■ 李茜 崔艷林 / 中國航發(fā)渦輪院

高超聲速飛行是未來航空航天領(lǐng)域的制高點，具有非常重要的戰(zhàn)略性和前瞻性。2020年，以美國、俄羅斯等為代表的世界航空強國繼續(xù)深化高超聲速領(lǐng)域，尤其是吸氣式組合動力的技術(shù)研究，在包括高超聲速飛機動力、高超聲速導(dǎo)彈動力、基礎(chǔ)研究和組織管理等幾個方面進行了不懈探索。

近年來，隨著科技日趨完善和快速遠程運輸需求的增長，傳統(tǒng)的制約超聲速民用飛機發(fā)展的因素逐漸消除，超聲速和高超聲速民機再次成為了全球航空領(lǐng)域的研究熱點，以多家初創(chuàng)公司為代表的多個創(chuàng)新的渦輪基沖壓組合（TBCC）技術(shù)方案浮出水面。與此同時，以美國為代表的西方航空強國在高超聲速動力成果軍事應(yīng)用方面的投入力度也進一步加大。美國國防部公布的2021財年預(yù)算申請概要文件明確指出， 2021財年在高超聲速領(lǐng)域（含高超聲速防御）申請的科研經(jīng)費預(yù)算總額高達32億美元。其中，海軍和陸軍均大幅提升各自高超聲速武器研制項目的經(jīng)費。美國國防部在2020年成立了聯(lián)合高超聲速轉(zhuǎn)化辦公室（JHTO），希望通過國家/學(xué)術(shù)機構(gòu)聯(lián)合的方式填補高超聲速項目研制所需的人才缺口，同時吸引高校、企業(yè)和科研院所等機構(gòu)組成應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟（University Consortium for Applied Hypersonics），以實現(xiàn)各技術(shù)領(lǐng)域的齊頭并進。

積極開展高超聲速飛機動力關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

赫爾墨斯公司完成TBCC發(fā)動機縮比驗證機高速試驗

赫爾墨斯公司發(fā)布的試驗現(xiàn)場照片

2020年3月，美國初創(chuàng)公司赫爾墨斯（Hermeus）完成了高超聲速飛機TBCC發(fā)動機縮比驗證機靜態(tài)和高速（Ma5）試驗。其中，海平面靜態(tài)試驗在赫爾墨斯公司位于亞特蘭大的試驗臺完成，而高速試驗在普渡大學(xué)完成。

試驗用的驗證機包含1臺現(xiàn)貨渦輪發(fā)動機、公司開發(fā)的預(yù)冷器和亞燃沖壓發(fā)動機，以及共用的進氣道和噴管。其中渦輪發(fā)動機的工作區(qū)間是Ma0 ～3.3，亞燃沖壓發(fā)動機是Ma2.8 ～5。根據(jù)公司發(fā)布的試驗現(xiàn)場圖片，試驗樣機采用了二維噴管設(shè)計，帶有控制噴管收擴的裝置，噴口前端的沖壓發(fā)動機或渦輪加力燃燒室部分呈圓截面構(gòu)型。赫爾墨斯公司披露，目前已經(jīng)完成了組合動力中各動力單元單獨運行的試驗，接下來就是完成模態(tài)轉(zhuǎn)換這一關(guān)鍵技術(shù)的驗證。

2020年8月，美國空軍對赫爾墨斯公司進行投資，研發(fā)用作未來“空軍一號”動力裝置的TBCC發(fā)動機。為該項目提供資金的是美國空軍的“空軍一號”管理團隊，稱1架Ma5的飛機可以讓總統(tǒng)在90min內(nèi)從紐約飛到倫敦，而不是現(xiàn)在的7h。

HSP公司推出新概念組合動力

Hyscram發(fā)動機示意

2020年3月， 總 部 位 于 美 國加州的初創(chuàng)公司HSP（HyperSpace Propulsion）聲稱其正在開發(fā)一種名為高超聲速混電超導(dǎo)沖壓磁流體（Hyscram）發(fā)動機的創(chuàng)新型組合動力概念。公司將其定性為超導(dǎo)電混合TBCC發(fā) 動 機， 在 傳 統(tǒng)TBCC基礎(chǔ)上融合了超導(dǎo)電力、磁流體力學(xué)（MHD）等技術(shù)，提供了一種實現(xiàn)從靜止起動到Ma 8以上飛行速度的動力方案，可用于高超聲速飛機和導(dǎo)彈，也可用于運載系統(tǒng)。

作為一種TBCC發(fā)動機，Hyscram的“渦輪”（即核心機）部分是一個配置磁懸浮風(fēng)扇、壓氣機和渦輪級的渦扇發(fā)動機，并在軸向配置了一系列超導(dǎo)發(fā)電機。Hyscram發(fā)動機的“沖壓”部分是環(huán)繞在核心機外圍的9個亞燃/超燃雙模沖壓發(fā)動機。通過一個進氣錐或中心錐來調(diào)節(jié)進入亞燃/超燃沖壓通道的空氣量，這類似于洛克希德公司SR-71所使用的設(shè)計，可以根據(jù)飛行條件前后移動錐體。進氣錐采用電力驅(qū)動，當(dāng)移到最前端時，氣流被引導(dǎo)到亞燃/超燃沖壓通道；而當(dāng)縮回時，大部分氣流被分流到產(chǎn)生電力的渦輪核心機。項目負責(zé)人稱，“渦輪+沖壓+MHD”的3保險方式可以保證任何時候都有推力輸出。

維珍銀河公司選擇羅羅公司為其商用超聲速飛機開發(fā)動力

英國維珍銀河（Virgin Galactic）公司及其子公司航天飛機（The Spaceship）于2020年8月披露了其高速飛機第一階段設(shè)計方案，將與羅羅公司合作設(shè)計、開發(fā)用于高速商用飛機的超聲速推進技術(shù)。維珍銀河公司高速商用飛機的主要設(shè)計目標是完成一種可在全球現(xiàn)有機場條件下起降，飛行速度達到Ma 3的三角翼飛機，可搭載9 ～19名乘客，飛行高度超過18000m，并且可結(jié)合客戶需求實現(xiàn)客艙布局定制（如定制商務(wù)或頭等艙等）。

反應(yīng)發(fā)動機公司進行高超聲速試驗臺概念研究

英國反應(yīng)發(fā)動機公司（REL）在2020年5月18日公布，該公司啟動了一項概念研究，開發(fā)用于協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動機(SABRE，“佩刀”)的飛行驗證高超聲速試驗臺。該研究由英國航天局發(fā)起，將在歐洲航天局通用支持技術(shù)計劃（GSTP）下進行，參與方有克蘭菲爾德航空解決方案公司(包括克蘭菲爾德大學(xué))、反應(yīng)發(fā)動機公司、BAE系統(tǒng)公司和弗諾斯特與沙利文（Frost & Sullivan）公司等。

該項研究的目的：一是研究測試用飛行器的遠期概念，這將有助于SABRE相關(guān)技術(shù)的演示驗證；二是評估以SABRE為動力的飛行器在未來空間運輸領(lǐng)域的競爭地位。反應(yīng)發(fā)動機公司的SABRE研究將使得采用水平發(fā)射技術(shù)的可重復(fù)使用型太空飛行器具有成本低廉、性能可靠和響應(yīng)迅速等優(yōu)點，并具備快速有效的載荷返回選項。與消耗性或部分消耗性的垂直發(fā)射系統(tǒng)相比，具有此類特性的飛行器可降低進入太空的成本。

航空噴氣-洛克達因公司研發(fā)的大推力超燃沖壓發(fā)動機完成地面試驗

航空噴氣-洛克達因公司超燃沖壓發(fā)動機在APTU試驗臺架上運行

2020年12月，在美國空軍研究實驗室（AFRL）的中等尺寸超燃沖壓關(guān)鍵部件（MSCC）項目支持下，美國航空噴氣-洛克達因公司研發(fā)的大推力超燃沖壓發(fā)動機在阿諾德工程發(fā)展綜合體的氣動與推進試驗裝置（APTU）試驗臺完成了一輪為期12個月以上的地面試驗，驗證了發(fā)動機在不同馬赫數(shù)條件下的性能，其中在高超聲速條件下的工作時長累計超過了1h，并獲得最大超過57.8kN的推力。公司稱，與2010年的X-51A飛行器動力相比，當(dāng)前的超燃沖壓發(fā)動機性能和經(jīng)濟性都得到了很大的提升。根據(jù)美國空軍的定義，中等尺寸的超燃沖壓發(fā)動機是指空氣流量為X-51A飛行器發(fā)動機10倍的超燃沖壓發(fā)動機，主要定位為配裝高超聲速飛機。

印度HSTDV飛行器方案示意

加速高超聲速導(dǎo)彈成果轉(zhuǎn)化

日本披露其新型高超聲速反艦導(dǎo)彈

日本防衛(wèi)副大臣山本智廣于2020年7月7日參觀了位于東京郊區(qū)的自衛(wèi)隊航空和火箭技術(shù)研究中心，并在其推特賬戶上發(fā)布了一張圖片。據(jù)報道，圖片上是一種新的高超聲速反艦導(dǎo)彈，采用了雙模態(tài)超燃沖壓發(fā)動機（DMSJ）為動力。DMSJ是沖壓發(fā)動機和超燃沖壓發(fā)動機的組合，能夠以多種速度飛行。該導(dǎo)彈將具有全天候作戰(zhàn)能力，配備無線電和光波圖像搜尋器用于識別目標。日本防衛(wèi)省計劃在2026年部署該導(dǎo)彈的早期型號，并將于2028年后部署增強型導(dǎo)彈。

印度國防研究與發(fā)展組織開展高超聲速技術(shù)驗證機飛行試驗

日本采用DMSJ為動力的高超聲速反艦導(dǎo)彈

印度國防研究與發(fā)展組織（DRDO）在2020年9月7日開展了高超聲速技術(shù)驗證機（HSTDV）飛行試驗。HSTDV是一架高超聲速超燃沖壓演示飛行器，其技術(shù)可用于高超聲速遠程巡航導(dǎo)彈，也用于低成本發(fā)射小型衛(wèi)星。HSTDV飛行器由固體火箭助推器帶至30000m高空，在此氣動隔熱罩以高超聲速分離，巡航飛行器從助推器分離。進氣道按計劃打開，高超聲速燃燒室保持燃燒，巡航飛行器以Ma 6的速度在飛行軌跡飛行20s以上。超燃沖壓發(fā)動機在整個試驗的飛行過程中運行良好。

俄羅斯成功試射“鋯石”高超聲速巡航導(dǎo)彈

2020年12月10日，22350型“戈爾什科夫上將”護衛(wèi)艦從白海試射了1枚3M22型“鋯石”高超聲速導(dǎo)彈，導(dǎo)彈飛行距離超過350km，速度超過Ma 8，成功擊中阿爾漢格爾斯克地區(qū)北部奇扎靶場的沿海目標?！颁喪备叱曀傺埠綄?dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)是采用碳氫燃料超燃沖壓發(fā)動機，速度可達Ma 8，發(fā)射方式包括?；?、空基和陸基。自2020年10月6日首次試射，俄羅斯已成功完成了“鋯石”巡航導(dǎo)彈的3次試射。此間，導(dǎo)彈的最高射程可達450km，進一步驗證了其性能的持續(xù)性與穩(wěn)定性，目前已被計劃納入常備武器序列。

加大高超聲速動力基礎(chǔ)研究投入

得克薩斯大學(xué)和Ansys公司共同推進高超聲速軟件開發(fā)

據(jù)Ansys公司消息稱，正與美國得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校（UTA）開發(fā)一種先進的設(shè)計分析流程，該工作流程將快速驗證仿真軟件代碼，有助于減少高超聲速技術(shù)的開發(fā)費用并提高工程效率。

美國國防部(DoD)和美國國家航空航天局（NASA）將高超聲速飛機、航天器和導(dǎo)彈列為優(yōu)先發(fā)展事項。但由于每次飛行測試將耗資多達1億美元，且缺乏具有設(shè)計經(jīng)驗的工程師，相關(guān)技術(shù)發(fā)展受到制約。而Ansys公司的仿真解決方案將推動從飛行器再入熱保護系統(tǒng)到超燃沖壓發(fā)動機燃燒技術(shù)等一系列關(guān)鍵高超聲速技術(shù)的發(fā)展。Ansys公司的基于物理的高保真解算器促進了高超聲速試驗研究，無論是模擬超燃沖壓發(fā)動機內(nèi)部空氣和燃料混合的設(shè)計和分析，還是測量熱應(yīng)力對在惡劣環(huán)境下運行的傳感器的影響。采用Ansys公司的高超聲速系統(tǒng)模型后，UTA研究人員可以在先進的電弧噴射加熱高超聲速風(fēng)洞中進行物理高速飛行測試來驗證軟件代碼的準確性。

美國高校積極開展高超聲速地面試驗設(shè)施建設(shè)

2020年，美國得克薩斯農(nóng)工大學(xué)建成了1個高超聲速擴展風(fēng)洞，并在2月全面投入使用。該風(fēng)洞可提供高達Ma 15的風(fēng)速，并在激光、電磁和光學(xué)航空航天實驗室的幫助下引入大量先進的激光診斷技術(shù)。10月，得克薩斯大學(xué)阿靈頓分校在其弧形射流風(fēng)洞中展示了第一個飛秒級（1×10-15s）雙光子吸收激光誘導(dǎo)熒光和飛秒激光電子激發(fā)標記診斷測量技術(shù)。

高超聲速研究和管理機構(gòu)發(fā)生變革和整合

美國防部成立聯(lián)合高超聲速轉(zhuǎn)化辦公室

2019年年底，美國正式通過《2020財年國防授權(quán)法》，批準國防部斥資1億美元成立聯(lián)合高超聲速轉(zhuǎn)化辦公室與高超聲速研究與人才隊伍發(fā)展大學(xué)聯(lián)盟，旨在整合各界力量，加速美國國防部高超聲速能力的發(fā)展。2020年4月，聯(lián)合高超聲速轉(zhuǎn)化辦公室正式成立，負責(zé)應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟的建立工作。6月，美國國防部研究和工程副部長辦公室（OUSD）面向各機構(gòu)發(fā)布征詢白皮書（RWP），進一步推動應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟的發(fā)展。美國政府在本次發(fā)布的白皮書中對應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟在時間和資金投入方面進行了規(guī)劃，希望通過應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟各成員組織，開展大量的高超聲速原型開發(fā)/研究工作，研究內(nèi)容將貫穿高超聲速基本理論、實際應(yīng)用和高級研究等各個領(lǐng)域，以加速高超聲速技術(shù)的發(fā)展。10月，高超聲速轉(zhuǎn)化辦公室邀請得克薩斯農(nóng)工大學(xué)建立和管理一個應(yīng)用高超聲速技術(shù)的大學(xué)聯(lián)盟，并在未來5年的時間里，每年向其支付2000萬美元的研究經(jīng)費。

洛馬收購航空噴氣-洛克達因

2020年12月，美國第一軍工企業(yè)洛克希德-馬?。羼R）公司宣布將以44億美元收購國防工業(yè)供應(yīng)商航空噴氣-洛克達因公司(Aerojet Rocketdyne)。該交易預(yù)計將于2021年下半年完成，需要滿足常規(guī)交易條件，包括監(jiān)管批準和航空噴氣-洛克達因股東的批準。

航空噴氣-洛克達因公司生產(chǎn)的推進系統(tǒng)是洛馬公司航空、導(dǎo)彈、火控和航天業(yè)務(wù)需要的關(guān)鍵部件。2017年，航空噴氣-洛克達因和洛馬公司聯(lián)合參與了美國空軍研究實驗室的先進全速域發(fā)動機（AFRE）項目，旨在對全尺寸TBCC發(fā)動機開展地面自由射流試驗。航空噴氣-洛克達因公司在2020年12月取得MSCC項目的中等尺寸超燃沖壓發(fā)動機（配裝高超聲速飛機）地面直連試驗的成功。航空噴氣-洛克達因公司還在2019年收購了位于佛羅里達州的從事增材制造的3D材料技術(shù)（3DMT）公司，該公司擁有開展批量生產(chǎn)所需的工具、方法和能力，能以經(jīng)濟實惠的方式生產(chǎn)超燃沖壓發(fā)動機。

洛馬公司在2013年提出SR-72飛行器研制計劃，旨在通過采用并聯(lián)TBCC發(fā)動機實現(xiàn)Ma 6飛行。此次洛馬公司對航空噴氣-洛克達因的收購，實現(xiàn)了動力和飛行器兩家單位的合并，勢必加速飛行器和動力的一體化研究，推進高超聲速飛行器的研制。

結(jié)束語

毋庸置疑，高超聲速飛行器有著巨大的軍事價值和潛在的經(jīng)濟價值，而研制出滿足需求的動力裝置是其成功應(yīng)用的關(guān)鍵所在。通過對2020年高超聲速領(lǐng)域發(fā)展脈絡(luò)的梳理，可以看到，無論是在民用還是軍用領(lǐng)域，吸氣式組合動力技術(shù)依然是各國發(fā)展的重中之重。因此，除了加大對其工程應(yīng)用的直接投入之外，對相關(guān)基礎(chǔ)研究和科研管理創(chuàng)新的關(guān)注也不容忽視。