h; 2,021 m/s)[1] 1967년 10월 3일[2] 윌리엄 J. 나이트가 102,100 피트 (31,120 m) 또는 19.34마일 고도에서 마하 6.7로 비행했을 때 달성되었다. 이로써 유인 동력 항공기로 기록된 최고 속도에 대한 공식 세계 기록이 세워졌으며, 이 기록은 깨지지 않고 있다.[3][4]

간략 정보 일반 정보, 종류 ...

X-15 프로그램 동안 12명의 조종사가 총 199회의 비행을 수행했다.[1] 이 중 8명의 조종사가 총 13회의 비행을 수행하여 50 마일 (80 km) 고도를 초과함으로써 공군 우주 비행 기준을 충족했으며, 이로 인해 이 조종사들은 우주비행사 자격을 얻었다. 이 13회의 비행 중 2회(동일한 민간인 조종사가 비행)는 FAI의 우주 공간 정의(100 킬로미터 (62 mi))를 충족했다. 5명의 공군 조종사는 즉시 군용 우주비행사 윙을 받았고, 3명의 민간인 조종사는 X-15의 마지막 비행 후 35년 만인 2005년에 NASA 우주비행사 윙을 받았다.[5][6]

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설계 및 개발

요약
관점
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로켓 엔진을 점화한 후의 X-15

X-15는 미국 국가항공자문위원회(NACA)의 극초음속 연구 항공기에 대한 발터 도른베르거의 개념 연구를 기반으로 했다.[7] 제안요청서(RFP)는 1954년 12월 30일에 기체에 대해, 1955년 2월 4일에 로켓 엔진에 대해 발표되었다. X-15는 두 제조업체에 의해 제작되었다: 노스아메리칸은 1955년 11월에 기체에 대해 계약했고, 리액션 모터스는 1956년에 엔진 제작에 대해 계약했다.

많은 X-시리즈 항공기와 마찬가지로 X-15는 B-52 모선의 날개 아래에서 공중으로 운반되어 낙하 발사되도록 설계되었다. 공군 NB-52A, "더 하이 앤 마이티 원"(일련 번호 52-0003), NB-52B, "더 챌린저"(일련 번호 52-0008, Balls 8로도 알려짐)는 모든 X-15 비행의 운반 항공기 역할을 했다. NB-52A에서 X-15의 분리는 약 8.5 미[단위 변환: %s]%s 고도에서 약 500 마일 매 시 (800 km/h)의 속도로 이루어졌다.[8] X-15의 동체는 길고 원통형이었으며, 후방 페어링이 외관을 평평하게 만들고 두껍고 등쪽 및 복부 쐐기형 안정판을 가지고 있었다. 동체의 일부(외부 스킨[9])는 내열성 니켈 합금 (인코넬-X 750)이었다.[7] 접을 수 있는 착륙 장치는 앞바퀴 캐리지와 두 개의 후방 스키드로 구성되었다. 스키드는 복부 핀 너머로 뻗어 있지 않았으므로 조종사는 착륙 직전에 하부 핀을 jettison해야 했다. 하부 핀은 낙하산으로 회수되었다.

조종석 및 조종사 시스템

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X-15의 조종석

X-15는 개발 연구의 산물이었으며, 프로그램 과정과 모델 간에 다양한 시스템에 변경이 이루어졌다. X-15는 발사 항공기에 부착, 낙하, 주 엔진 시동 및 가속, 희박한 공기/우주 공간으로 탄도 비행, 더 두꺼운 공기로 재진입, 무동력 활강 착륙, 주 엔진 시동 없이 직접 착륙 등 여러 다른 시나리오에서 운용되었다. 주 로켓 엔진은 비행의 상대적으로 짧은 부분 동안만 작동했지만 X-15를 고속 및 고고도로 가속시켰다. 주 로켓 엔진 추력 없이도 X-15의 계기와 제어 표면은 기능했지만, 항공기는 고도를 유지할 수 없었다.

X-15는 공기 역학적 비행 제어 표면을 위한 공기가 너무 적은 환경에서도 제어되어야 했기 때문에 로켓 추진기를 사용하는 반동 제어 시스템(RCS)을 갖추고 있었다.[10] X-15 조종사 제어 설정에는 두 가지가 있었다: 하나는 세 개의 조이스틱을 사용했고, 다른 하나는 하나의 조이스틱을 사용했다.[11]

조종사를 위한 여러 제어 스틱을 갖춘 X-15는 기존의 중앙 스틱을 반동 제어 시스템에 명령을 보내는 왼쪽 3축 조이스틱 사이에 배치했으며,[12] 오른쪽의 세 번째 조이스틱은 고G 기동 중에 중앙 스틱을 보조하는 데 사용되었다.[12] 조종사의 입력 외에도 X-15 "안전 보강 장치"(Stability Augmentation System, SAS)은 조종사가 자세 제어를 유지하는 데 도움을 주기 위해 공기 역학적 제어 장치에 입력을 보냈다.[12] 반동 제어 시스템(RCS)은 수동 및 자동의 두 가지 모드로 작동할 수 있었다.[11] 자동 모드는 고고도에서 차량을 안정화하는 데 도움이 되는 "반동 증강 시스템"(RAS)이라는 기능을 사용했다.[11] RAS는 일반적으로 X-15 비행 중 약 3분 동안 자동 전원 차단 전에 사용되었다.[11]

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X-15A-2, 밀봉된 삭마성 코팅, 외부연료탱크, 램제트 더미 테스트 포함

대체 제어 설정은 MH-96 비행 제어 시스템을 사용했는데, 이는 세 개의 조이스틱 대신 하나의 조이스틱을 허용하고 조종사 입력을 단순화했다.[13] MH-96은 각 시스템이 항공기를 제어하는 데 얼마나 효과적인지에 따라 공기 역학적 및 로켓 제어를 자동으로 혼합할 수 있었다.[13]

여러 제어 장치 중에는 로켓 엔진 스로틀과 복부 꼬리 지느러미를 jettison하는 제어 장치가 있었다.[12] 조종석의 다른 기능으로는 착빙을 방지하기 위한 가열 창과 높은 감속 기간을 위한 전방 머리 받침대가 있었다.[12]

X-15는 최대 4 마하의 속도와 120,000 피트 (23 mi; 37 km) 고도에서 작동하도록 설계된 사출 좌석을 가지고 있었지만, 프로그램 동안 사용된 적은 없었다.[12] 사출 시 좌석은 핀을 펼치도록 설계되었으며, 이는 주 낙하산을 펼칠 수 있는 더 안전한 속도와 고도에 도달할 때까지 사용되었다.[12] 조종사들은 질소 가스로 가압될 수 있는 압력복을 입었다.[12] 35,000 피트 (11 km) 고도 이상에서는 조종석이 질소 가스로 3.5 psi (24 kPa; 0.24 atm)으로 가압되었고, 호흡용 산소는 조종사에게 별도로 공급되었다.[12]

추진

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XLR-99를 장착한 X-15 꼬리

초기 24회의 동력 비행은 두 개의 리액션 모터스 XLR11 액체 로켓 엔진을 사용했는데, 이 엔진은 1947년에 벨 X-1이 음속보다 빠르게 비행하는 최초의 항공기가 되도록 단일 XLR11이 제공한 6,000 파운드힘 (27 kN)과 비교하여 총 16,000 파운드힘 (71 kN)의 추력을 제공하도록 향상되었다. XLR11은 에틸 알코올과 액체 산소를 사용했다.

1960년 11월까지 리액션 모터스는 XLR99 로켓 엔진을 납품했으며, 이 엔진은 57,000 파운드힘 (250 kN)의 추력을 발생시켰다. X-15의 나머지 175회의 비행은 단일 엔진 구성으로 XLR99 엔진을 사용했다. XLR99는 암모니아와 액체 산소를 추진제로 사용했으며, 과산화수소를 사용하여 추진제를 엔진에 공급하는 고속 터보펌프를 구동했다.[10] 80초 동안 15,000 파운드 (6,800 kg)의 추진제를 연소할 수 있었다.[10] 줄스 버그만은 항공기의 총 동력 비행 시간을 설명하기 위해 자신의 프로그램 책 제목을 "우주까지 90초"로 지었다.[14]

저압/밀도 환경에서 기동하기 위한 X-15 반동 제어 시스템(RCS)은 고농도 과산화 수소(HTP)를 사용했는데, 이는 촉매 존재 하에 물과 산소로 분해되어 140 s (1.4 km/s)의 비추력을 제공할 수 있었다.[11][15] HTP는 또한 주 엔진과 보조 동력 장치(APU)용 터보펌프에 연료를 공급했다.[10] 헬륨 및 액체 질소 추가 탱크는 다른 기능을 수행했다. 동체 내부는 헬륨 가스로 퍼지되었고, 액체 질소는 다양한 시스템의 냉각제로 사용되었다.[10]

쐐기 꼬리 및 극초음속 안정성

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X-15가 B-52 모함에 부착되어 있고 T-38이 근처를 비행한다.

X-15는 극초음속으로 안정적으로 비행할 수 있도록 두꺼운 쐐기 꼬리를 가지고 있었다.[16] 이는 저속에서 상당한 기저 항력을 생성했다.[16] X-15 후면의 뭉툭한 끝 부분은 전체 F-104 스타파이터만큼의 항력을 생성할 수 있었다.[16]

쐐기형은 극초음속에서 기존 꼬리보다 안정화 표면으로 더 효과적이기 때문에 사용되었다. X-15에 적절한 방향 안정성을 부여하기 위해 날개 면적의 60%에 해당하는 수직 꼬리 면적이 필요했다.

— 웬델 H. 스틸웰, X-15 연구 결과 (SP-60)

극초음속에서의 안정성은 전체 표면적을 늘리기 위해 꼬리에서 확장될 수 있는 측면 패널에 의해 보조되었으며, 이 패널은 에어 브레이크 역할도 했다.[16]

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운영 역사

요약
관점
"X-15 내부: NASA의 혁명적인 로켓 비행기" (1959) 공식 미국 항공 우주국 홍보 영상.

1958년 이전에 미국 공군(USAF)과 미국 국가항공자문위원회(NACA) 관리들은 SM-64 나바호 미사일 위에서 우주 공간으로 발사될 궤도 X-15 스페이스플레인인 X-15B에 대해 논의했다. 이것은 NACA가 미국 항공 우주국이 되고 대신 프로젝트 머큐리를 채택하면서 취소되었다.

1959년까지 보잉 X-20 다이나-소어 우주 글라이더 프로그램은 미 공군이 군용 유인 우주선을 궤도로 발사하는 선호하는 수단이 될 예정이었다. 이 프로그램은 운용 가능한 비행체가 제작되기 전인 1960년대 초에 취소되었다.[5] 다양한 나바호 구성이 고려되었고, 또 다른 제안은 타이탄 I 단계를 포함했다.[17]

세 대의 X-15가 제작되어 199회의 시험 비행을 수행했으며, 마지막 비행은 1968년 10월 24일이었다.

첫 번째 X-15 비행은 1959년 6월 8일 스콧 크로스필드가 수행한 무동력 활강 비행이었다. 크로스필드는 또한 1959년 9월 17일 첫 동력 비행과 1960년 11월 15일 XLR-99 로켓 엔진을 사용한 첫 비행을 조종했다. 12명의 시험 조종사가 X-15를 비행했다. 이들 중에는 나중에 NASA 우주비행사이자 달에 발을 디딘 최초의 인간이 된 닐 암스트롱과 나중에 NASA 우주왕복선 임무의 사령관이 된 조 엥글이 있었다.

1962년 제안에서 NASA는 B-52/X-15를 블루 스카우트 로켓을 발사하여 최대 150 파운드 (68 kg)의 위성을 궤도에 진입시키는 발사 플랫폼으로 사용하는 것을 고려했다.[17][18]

1963년 7월과 8월, 조종사 조 워커는 고도 100 km를 초과하여 NASA 우주비행사와 소련 우주비행사들과 함께 우주 공간으로 가는 도중에 그 선을 넘은 최초의 인간이 되었다. 미 공군은 고도 50 마일 (80 km)에 도달한 모든 사람에게 우주비행사 윙을 수여했지만, FAI는 우주 경계를 100 킬로미터 (62.1 mi)로 정했다.

1967년 11월 15일, 미 공군 시험 조종사 마이클 J. 애덤스 소령은 X-15 비행 191 도중 사망했다. X-15-3 (AF 일련번호 56-6672)이 하강 중에 극초음속 스핀에 빠졌고, 재진입 후 공기 역학적 힘이 증가하면서 격렬하게 흔들렸다. 항공기의 비행 제어 시스템이 제어 표면을 한계까지 작동시키면서, 수직으로 15 g0 (150 m/s2), 측면으로 8.0 g0 (78 m/s2)의 가속도가 발생했다. 기체는 고도 60,000 피트 (18 km)에서 파손되어 X-15의 잔해가 50 제곱마일 (130 km2)에 걸쳐 흩어졌다. 2004년 5월 8일, 요하네스버그 근처의 조종석 위치에 기념비가 세워졌다.[19] 애덤스 소령은 X-15-3에서의 마지막 비행으로 공군 우주비행사 윙을 사후에 수여받았는데, 이 비행은 고도 50.4 마일 (81.1 km)에 도달했다. 1991년 그의 이름은 우주비행사 기념비에 추가되었다.[19]

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네바다 머드 호수에서의 X-15-2 추락

두 번째 비행기인 X-15-2는 1962년 11월 9일 착륙 사고로 손상되고 조종사 존 맥케이가 부상당한 후 재건되었다.[20][21] X-15A-2로 개명된 새 비행기는 액체 수소를 운반하기 위해 새로운 28 인치 (71 cm) 동체 연장부가 추가되었다.[1] 이 비행기는 2.4 피트 (73 cm) 연장되었고, 동체와 날개 아래에 한 쌍의 보조 연료 탱크가 부착되었으며, 완전한 내열성 삭마성 코팅이 추가되었다. 1964년 6월 25일에 처음 비행했다. 1967년 10월에 미국 공군의 조종사 윌리엄 "피트" 나이트가 조종하여 최대 속도 4,520 마일 매 시 (7,274 km/h)에 도달했다.

X-15 프로그램 동안 5대의 주요 항공기가 사용되었다: 3대의 X-15 비행기와 2대의 개조된 "비표준" NB-52 폭격기:

  • X-15-1 – 56-6670, 81회 자유 비행
  • X-15-2 (나중에 X-15A-2) – 56-6671, X-15-2로 31회 자유 비행, X-15A-2로 22회 자유 비행; 총 53회
  • X-15-3 – 56-6672, 비행 191 재난을 포함하여 65회 자유 비행
  • NB-52A – 52-003 "더 하이 앤 마이티 원"이라는 별명 (1969년 10월 퇴역)
  • NB-52B – 52-008 "더 챌린저"라는 별명, 나중에 Balls 8 (2004년 11월 퇴역)

또한, F-100, F-104 및 F5D 체이스 항공기와 C-130 및 C-47 수송기가 프로그램을 지원했다.[22]

네바다 상공 200번째 비행은 원래 1968년 11월 21일 윌리엄 "피트" 나이트가 비행할 예정이었다. 수많은 기술적 문제와 악천후 발생으로 이 제안된 비행은 6번 연기되었고, 1968년 12월 20일에 영구적으로 취소되었다. 이 X-15 (56-6670)는 B-52에서 분리되어 무기한 보관되었다. 이 항공기는 나중에 스미소니언 항공우주 박물관에 전시를 위해 기증되었다.

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전시된 항공기

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매리 베이커 엔젠 복원 격납고에 있는 X-15-1 56-6670
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미 공군 박물관의 X-15

현재 남아있는 X-15 두 대는 미국 박물관에 전시되어 있다. 또한 세 대의 모형과 모함으로 사용된 두 대의 보잉 B-52 스트래토포트리스도 전시되어 있다.

  • X-15-1 (AF 일련 번호 56-6670)은 국립항공우주박물관 "비행의 이정표" 갤러리, 워싱턴 D.C.에 전시되어 있다.
  • X-15A-2 (AF 일련 번호 56-6671)는 라이트-패터슨 공군 기지 근처 데이턴, 오하이오에 있는 미국 공군 국립 박물관에 있다. 1969년 10월에 박물관으로 퇴역했다.[23] 이 항공기는 박물관의 연구 개발 갤러리에 벨 X-1B와 더글러스 X-3 스틸레토를 포함한 다른 "X-플레인"과 함께 전시되어 있다.

모형

  • 드라이든 비행 연구 센터, 에드워즈 AFB, 캘리포니아, 미국 (AF 일련 번호 56-6672로 도색됨)
  • 피마 항공 우주 박물관, 데이비스 몬탄 AFB에 인접, 투손, 애리조나 (AF 일련 번호 56-6671로 도색됨)
  • Evergreen Aviation & Space Museum, 맥민빌, 오레곤 (AF 일련 번호 56-6672로 도색됨). X-15의 실제 크기 목업으로, 로켓 엔진 중 하나와 함께 전시되어 있다.

스트래토포트리스 모함

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X-15를 싣고 이륙하는 NB-52B Balls 8
  • NB-52A (AF 일련 번호 52-003)는 애리조나 투손의 데이비스 몬탄 AFB에 인접한 피마 항공 우주 박물관에 전시되어 있다. X-15-1을 30회, X-15-2를 11회, X-15-3을 31회 (뿐만 아니라 M2-F2 4회, HL-10 11회, X-24A 2회) 발사했다.
  • NB-52B (AF 일련 번호 52-008)는 캘리포니아 에드워즈 AFB 북문 밖에 영구적으로 전시되어 있다. 대부분의 X-15 비행을 발사했다.

기록 비행

요약
관점
 이 부분의 본문은 List of X-15 flights입니다.
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X-15의 주요 속도 및 고도 이정표

최고 고도 비행

총 199회의 X-15 비행 중 13회에서 8명의 조종사가 264,000 피트 ([단위 변환: %s]%s) 이상을 비행하여 미국군의 우주 경계 정의에 따라 우주비행사 자격을 얻었다. 5명의 공군 조종사 전원이 50마일 이상을 비행했으며, 애덤스를 포함하여 비행 191 재난 이후 사후에 영예를 받은 조종사들은 그들의 업적과 동시에 군용 우주비행사 윙을 수여받았다.[24] 그러나 나머지 세 명은 NASA 직원이었고 당시에는 이와 유사한 장식을 받지 못했다. 2004년에 연방항공국은 X-15와 비행 프로필이 유사한 상업용 스페이스플레인인 상업용 스페이스십원의 조종사 마이크 멜빌과 브라이언 비니에게 사상 첫 상업용 우주비행사 윙을 수여했다. 이어서 2005년 NASA는 데이나(당시 생존)와 맥케이, 워커(사후)에게 민간 우주비행사 윙을 소급 수여했다.[25][26] X-15 프로그램의 유일한 해군 조종사인 포레스트 S. 피터슨은 필요한 고도 이상으로 항공기를 운전하지 못하여 우주비행사 윙을 얻지 못했다.

13회의 비행 중 워커가 조종한 비행 90회와 91회만 FAI가 카르만선을 나타내는 데 사용하는 100 km (62 mi) 고도를 초과했다.

자세한 정보 비행, 날짜 ...

† 치명적 사고

가장 빠른 기록 비행

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조종사

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    X-15 비행 승무원, 왼쪽부터 오른쪽으로: 공군 대위 조지프 H. 엥글, 공군 소령 로버트 A. 러시워스, NASA 조종사 존 B. "잭" 맥케이, 공군 소령 윌리엄 J. "피트" 나이트, NASA 조종사 밀턴 O. 톰슨, NASA 조종사 윌리엄 H. 데이나.
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    X-15 조종사들이 #2 항공기 앞에서 장난을 친다. 왼쪽부터 오른쪽으로: 조지프 엥글, 로버트 러시워스, 존 맥케이, 윌리엄 나이트, 밀턴 톰슨, 윌리엄 데이나.
자세한 정보 조종사, 조직 ...

† X-15-3 추락 사고로 사망
†† 1966년 6월 8일 그룹 비행 사고로 사망.

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갤러리

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    NB-52A (일련번호 52-003), 영구 시험 변형, X-15 탑재, 임무 표시; 수평 X-15 실루엣은 활공 비행을 나타내고, 대각선 실루엣은 동력 비행을 나타낸다.
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    발사 직후의 X-15
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    X-15가 스키드로 착륙하며 하부 복부 핀을 jettison한다.
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    외부 연료 탱크를 장착한 X-15A-2 (56-6671)
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    국립항공우주박물관에 전시된 X-15-1
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    X-15 프로필
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    흰색 실런트로 덮이기 전 분홍색 삭마성 코팅이 된 X-15A-2

비디오 자료

  • "연구 프로젝트: X-15" 공식 미국 항공 우주국 X-15 홍보 영상.
  • "X-15: 우주로 가는 인간".
  • "하늘로 가는 길: X-15 이야기".

제원

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삼면도
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X-15 절단 도면

다른 구성으로는 리액션 모터스 XLR11이 장착된 X-15와 장거리 버전이 있다.

자료 출처: [31]

일반 특성

  • 승무원: 1명
  • 길이: 49 ft 2 in (14.99 m) [b]
  • 익폭: 22 ft 4 in (6.81 m) [c]
  • 높이: 13 ft 1 in (3.99 m) [d]
  • 날개 면적: 200 ft2 (19 m2)
  • 공허중량: 14,600 lb (6,622 kg) [e]
  • 전비중량: 33,500 lb (15,195 kg)
  • 엔진: 1 × 리액션 모터스 XLR99-RM-2 액체 연료 로켓 엔진, 70,400 lbf (313 kN) 추력

성능

  • 최대속력: 4,520 mph (7,274 km/h; 3,928 kn)
  • 항속거리: 280 mi (243 nmi; 451 km)
  • 실용상승한도: 354,330 ft (108,000 m)
  • 상승률: 60,000 ft/min (300 m/s)
  • 추력 대 중량비: 2.07
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같이 보기

내용주

  1. [a]
    대기 중 음속은 고도에 따라 달라지므로, 상대적으로 낮은 대기 속도(시속 또는 시속 킬로미터로 측정됨)는 더 높은 마하 수에 해당할 수 있다.[27]
  2. [b]
    • 56피트 1.5인치(노즈 붐 및 XLR-11 로켓 엔진 장착)
    • 55피트 2.5인치(노즈 붐 및 XLR-99 로켓 엔진 장착)
    • 50피트 1인치(Q-볼 노즈 및 XLR-11 로켓 엔진 장착)
    • 49피트 2인치(Q-볼 노즈 및 XLR-99 로켓 엔진 장착)
    • 51피트 11인치(개조된 66671 항공기(X-15A-2))
  3. [c]
    • 22피트 4인치(표준 항공기)
    • 23피트 8인치(날개 끝 포드 장착)
  4. [d]
    • 13피트 1인치(표준 항공기)
    • 11피트 6인치(하부 복부 핀 제외 및 착륙 장치 확장)
  5. [e]
    • 연소 중량: 14,500파운드(표준 항공기)
    • 착륙 중량: 13,800파운드(표준 항공기)

각주

참고 자료

외부 링크

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