波音的高超聲速夢(mèng)想

蓋伊·諾瑞斯

波音公司將自身定位于可研發(fā)一種未來(lái)可超過(guò)Ma5速度的察打一體型飛機(jī)的制造商，正加大賭注參與到處于領(lǐng)導(dǎo)地位的美國(guó)超聲速飛行器的加速競(jìng)賽中。波音公司積極加強(qiáng)與ORBITAL ATK公司的合作，開(kāi)展以渦輪基組合循環(huán)為核心的推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

今年1月初，在佛羅里達(dá)州舉行的航天科學(xué)與研究會(huì)議上，波音公司被外界揭露，正在研發(fā)一架可重復(fù)使用的高超聲速演示概念飛行器，這標(biāo)志著波音公司開(kāi)始直面挑戰(zhàn)洛克希德·馬丁公司。而洛克希德·馬丁公司曾于2013年公布了一項(xiàng)計(jì)劃，將要為早已退休的“黑鳥(niǎo)”SR-71研制速度達(dá)Ma6的繼任者。

有跡象表明，波音公司在美國(guó)高超聲速研究和發(fā)展過(guò)程中顯著提升能力，展現(xiàn)了其雄心勃勃的計(jì)劃，通過(guò)各種高速火箭和燃?xì)鈩?dòng)力項(xiàng)目積累了幾十年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。該公司的大后掠三角翼飛行器概念顯著地影響了X-43和X-51A高超聲速演示項(xiàng)目，但同時(shí)也包含了一些來(lái)自波音公司后來(lái)收購(gòu)的公司項(xiàng)目設(shè)計(jì)特征，其中包括Ma3的XB-70瓦爾基里驗(yàn)證型轟炸機(jī)項(xiàng)目。

波音公司的首席科學(xué)家凱文·鮑克特表示，為了研究以最低成本研制一種可重復(fù)使用高超聲速演示飛行器的可能性，波音公司以獨(dú)立的項(xiàng)目研究來(lái)探討這個(gè)問(wèn)題。為了研發(fā)全尺寸樣機(jī)，波音公司考慮了一個(gè)兩步走方案，首先以一架F-16大小的單引擎概念驗(yàn)證機(jī)進(jìn)行飛行測(cè)試，然后再以一架與32.6m長(zhǎng)的SR-71差不多大小的雙引擎全尺寸可操控飛行器進(jìn)行測(cè)試。

這個(gè)概念模型是在佛羅里達(dá)州奧蘭多舉行的美國(guó)航空航天科技協(xié)會(huì)論壇上公布的。凱文·鮑克特說(shuō)：“雙垂尾的“乘波者”后續(xù)還要繼續(xù)優(yōu)化，但它已經(jīng)代表了一個(gè)可行的高超聲速飛行器設(shè)計(jì)方案。研制一架起飛后從Mal一直加速到Ma5、甚至到更快的飛行器確實(shí)非常困難，燃?xì)庖娴谋韧屏?huì)隨著速度的增加而下降，所以必須采用更大的引擎才能達(dá)到Ma5的速度。但是這樣做意味著引擎將會(huì)擁有更大的進(jìn)氣口和噴嘴，而將會(huì)更難以跨越聲速。”

凱文·鮑克特說(shuō)，即使如此，利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO），即一種設(shè)計(jì)人員同時(shí)采用所有相關(guān)學(xué)科方法，通過(guò)仔細(xì)地將機(jī)身和推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行集成，可以使波音公司能夠研發(fā)出一個(gè)可行配置。MDO被于X-51A“乘波者”的設(shè)計(jì)方案凍結(jié)，這是第一種用于驗(yàn)證可持續(xù)燃?xì)馔七M(jìn)的超聲速飛行器。

最初，高超聲速飛行器概念研發(fā)由波音公司獨(dú)立出資，但是在美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）的“先進(jìn)全狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)”（AFRE）項(xiàng)目下進(jìn)行，并且與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的渦輪基組合循環(huán)飛行演示概念研究緊密相關(guān)。波音公司的引擎項(xiàng)目合作伙伴是OBITAL ATK公司，2017年9月，該公司的“先進(jìn)全狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)”項(xiàng)目被授予了一份價(jià)值2140萬(wàn)美元的合同。2016年，波音公司參與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室渦輪基組合循環(huán)項(xiàng)目的飛行演示概念研究工作，并將OBITAL ATK作為其分包商。

該概念飛行器的配置受到渦輪基組合循環(huán)推進(jìn)系統(tǒng)約束，推進(jìn)系統(tǒng)將由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（DMRJ）相結(jié)合，將渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)到足夠高的馬赫數(shù)，再過(guò)渡到雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)之間將共用同一個(gè)進(jìn)氣口和噴嘴，在過(guò)渡段后渦輪被包住，直到高超聲速飛行器減速后再重新啟動(dòng)以返回跑道并降落。鮑克特說(shuō)，進(jìn)氣口被來(lái)自于XB-70的一種突出隔板分開(kāi)，附加了隔板的渦輪基組合循環(huán)只是眾多潛在推進(jìn)方案中的一種，而噴嘴也由一個(gè)突出的尾部分割件隔開(kāi)。

波音公司研發(fā)高超聲速飛機(jī)的首席專(zhuān)家湯姆·史密斯說(shuō)：“推進(jìn)系統(tǒng)決定了飛行器的長(zhǎng)度。”雖然波音公司拒絕討論設(shè)計(jì)的具體細(xì)節(jié)，但是較寬的進(jìn)氣口和機(jī)身上寬闊且較低的發(fā)動(dòng)機(jī)艙表明，每臺(tái)渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)都是并排放置的，而不是上下疊放的。

內(nèi)彎的進(jìn)氣口被置于可捕獲從飛機(jī)頭部產(chǎn)生的初始沖擊波的位置，而依隨大跨度三角翼成型的大后掠前機(jī)身邊條可在高超聲速時(shí)提供乘波能力，在亞聲速起降時(shí)提供高升力?！俺瞬ㄕ摺币辉~是指飛行器乘著沖擊到前緣的激波并受益于較低的誘導(dǎo)阻力來(lái)飛行的設(shè)計(jì)。湯姆·史密斯說(shuō)：“當(dāng)窄邊條過(guò)渡到機(jī)翼時(shí)，在低速階段會(huì)產(chǎn)生有利的渦流?！迸c洛克希德·馬丁公司的SR-72概念相比，波音公司的設(shè)計(jì)外表相似，但不同之處在于它擁有雙垂尾且發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在一個(gè)較大的艙內(nèi)，而不是單獨(dú)安裝。有消息說(shuō)，該機(jī)型在公司內(nèi)部被稱(chēng)為“瓦爾基里2代”，目前仍在不斷完善設(shè)計(jì)中，并且被展示的模型也不太可能出現(xiàn)這種獨(dú)特的駝峰式機(jī)身。

2017年，洛克希德·馬丁公司表示，自2006年起就與航空噴氣火箭達(dá)因公司（Aerojet-Rocketdyne）合作，研發(fā)一種用于超高聲速飛行研究的小尺寸飛行器，并已經(jīng)取得了重大進(jìn)展。該項(xiàng)目是建立在基于美國(guó)空軍和美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局的HTV-3X可重復(fù)使用的高超聲速演示項(xiàng)目的前期工作基礎(chǔ)上進(jìn)行的，雖然HTV-3X項(xiàng)目于2008年下馬，但該項(xiàng)目通過(guò)集成了一個(gè)高速渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，技術(shù)向前邁了一步。HTV-3X概念是美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局的“獵鷹計(jì)劃”的產(chǎn)物，該項(xiàng)目包括開(kāi)發(fā)小型運(yùn)載火箭、通用航空飛行器和高超聲速巡航飛行器。

波音公司提出的可重復(fù)使用的高超聲速演示機(jī)型是一個(gè)基于X-43/X-51經(jīng)驗(yàn)的“乘波者”概念。

波音的超聲速項(xiàng)目歷程

X-15 （1956-1968）

產(chǎn)自北美飛機(jī)公司的有人駕駛火箭動(dòng)力的試驗(yàn)型超聲速飛行器，其速度曾達(dá)到Ma6.7。

先進(jìn)機(jī)動(dòng)再入式飛行器（AMaRV） （1967-1988）

麥克唐納·道格拉斯公司的再入式飛行器展示了多樣氣動(dòng)構(gòu)型和機(jī)動(dòng)再入飛行（13次）的控制機(jī)制。在這一階段，其他五種機(jī)動(dòng)再入式飛行器均得到了試驗(yàn)測(cè)試。

航天飛機(jī)太空運(yùn)輸系統(tǒng)（STS） （1972-2011）

羅克韋爾國(guó)際宇航員和載荷軌道交通系統(tǒng)。

X-43是波音公司生產(chǎn)的世界上第一臺(tái)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)飛行器，并連續(xù)創(chuàng)造了兩個(gè)噴氣式飛機(jī)的速度記錄：Ma6.8和Ma9.6。

X-51A“乘波者” （2003-2013）

波音公司的碳?xì)錄_壓發(fā)動(dòng)飛行器驗(yàn)證了Ma5.1下融合機(jī)身和推進(jìn)器的飛行器重量在未來(lái)高超聲速飛行器的應(yīng)用。

先進(jìn)機(jī)動(dòng)再入式飛行器（AMaRV） （2006至今）

這是一個(gè)由多國(guó)參研的高超聲速飛行試驗(yàn)項(xiàng)目，旨在提高高超聲速飛行的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。2017年，波音公司、澳大利亞的國(guó)防科學(xué)技術(shù)小組、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和昆士蘭大學(xué)聯(lián)合團(tuán)隊(duì)成功地測(cè)試了由波音公司設(shè)計(jì)的“乘波者”滑翔機(jī)的飛行控制系統(tǒng)。

“幻影快車(chē)” （Priainform Express） （2017至今）

波音公司和美國(guó)國(guó)防部預(yù)研局（DARPA）正在合作，設(shè)計(jì)、制造并測(cè)試XS-1幻影快車(chē)技術(shù)驗(yàn)證飛行器。這是一種可重復(fù)使用的太空飛機(jī)，并可快速地、像飛機(jī)似地進(jìn)入太空。