蓋伊·諾里斯（美國科羅拉多州斯普林斯市）

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司開發(fā)的DART-AE小型高超聲速無人機驗證機安裝了一臺“斯巴達”超燃沖壓發(fā)動機，飛行速度可達Ma7，為多任務(wù)航天器發(fā)射任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。在完成臺架試驗后，“斯巴達”超燃沖壓發(fā)動機將開展試飛。

憑借數(shù)十年的高超聲速研究和技術(shù)積淀，初創(chuàng)企業(yè)高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司（Hypersonix Launch Systems）蓄勢待發(fā)，準備在國家太空與導彈防御系統(tǒng)吸氣式發(fā)動機研制計劃中發(fā)揮核心作用。

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司位于澳大利亞昆士蘭州布里斯班市，成立于2019年，致力于超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，主要目標是開發(fā)一種三級航天發(fā)射系統(tǒng)，將重量低于49.9kg的小型衛(wèi)星送入近地軌道或太陽同步軌道。如今，隨著高超聲速系統(tǒng)在澳大利亞國防戰(zhàn)略中占據(jù)越來越重要的地位，該公司超燃沖壓發(fā)動機技術(shù)吸引了眾多客戶的濃厚興趣。

在技術(shù)需求牽引下，高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司從2021年底開始把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向國防領(lǐng)域。來自國防部門的客戶認為，最大的問題是項目的節(jié)奏，希望快速獲得大量產(chǎn)品并開展發(fā)射試驗，不愿意等待數(shù)年，并期待新開發(fā)的產(chǎn)品成為高超聲速探測與防御等系統(tǒng)的試驗手段，一是實用，性能強大；其次是產(chǎn)品可靠性高，能定期和頻繁使用。

圖1 高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司研制的“斯巴達”超燃沖壓發(fā)動機，其能源為高壓氫氣。

氫動力超燃沖壓發(fā)動機開發(fā)

超燃沖壓發(fā)動機是整個無人發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其比推力為2000s，超過同等尺寸常規(guī)火箭助推器的6.5倍。該型發(fā)動機采用了高強度重量比設(shè)計，具有簡單、堅固、重量輕等特點，可重復、可擴展使用，沒有活動部件，能自動點火，可將高超聲速無人機系統(tǒng)的飛行速度加速到Ma5～12的范圍。

臺架試驗

“斯巴達”（Spartan）超燃沖壓發(fā)動機試驗臺采用3D打印技術(shù)制造而成，使用的材料是鎳鉻合金。一家未公開身份的德國制造商正在制造發(fā)動機試驗臺，該試驗臺雖然不是一臺完整的、可正常工作的發(fā)動機，但具備所有正確的形狀和開口，同時展示了發(fā)動機制造所需的技術(shù)。

在政府提供的商業(yè)資助下，高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司正在與位于澳大利亞維多利亞州的3D金屬材料打印專業(yè)機構(gòu)阿米加工程公司（Amiga Engineering）合作，開展“斯巴達”超燃沖壓發(fā)動機試驗臺的臺架試驗。

2021年，一臺縮比發(fā)動機模型在澳大利亞昆士蘭大學完成初期激波風洞試驗。

2022年3月，臺架試驗在澳大利亞布里斯班市的布爾沃島（Bulwer）完成。高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司對“斯巴達”試驗臺進行了一些熱測試，測試過程順利，發(fā)動機滿足技術(shù)要求，下一步計劃對“斯巴達”驗證機開展試飛。

2022年3月，在高超聲速無人機系統(tǒng)達到Ma5以及更高馬赫數(shù)等一系列飛行速度下，試驗團隊對發(fā)動機進氣口進行測試，以確保超燃沖壓發(fā)動機的氫燃料在所有飛行速度下都能正常燃燒。最近，試驗團隊開展了一次評估燃料系統(tǒng)的臺架試驗。超燃沖壓發(fā)動機試驗臺由高壓氫氣、遠程控制閥和所有其他設(shè)備組成，實現(xiàn)了全部預(yù)期目標。

生產(chǎn)型超燃沖壓發(fā)動機制造

生產(chǎn)型超燃沖壓發(fā)動機將由耐熱性更高的陶瓷基復合材料（CMC）制成，高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司下一步將考慮如何在生產(chǎn)線上制造發(fā)動機，而不是制造訂制型試驗臺，這是該公司面臨的下一個重大挑戰(zhàn)。發(fā)動機結(jié)構(gòu)件將考慮使用不同類型的陶瓷基復合材料。

高超聲速無人機系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點

澳大利亞開發(fā)的高超聲速無人機系統(tǒng)以垂直發(fā)射模式升空，包含第一級火箭助推器“回旋鏢”（Boomerang），第二級、第三級航天器?！盎匦S”火箭助推器安裝了氫動力超燃沖壓發(fā)動機，為高超聲速無人機系統(tǒng)提供動力。在超燃沖壓發(fā)動機將高超聲速無人機系統(tǒng)的飛行速度加速到Ma5之后，“回旋鏢”火箭助推器脫離系統(tǒng)，然后滑翔飛行，返回發(fā)射場，最終以較慢的速度擺動機翼完成水平著陸。

第二級航天器名為“德爾塔-維洛斯軌道器”（Delta Velos Orbiter），是一種錐形有翼航天器，長度12m，機身下方安裝了4臺并聯(lián)式超燃沖壓發(fā)動機。為了保證第三級航天器順利過渡到太空，超燃沖壓發(fā)動機應(yīng)將“德爾塔-維洛斯軌道器”的飛行速度加速到Ma12。

在約33.5km的高度，第二級航天器“德爾塔-維洛斯軌道器”脫離系統(tǒng)，并以一種跳躍式飛行軌跡返回距當前位置很遠的發(fā)射場。當“德爾塔-維洛斯軌道器”每次到達跳躍軌跡的底部時，超燃沖壓發(fā)動機重啟以維持飛行，直到“德爾塔-維洛斯軌道器”再次進入滑翔狀態(tài)。最后，“德爾塔-維洛斯軌道器”在標準跑道上降落。

第三級航天器采用了火箭推進技術(shù)，頭部集成了第三級火箭助推器，當?shù)谌壓教炱魍瓿扇蝿?wù)載荷發(fā)射后，第三級火箭助推器脫離航天器，然后在大氣中燃燒殆盡。

DART-AE小型無人機驗證機開展試驗

圖2 “德爾塔-維洛斯軌道器”機身下方安裝了4臺串聯(lián)式超燃沖壓發(fā)動機。

在“斯巴達”超燃沖壓發(fā)動機的初期試驗計劃中，一臺發(fā)動機被集成到一架DART-AE小型高超聲速無人驗證機上。這架驗證機是一種大后掠角三角翼無人機，機長2.76m，重量約300kg，整個機體采用了增材制造技術(shù)，機翼前緣由3D打印技術(shù)而制成，使用了含有鎢元素的鎳鉻合金。在試飛中，DART-AE小型驗證機的飛行速度達Ma7，航程超過499km，試驗科目包括超燃發(fā)動機的起動與關(guān)閉性能驗證、空氣動力控制測試、航程和飛行性能驗證。在試驗過程中，發(fā)動機可隨時點火起動，燃油系統(tǒng)是秘密資源之一。

DART-AE多任務(wù)無人機驗證機預(yù)計2023 年首次發(fā)射

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司計劃使用兩級探空火箭發(fā)射DART-AE多任務(wù)驗證機，發(fā)射任務(wù)由位于美國加州圣迭戈市的克拉托斯（Kratos）防務(wù)和安全解決方案公司承擔，目的是讓發(fā)動機將DART-AE多任務(wù)驗證機的飛行速度加速到Ma7，飛行高度提升到約45km。DART-AE多任務(wù)驗證機擬于2023年在位于美國弗吉尼亞州的美國國家航空航天局（NASA）沃洛普斯（Wallops）飛行基地進行首次發(fā)射。

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司計劃開展三次發(fā)射任務(wù)，在美國沃洛普斯飛行基地實施前兩次發(fā)射，在澳大利亞進行第三次發(fā)射。目前，該公司正與澳大利亞赤道發(fā)射（ELA）基地探討合作的可行性，也可能在澳大利亞新建成的阿納姆航天中心（Arnhem Space Center）進行第三次發(fā)射。阿納姆航天中心是澳大利亞第一個商業(yè)航天基地，位于澳大利亞北領(lǐng)地（NT），靠近赤道。澳大利亞赤道發(fā)射基地已與NASA合作實施了一個項目，于今年6月底完成該項目的首次發(fā)射。因此，該基地是經(jīng)NASA認證的載荷集成站，并擁有NASA授權(quán)的發(fā)射軌道。

圖3 “德爾塔-維洛斯軌道器”驗證機機長5.5m，后續(xù)將為尺寸更大的航天器開發(fā)鋪平道路。

圖4 當飛行速度被超燃沖壓發(fā)動機加速到Ma12時，“德爾塔-維洛斯軌道器”發(fā)射第三級航天器。

圖5 DART-AE 縮比驗證機由單臺超燃沖壓發(fā)動機提供動力，瞄準了高超聲速防御等多任務(wù)系統(tǒng)開發(fā)。

DART-AE多任務(wù)驗證機發(fā)揮的作用將不止于技術(shù)驗證，還將為澳大利亞未來多任務(wù)高超聲速無人機系統(tǒng)驗證機提供技術(shù)基礎(chǔ)，更好地滿足澳大利亞日益增長的產(chǎn)品開發(fā)與高超聲速導彈防御系統(tǒng)試驗的需求。DART-AE不僅是一架驗證機，同時也代表了一種技術(shù)能力，將引領(lǐng)澳大利亞其他國防裝備的發(fā)展。

多方加強合作

隨著今年4月澳大利亞、英國和美國簽訂三邊安全伙伴關(guān)系（AUKUS）協(xié)議，三國將合作開發(fā)高超聲速武器，這意味高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司迎來了前所未有的高超聲速技術(shù)應(yīng)用機遇。

英國、澳大利亞均與美國開展了高超聲速項目雙邊合作，而三邊安全伙伴關(guān)系協(xié)議旨在探索如何通過三方關(guān)系，加強現(xiàn)有合作。在該協(xié)議的推動下，英國可能會參與澳大利亞和美國合作實施的“南十字星綜合飛行研究試驗”（SCIFire）雙邊計劃。SCIFire雙邊計劃旨在開發(fā)一種飛行速度為Ma5的空射打擊與反艦武器，該武器可集成到三個國家都使用的洛馬公司F-35戰(zhàn)斗機和波音公司P-8“海神”反潛機上。其他項目可能包括美國、英國和澳大利亞聯(lián)合開發(fā)的滑翔段攔截器。

在SCIFire項目之前，美國和澳大利亞合作開發(fā)的“高超聲速國際飛行研究試驗”（HIFiRE）計劃已運行數(shù)年，這為澳大利亞高超聲速技術(shù)發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。HIFiRE計劃具有較高的成本效益，7次發(fā)射費用僅約7000萬美元，提供了真正的高超聲速飛行經(jīng)驗，擁有如此深度和水平的飛行經(jīng)驗的項目并不多見?，F(xiàn)在，高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司迎來一次真正的機會，在高超聲速新計劃發(fā)展過程中乘勢而上，積極推動澳大利亞高超聲速系統(tǒng)向前發(fā)展。