赫爾墨斯高超聲速客機(jī)研制進(jìn)展

■ 顏瑾釗 / 中國航發(fā)研究院

美國初創(chuàng)企業(yè)赫爾墨斯（Hermeus）公司于2020年3月完成了用于高超聲速飛機(jī)的渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)縮比驗(yàn)證機(jī)高速試驗(yàn)。該公司于2019年5月宣布要研制一型最大巡航速度為Ma5、航程為7400km、載客20人左右的高超聲速客機(jī)，并初步計(jì)劃在21世紀(jì)20年代末投入商業(yè)運(yùn)營。

自“協(xié)和”黯然退役以來，人們一直沒有放棄對超聲速客機(jī)的追求。進(jìn)入21世紀(jì)，越來越多的國家和科研機(jī)構(gòu)開始涉足高超聲速客機(jī)的研發(fā)。2011年，英國Hypermach公司宣布研制Sonic Star高超聲速公務(wù)機(jī)。2015年，歐洲和日本聯(lián)合開展未來高速運(yùn)輸關(guān)鍵技術(shù)（HIKARI）研究計(jì)劃，研究和發(fā)展高超聲速商用飛機(jī)技術(shù)。2018年6月，波音公司發(fā)布高超聲速客機(jī)概念。2019年5月，又一家美國初創(chuàng)企業(yè)——赫爾墨斯（Hermeus）公司宣布加入高超聲速客機(jī)研制之列。

赫爾墨斯公司高超聲速客機(jī)概念圖（來源：赫爾墨斯公司）

空中交通運(yùn)輸?shù)母镄抡?/h2>

赫爾墨斯公司成立于2018年，總部位于美國亞特蘭大。公司以希臘神話中掌管旅行、交通和商業(yè)的神Hermes的名字命名，創(chuàng)始人認(rèn)為高速旅行不應(yīng)該只屬于神靈，所以在后面增加了“我們”（us）一詞，表達(dá)其“用前所未有的速度連接世界”的愿景。

赫爾墨斯公司提出的高超聲速客機(jī)可以將紐約和倫敦之間的空中旅行時(shí)間從7h縮短至90min，主要面向高端商務(wù)旅客，單程票價(jià)約為3000美元。該公司計(jì)劃先在5年內(nèi)研發(fā)一型Ma5的驗(yàn)證機(jī)，在21世紀(jì)20年代末投入商業(yè)運(yùn)營。

赫爾墨斯公司的4位創(chuàng)始人都來自美國時(shí)代軌道（Generation Orbit）發(fā)射服務(wù)公司，其中A. J.皮普利卡擔(dān)任首席執(zhí)行官（CEO），其余3位擔(dān)任技術(shù)主管，曾共同參與美國空軍的X-60A高超聲速飛行器的研發(fā)工作。同時(shí)，赫爾墨斯公司還成立了顧問委員會，成員均是來自航空科技、私人和商業(yè)航空以及監(jiān)管等領(lǐng)域的專業(yè)人士，包括藍(lán)色起源前董事長、洛克希德-馬?。羼R）公司前執(zhí)行副總裁、美國聯(lián)邦航空局（FAA）前副局長等。這些顧問將從安全、市場、技術(shù)和發(fā)展等方面幫助赫爾墨斯公司制定公司戰(zhàn)略，以加速創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)公司愿景。

采用成熟技術(shù)以提高可實(shí)現(xiàn)性

盡管擁有技術(shù)基礎(chǔ)扎實(shí)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和經(jīng)驗(yàn)豐富的顧問委員會，但要在如此短的時(shí)間內(nèi)研制一型全新的高超聲速客機(jī)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)運(yùn)營也是頗有難度的。因此，赫爾墨斯公司自啟動(dòng)之初便明確提出，飛機(jī)的設(shè)計(jì)將圍繞現(xiàn)有和近期可實(shí)現(xiàn)的機(jī)體、材料、系統(tǒng)和推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行，并立足于使其能夠在對當(dāng)前航空基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行最小改動(dòng)的情況下運(yùn)行，包括采用常規(guī)的航空燃油、兼容現(xiàn)有的機(jī)場跑道等。

從目前披露的信息來看，確實(shí)處處體現(xiàn)了“做工程而非科學(xué)”的基本遵循。在速度指標(biāo)上，赫爾墨斯公司與波音公司的高超聲速客機(jī)概念方案一樣，選擇了Ma5。

對于商務(wù)出行而言，時(shí)間是一個(gè)非常重要的要素，其核心在于人們究竟希望花多長時(shí)間來完成一段旅行。超聲速并不算快，因?yàn)閮H僅是超聲速還無法實(shí)現(xiàn)在一天之內(nèi)完成跨洋往返飛行。而能夠在一天內(nèi)往返，對于民航班機(jī)來說非常重要。波音公司研究了在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下以更高巡航速度飛行的潛在優(yōu)勢，包括縮短飛行時(shí)間、提高資產(chǎn)利用率以及增加創(chuàng)收等。根據(jù)估算，以Ma5速度巡航即可完成2h左右跨大西洋飛行或3h左右跨太平洋飛行，這將是一個(gè)革命性的突破。而速度達(dá)到Ma5以上，速度提升帶來的邊際收益在減小，而邊際成本卻在增加。更高的速度可能意味著更大的推力和更高的油耗，也會更晚投入運(yùn)營。因此，波音公司認(rèn)為，Ma5是高超聲速飛機(jī)在民用和非運(yùn)輸類軍用之間的速度分水嶺。可見，速度是影響技術(shù)難度進(jìn)而決定研制進(jìn)程的核心指標(biāo)，而將速度限制在Ma5是項(xiàng)目在短期內(nèi)具備可實(shí)現(xiàn)性的關(guān)鍵。

材料方面，當(dāng)飛行速度超過Ma5后，燃燒室內(nèi)的總溫、前緣部件的溫度等將超出現(xiàn)有材料能承受的范圍。以實(shí)際飛行過的X-15試驗(yàn)機(jī)為例，在Ma5的真實(shí)飛行環(huán)境下，機(jī)頭和翼根處記錄到的溫度分別是600℃和718℃；根據(jù)預(yù)測分析，一旦飛行速度達(dá)到Ma8，這兩處的平衡溫度將分別飆升至2200℃和1700℃。溫度升高若超出輕質(zhì)材料的耐受范圍，則需要采用鎳基高溫合金材料；若再超過高溫合金的極限，則必須采用陶瓷基復(fù)合材料，而這些材料已然超出了目前能夠成熟應(yīng)用的技術(shù)范疇。

動(dòng)力方面，赫爾墨斯公司將采用渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)。此前，美國國防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）經(jīng)過長期預(yù)研和論證，已經(jīng)在2016年明確了全尺寸TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)是高超聲速飛機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的最佳解決方案。一般認(rèn)為，Ma5是選擇亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的分界線：當(dāng)速度低于Ma5時(shí)，采用亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；當(dāng)速度高于Ma5時(shí)，采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。赫爾墨斯公司認(rèn)為，雖然超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開展過大量研究，但距實(shí)際應(yīng)用還需要20年左右的時(shí)間，而且必須依靠國家級的投入才行；而亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma5的條件下仍具有較高的比沖，且技術(shù)難度明顯小于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。因此，將最大巡航速度限制在Ma5意味著不需要采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，從而可以簡化推進(jìn)系統(tǒng)。

在機(jī)體方面，從目前披露的概念圖來看，飛機(jī)采用大后掠三角翼無平尾加雙垂尾布局，翼尖部分采用了可彎折變體翼尖設(shè)計(jì)。此翼尖在起降和低速段呈平直或小角度彎折狀態(tài)，在高速飛行時(shí)則會大角度向下彎折，以強(qiáng)化乘波效應(yīng)、顯著增加升力，同時(shí)也可起到垂直安定面的作用，提高高速飛行狀態(tài)的航向穩(wěn)定性。推進(jìn)系統(tǒng)布置在機(jī)體腹部，利用前機(jī)體壓縮效應(yīng)，配合機(jī)腹進(jìn)氣方式對來流空氣增壓。

TBCC縮比驗(yàn)證機(jī)試驗(yàn)（來源：赫爾墨斯公司）

已完成TBCC縮比驗(yàn)證機(jī)靜態(tài)和高速試驗(yàn)

自2019年5月公布高超聲速客機(jī)研制計(jì)劃后，赫爾墨斯公司將發(fā)展推進(jìn)系統(tǒng)作為其宏偉計(jì)劃的首要任務(wù)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)用6個(gè)月的時(shí)間在亞特蘭大迪卡爾布-皮奇特里機(jī)場的一個(gè)改裝后的集裝箱中搭建了試驗(yàn)設(shè)施，并開展了100多次發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)；僅用9個(gè)月的時(shí)間，便在2020年3月完成了TBCC縮比驗(yàn)證機(jī)的海平面靜態(tài)試驗(yàn)和高速模擬試驗(yàn)（達(dá)到Ma5）。其中海平面靜態(tài)試驗(yàn)在赫爾墨斯公司位于亞特蘭大的內(nèi)部試驗(yàn)臺完成，而高速試驗(yàn)在普渡大學(xué)完成。

本輪試驗(yàn)所用的縮比驗(yàn)證機(jī)由現(xiàn)貨渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、內(nèi)部開發(fā)的預(yù)冷器、亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，以及渦輪組件與沖壓組件共用的進(jìn)氣道和噴管組成。其中渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的工作范圍是Ma0～3.3，模態(tài)轉(zhuǎn)換區(qū)間為Ma2.8～3+，之后由亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速至Ma5。迄今為止，試驗(yàn)主要集中在組合動(dòng)力中各動(dòng)力單元單獨(dú)運(yùn)行的試驗(yàn)，接下來將著手模態(tài)轉(zhuǎn)換這一關(guān)鍵技術(shù)的驗(yàn)證。

赫爾墨斯公司拒絕透露預(yù)冷裝置和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的詳細(xì)信息，但皮普利卡稱，發(fā)動(dòng)機(jī)很小，尺寸介于JetCat發(fā)動(dòng)機(jī)和威廉姆斯國際公司的發(fā)動(dòng)機(jī)之間。JetCat微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)推力大約在100N量級，而威廉姆斯國際公司的明星產(chǎn)品FJ44系列小型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)推力在10～20kN之間，直徑約為0.5m，由此推測赫爾墨斯公司所用的發(fā)動(dòng)機(jī)推力可能在1kN量級。

赫爾墨斯公司通過其社交平臺公開了試驗(yàn)現(xiàn)場的照片。圖中可見，試驗(yàn)樣機(jī)采用二維噴口設(shè)計(jì)，帶有控制噴管收擴(kuò)的裝置，噴管前端的疑似沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)或渦輪加力燃燒室部分呈圓截面構(gòu)型，試驗(yàn)臺處于開放式環(huán)境中，應(yīng)是在進(jìn)行海平面靜態(tài)試車。未見進(jìn)氣道、預(yù)冷裝置和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)照片亦可推測該TBCC縮比驗(yàn)證機(jī)可能采用了串聯(lián)式布局。

此外，赫爾墨斯公司還透露已經(jīng)在普渡大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室開展了進(jìn)氣道直連試驗(yàn)，并認(rèn)為進(jìn)氣道的研制是推進(jìn)系統(tǒng)乃至整個(gè)飛機(jī)最困難的部分，至今尚未攻克，接下來還將利用其他試驗(yàn)設(shè)施開展更多的進(jìn)氣道試驗(yàn)。

通過縮比驗(yàn)證機(jī)和現(xiàn)有的硬件，赫爾墨斯公司得以快速而有效地降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)并成倍地削減試驗(yàn)成本。如果進(jìn)行全尺寸試驗(yàn)可能要花費(fèi)幾千萬甚至幾億美元，而采用縮比驗(yàn)證機(jī)，并充分利用美國國內(nèi)的試驗(yàn)設(shè)施，則花費(fèi)要低得多。而且，增材制造的廣泛使用也有助于節(jié)省成本和時(shí)間。據(jù)赫爾墨斯公司透露，其成本比DARPA的先進(jìn)全狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)（AFRE）項(xiàng)目降低了近兩個(gè)數(shù)量級。

AFRE項(xiàng)目旨在研發(fā)和驗(yàn)證一種能夠在Ma0～5+范圍內(nèi)無縫工作的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，滿足航程大于2200km、速度大于Ma5，且飛行高度大于18000m的高超聲速飛行器的要求。該項(xiàng)目采用羅羅公司的F405發(fā)動(dòng)機(jī)作為基準(zhǔn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力約為30kN，直徑約為0.6m。根據(jù)最新預(yù)算，AFRE項(xiàng)目總投入達(dá)到約1.4億美元，將在2021年完成一型Ma5級高超聲速飛機(jī)用全尺寸TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)地面集成驗(yàn)證。

渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)共用同一噴管（來源：赫爾墨斯公司）

面臨諸多挑戰(zhàn)，任重而道遠(yuǎn)

環(huán)境要求

對于一型商用飛機(jī)來說，技術(shù)成功和市場成功兩者缺一不可。高超聲速客機(jī)投入商業(yè)運(yùn)營除了要解決一系列技術(shù)難題之外，還要面臨乘客的接受能力和運(yùn)營舒適度等挑戰(zhàn)。盡管美國的X-42、X-51高超聲速無人試驗(yàn)飛行器速度已經(jīng)能夠達(dá)到Ma5以上，但在將該技術(shù)應(yīng)用到商用領(lǐng)域時(shí)，還必須考慮到人體的承受極限和對環(huán)境的影響。同時(shí)，超聲速客機(jī)想要重返民用航空市場還需要經(jīng)過適航認(rèn)證的考驗(yàn)，其中最難的就是解決聲爆問題。

聲爆是指超聲速飛行器在突破聲障時(shí)產(chǎn)生的巨大能量傳到地面形成的短暫而強(qiáng)烈的爆炸聲。目前FAA規(guī)定，禁止民航客機(jī)飛行速度超過Ma0.99；國際民航組織（ICAO）也規(guī)定，禁止任何民用飛行器制造“聲波干擾”。當(dāng)然，ICAO已在2019年2月得出結(jié)論，認(rèn)為現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)不足以涵蓋更高速的飛機(jī)，正在推進(jìn)新標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作；國際清潔交通委員會（ICCT）也認(rèn)為，在陸地上空嚴(yán)格限制超聲速可能會影響新技術(shù)的應(yīng)用，這意味著制造商現(xiàn)在很難將超聲速客機(jī)推向市場。但要想改變現(xiàn)有的民用航空管理?xiàng)l例，高超聲速客機(jī)必須展示出優(yōu)異的降噪性能。

赫爾墨斯公司4位創(chuàng)始人在首臺發(fā)動(dòng)機(jī)前留影（來源：《亞特蘭大人》期刊）

融資壓力

“協(xié)和”飛機(jī)的開發(fā)成本約為70億美元，波音公司和空客公司的每一型商用飛機(jī)的研發(fā)費(fèi)用均在25億～60億美元范圍內(nèi)，如此規(guī)模的資金對于任何一家初創(chuàng)公司來說都堪稱天文數(shù)字。

赫爾墨斯公司曾在2019年5月宣布成功完成了由美國科斯拉風(fēng)險(xiǎn)投資公司（Khosla Ventures）牽頭的首輪融資，這筆資金將主要用于高超聲速推進(jìn)系統(tǒng)的研發(fā)和驗(yàn)證工作，并未透露具體金額。本輪發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)已經(jīng)花費(fèi)了百萬美元量級的經(jīng)費(fèi)，如果進(jìn)展順利，在近期完成TBCC模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)之后，赫爾墨斯公司將著手啟動(dòng)飛機(jī)整機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作。赫爾墨斯公司表示將有至少兩架較小的驗(yàn)證機(jī)用于試驗(yàn)和迭代。在地面上構(gòu)建Ma5的測試環(huán)境是非常困難的，這意味著必須進(jìn)行飛行試驗(yàn)，因此需要建設(shè)大量的硬件設(shè)施。有分析稱，赫爾墨斯公司近期密集地披露試驗(yàn)進(jìn)展可能也是出于融資壓力。所幸的是，太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、藍(lán)色起源公司（Blue Origin）等公司的崛起讓投資者愿意相信，航空航天領(lǐng)域可以提供長期的財(cái)務(wù)回報(bào)， 赫爾墨斯公司或許也有能力讓投資者對其充滿信心。

人才需求

擴(kuò)大研發(fā)團(tuán)隊(duì)規(guī)模是赫爾墨斯公司近期面臨的又一挑戰(zhàn)。盡管團(tuán)隊(duì)建設(shè)在短時(shí)間內(nèi)已經(jīng)取得了較大進(jìn)展，但與最終成功還有非常大的距離。材料與結(jié)構(gòu)是高超聲速客機(jī)無法避開的技術(shù)難題，此外，還有模態(tài)轉(zhuǎn)換、寬速域氣動(dòng)布局、綜合熱管理、飛發(fā)一體化等核心關(guān)鍵技術(shù)等待赫爾墨斯團(tuán)隊(duì)一一攻克。赫爾墨斯公司計(jì)劃在今年年底將團(tuán)隊(duì)人數(shù)從1月份的8人擴(kuò)充至25人或30人。截至目前，已經(jīng)有一名空氣動(dòng)力學(xué)工程師和一名機(jī)體機(jī)械工程師加入團(tuán)隊(duì)，后續(xù)招聘的職位還包括航空電子工程師、飛行軟件工程師和動(dòng)力機(jī)械工程師等。

結(jié)束語

近年來，人們對高超聲速旅行的再度關(guān)注，與更加成熟的材料和技術(shù)以及商業(yè)航天的崛起給投資者的信心不無關(guān)系。赫爾墨斯公司的方案目前表現(xiàn)出較高的可行性，但綜合美國發(fā)展高超聲速飛行器的歷程來看，拋開飛機(jī)的全新設(shè)計(jì)、新材料的生產(chǎn)應(yīng)用等問題不談，僅飛行試驗(yàn)就需要10年時(shí)間。再考慮到市場、法規(guī)、環(huán)保要求等因素，高超聲速客機(jī)在未來10～20年內(nèi)投入運(yùn)營的前景似乎并不樂觀。赫爾墨斯公司提出的幾乎是一個(gè)不可能完成的任務(wù)。但鑒于其創(chuàng)始人團(tuán)隊(duì)與美國空軍的合作經(jīng)歷，而且方案明確采用航空燃油使其具備了軍事應(yīng)用的潛力，該項(xiàng)目后期或有可能得到美國軍方的支持；又或者公司在利用商業(yè)資本取得技術(shù)突破后，被洛馬公司、波音公司等巨頭收購也未可知。當(dāng)然人們更樂于看到，隨著技術(shù)的成熟、材料工藝的改進(jìn)以及法規(guī)的完善更新，新一代高超聲速客機(jī)的命運(yùn)或?qū)⑴c“協(xié)和”有所不同。