2020年高超聲速推進(jìn)技術(shù)發(fā)展綜述

■ 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(diǎn)，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(qiáng)國繼續(xù)深化高超聲速領(lǐng)域，尤其是吸氣式組合動(dòng)力的技術(shù)研究，在包括高超聲速飛機(jī)動(dòng)力、高超聲速導(dǎo)彈動(dòng)力、基礎(chǔ)研究和組織管理等幾個(gè)方面進(jìn)行了不懈探索。

近年來，隨著科技日趨完善和快速遠(yuǎn)程運(yùn)輸需求的增長，傳統(tǒng)的制約超聲速民用飛機(jī)發(fā)展的因素逐漸消除，超聲速和高超聲速民機(jī)再次成為了全球航空領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，以多家初創(chuàng)公司為代表的多個(gè)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(shí)，以美國為代表的西方航空強(qiáng)國在高超聲速動(dòng)力成果軍事應(yīng)用方面的投入力度也進(jìn)一步加大。美國國防部公布的2021財(cái)年預(yù)算申請概要文件明確指出， 2021財(cái)年在高超聲速領(lǐng)域（含高超聲速防御）申請的科研經(jīng)費(fèi)預(yù)算總額高達(dá)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(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)。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(jī)構(gòu)聯(lián)合的方式填補(bǔ)高超聲速項(xiàng)目研制所需的人才缺口，同時(shí)吸引高校、企業(yè)和科研院所等機(jī)構(gòu)組成應(yīng)用高超聲速聯(lián)盟（University Consortium for Applied Hypersonics），以實(shí)現(xiàn)各技術(shù)領(lǐng)域的齊頭并進(jìn)。

積極開展高超聲速飛機(jī)動(dòng)力關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)

赫爾墨斯公司完成TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)縮比驗(yàn)證機(jī)高速試驗(yàn)

赫爾墨斯公司發(fā)布的試驗(yàn)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(jī)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)縮比驗(yàn)證機(jī)靜態(tài)和高速（Ma5）試驗(yàn)。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試驗(yàn)臺(tái)完成，而高速試驗(yàn)在普渡大學(xué)完成。

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

2020年8月，美國空軍對赫爾墨斯公司進(jìn)行投資，研發(fā)用作未來“空軍一號(hào)”動(dòng)力裝置的TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)。為該項(xiàng)目提供資金的是美國空軍的“空軍一號(hào)”管理團(tuán)隊(duì)，稱1架Ma5的飛機(jī)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(dòng)力

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的創(chuàng)新型組合動(dòng)力概念。公司將其定性為超導(dǎo)電混合TBCC發(fā) 動(dòng) 機(jī)， 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(shí)現(xiàn)從靜止起動(dòng)到Ma 8以上飛行速度的動(dòng)力方案，可用于高超聲速飛機(jī)和導(dǎo)彈，也可用于運(yùn)載系統(tǒng)。

作為一種TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)，Hyscram的“渦輪”（即核心機(jī)）部分是一個(gè)配置磁懸浮風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪級的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，并在軸向配置了一系列超導(dǎo)發(fā)電機(jī)。Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)的“沖壓”部分是環(huán)繞在核心機(jī)外圍的9個(gè)亞燃/超燃雙模沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。通過一個(gè)進(jìn)氣錐或中心錐來調(diào)節(jié)進(jìn)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(jì)，可以根據(jù)飛行條件前后移動(dòng)錐體。進(jìn)氣錐采用電力驅(qū)動(dòng)，當(dāng)移到最前端時(shí)，氣流被引導(dǎo)到亞燃/超燃沖壓通道；而當(dāng)縮回時(shí)，大部分氣流被分流到產(chǎn)生電力的渦輪核心機(jī)。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人稱，“渦輪+沖壓+MHD”的3保險(xiǎn)方式可以保證任何時(shí)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(jī)開發(fā)動(dòng)力

英國維珍銀河（Virgin Galactic）公司及其子公司航天飛機(jī)（The Spaceship）于2020年8月披露了其高速飛機(jī)第一階段設(shè)計(jì)方案，將與羅羅公司合作設(shè)計(jì)、開發(fā)用于高速商用飛機(jī)的超聲速推進(jìn)技術(shù)。維珍銀河公司高速商用飛機(jī)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成一種可在全球現(xiàn)有機(jī)場條件下起降，飛行速度達(dá)到Ma 3的三角翼飛機(jī)，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(shí)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(dòng)機(jī)公司進(jìn)行高超聲速試驗(yàn)臺(tái)概念研究

英國反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司（REL）在2020年5月18日公布，該公司啟動(dòng)了一項(xiàng)概念研究，開發(fā)用于協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)(SABRE，“佩刀”)的飛行驗(yàn)證高超聲速試驗(yàn)臺(tái)。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(jì)劃（GSTP）下進(jìn)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(dòng)機(jī)公司、BAE系統(tǒng)公司和弗諾斯特與沙利文（Frost & Sullivan）公司等。

該項(xiàng)研究的目的：一是研究測試用飛行器的遠(yuǎn)期概念，這將有助于SABRE相關(guān)技術(shù)的演示驗(yàn)證；二是評估以SABRE為動(dòng)力的飛行器在未來空間運(yùn)輸領(lǐng)域的競爭地位。反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)，并具備快速有效的載荷返回選項(xiàng)。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(jìn)入太空的成本。

航空噴氣-洛克達(dá)因公司研發(fā)的大推力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)完成地面試驗(yàn)

航空噴氣-洛克達(dá)因公司超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在APTU試驗(yàn)臺(tái)架上運(yùn)行

2020年12月，在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）的中等尺寸超燃沖壓關(guān)鍵部件（MSCC）項(xiàng)目支持下，美國航空噴氣-洛克達(dá)因公司研發(fā)的大推力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在阿諾德工程發(fā)展綜合體的氣動(dòng)與推進(jìn)試驗(yàn)裝置（APTU）試驗(yàn)臺(tái)完成了一輪為期12個(gè)月以上的地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)長累計(jì)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(dòng)力相比，當(dāng)前的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)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(dòng)機(jī)是指空氣流量為X-51A飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)10倍的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，主要定位為配裝高超聲速飛機(jī)。

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(duì)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(bào)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(dòng)機(jī)（DMSJ）為動(dòng)力。DMSJ是沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)別目標(biāo)。日本防衛(wèi)省計(jì)劃在2026年部署該導(dǎo)彈的早期型號(hào)，并將于2028年后部署增強(qiáng)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(yàn)證機(jī)飛行試驗(yàn)

日本采用DMSJ為動(dòng)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(yàn)證機(jī)（HSTDV）飛行試驗(yàn)。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(yuǎn)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(dòng)隔熱罩以高超聲速分離，巡航飛行器從助推器分離。進(jìn)氣道按計(jì)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(dòng)機(jī)在整個(gè)試驗(yàn)的飛行過程中運(yùn)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?duì)柺部品蛏蠈ⅰ弊o(hù)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(biāo)?！颁喪备叱曀傺埠綄?dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)是采用碳?xì)淙剂铣紱_壓發(fā)動(dòng)機(jī)，速度可達(dá)Ma 8，發(fā)射方式包括海基、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(dá)450km，進(jìn)一步驗(yàn)證了其性能的持續(xù)性與穩(wěn)定性，目前已被計(jì)劃納入常備武器序列。

加大高超聲速動(dòng)力基礎(chǔ)研究投入

得克薩斯大學(xué)和Ansys公司共同推進(jìn)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(jìn)的設(shè)計(jì)分析流程，該工作流程將快速驗(yàn)證仿真軟件代碼，有助于減少高超聲速技術(shù)的開發(fā)費(fèi)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(jī)、航天器和導(dǎo)彈列為優(yōu)先發(fā)展事項(xiàng)。但由于每次飛行測試將耗資多達(dá)1億美元，且缺乏具有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)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(dòng)從飛行器再入熱保護(hù)系統(tǒng)到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)了高超聲速試驗(yàn)研究，無論是模擬超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部空氣和燃料混合的設(shè)計(jì)和分析，還是測量熱應(yīng)力對在惡劣環(huán)境下運(yùn)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(jìn)的電弧噴射加熱高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行物理高速飛行測試來驗(yàn)證軟件代碼的準(zhǔn)確性。

美國高校積極開展高超聲速地面試驗(yàn)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(gè)高超聲速擴(kuò)展風(fēng)洞，并在2月全面投入使用。該風(fēng)洞可提供高達(dá)Ma 15的風(fēng)速，并在激光、電磁和光學(xué)航空航天實(shí)驗(yàn)室的幫助下引入大量先進(jìn)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(gè)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(biāo)記診斷測量技術(shù)。

高超聲速研究和管理機(jī)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(cái)年國防授權(quán)法》，批準(zhǔn)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(duì)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(fù)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(jī)構(gòu)發(fā)布征詢白皮書（RWP），進(jìn)一步推動(dòng)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(shí)間和資金投入方面進(jìn)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(shí)際應(yīng)用和高級研究等各個(gè)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(gè)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(shí)間里，每年向其支付2000萬美元的研究經(jīng)費(fèi)。

洛馬收購航空噴氣-洛克達(dá)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(dá)因公司(Aerojet Rocketdyne)。該交易預(yù)計(jì)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(zhǔn)和航空噴氣-洛克達(dá)因股東的批準(zhǔn)。

航空噴氣-洛克達(dá)因公司生產(chǎn)的推進(jìn)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(dá)因和洛馬公司聯(lián)合參與了美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)全速域發(fā)動(dòng)機(jī)（AFRE）項(xiàng)目，旨在對全尺寸TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)開展地面自由射流試驗(yàn)。航空噴氣-洛克達(dá)因公司在2020年12月取得MSCC項(xiàng)目的中等尺寸超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（配裝高超聲速飛機(jī)）地面直連試驗(yàn)的成功。航空噴氣-洛克達(dá)因公司還在2019年收購了位于佛羅里達(dá)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(jì)實(shí)惠的方式生產(chǎn)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

洛馬公司在2013年提出SR-72飛行器研制計(jì)劃，旨在通過采用并聯(lián)TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)Ma 6飛行。此次洛馬公司對航空噴氣-洛克達(dá)因的收購，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力和飛行器兩家單位的合并，勢必加速飛行器和動(dòng)力的一體化研究，推進(jìn)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(jià)值和潛在的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而研制出滿足需求的動(dòng)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(dòng)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。