澳大利亞啟動(dòng)高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)計(jì)劃

蓋伊·諾里斯（美國(guó)科羅拉多州斯普林斯市）

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的DART-AE小型高超聲速無(wú)人機(jī)驗(yàn)證機(jī)安裝了一臺(tái)“斯巴達(dá)”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，飛行速度可達(dá)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(tái)架試驗(yàn)后，“斯巴達(dá)”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將開(kāi)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(shì)待發(fā)，準(zhǔn)備在國(guó)家太空與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)研制計(jì)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(dòng)機(jī)技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種三級(jí)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(yáng)同步軌道。如今，隨著高超聲速系統(tǒng)在澳大利亞國(guó)防戰(zhàn)略中占據(jù)越來(lái)越重要的地位，該公司超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)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(kāi)始把發(fā)展重心轉(zhuǎn)向國(guó)防領(lǐng)域。來(lái)自國(guó)防部門的客戶認(rèn)為，最大的問(wèn)題是項(xiàng)目的節(jié)奏，希望快速獲得大量產(chǎn)品并開(kāi)展發(fā)射試驗(yàn)，不愿意等待數(shù)年，并期待新開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品成為高超聲速探測(cè)與防御等系統(tǒng)的試驗(yàn)手段，一是實(shí)用，性能強(qiáng)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(dá)”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，其能源為高壓氫氣。

氫動(dòng)力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)

超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)無(wú)人發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其比推力為2000s，超過(guò)同等尺寸常規(guī)火箭助推器的6.5倍。該型發(fā)動(dòng)機(jī)采用了高強(qiáng)度重量比設(shè)計(jì)，具有簡(jiǎn)單、堅(jiān)固、重量輕等特點(diǎn)，可重復(fù)、可擴(kuò)展使用，沒(méi)有活動(dòng)部件，能自動(dòng)點(diǎn)火，可將高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的飛行速度加速到Ma5～12的范圍。

臺(tái)架試驗(yàn)

“斯巴達(dá)”（Spartan）超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)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(kāi)身份的德國(guó)制造商正在制造發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，該試驗(yàn)臺(tái)雖然不是一臺(tái)完整的、可正常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，但具備所有正確的形狀和開(kāi)口，同時(shí)展示了發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)構(gòu)阿米加工程公司（Amiga Engineering）合作，開(kāi)展“斯巴達(dá)”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的臺(tái)架試驗(yàn)。

2021年，一臺(tái)縮比發(fā)動(dòng)機(jī)模型在澳大利亞昆士蘭大學(xué)完成初期激波風(fēng)洞試驗(yàn)。

2022年3月，臺(tái)架試驗(yàn)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(duì)“斯巴達(dá)”試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了一些熱測(cè)試，測(cè)試過(guò)程順利，發(fā)動(dòng)機(jī)滿足技術(shù)要求，下一步計(jì)劃對(duì)“斯巴達(dá)”驗(yàn)證機(jī)開(kāi)展試飛。

2022年3月，在高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)達(dá)到Ma5以及更高馬赫數(shù)等一系列飛行速度下，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣口進(jìn)行測(cè)試，以確保超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的氫燃料在所有飛行速度下都能正常燃燒。最近，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一次評(píng)估燃料系統(tǒng)的臺(tái)架試驗(yàn)。超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)由高壓氫氣、遠(yuǎn)程控制閥和所有其他設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)了全部預(yù)期目標(biāo)。

生產(chǎn)型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)制造

生產(chǎn)型超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將由耐熱性更高的陶瓷基復(fù)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(dòng)機(jī)，而不是制造訂制型試驗(yàn)臺(tái)，這是該公司面臨的下一個(gè)重大挑戰(zhàn)。發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)件將考慮使用不同類型的陶瓷基復(fù)合材料。

高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)的組成與技術(shù)特點(diǎn)

澳大利亞開(kāi)發(fā)的高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)以垂直發(fā)射模式升空，包含第一級(jí)火箭助推器“回旋鏢”（Boomerang），第二級(jí)、第三級(jí)航天器?！盎匦S”火箭助推器安裝了氫動(dòng)力超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，為高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)提供動(dòng)力。在超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)將高超聲速無(wú)人機(jī)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(chǎng)，最終以較慢的速度擺動(dòng)機(jī)翼完成水平著陸。

第二級(jí)航天器名為“德?tīng)査?維洛斯軌道器”（Delta Velos Orbiter），是一種錐形有翼航天器，長(zhǎng)度12m，機(jī)身下方安裝了4臺(tái)并聯(lián)式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。為了保證第三級(jí)航天器順利過(guò)渡到太空，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)將“德?tīng)査?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(jí)航天器“德?tīng)査?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(dāng)前位置很遠(yuǎn)的發(fā)射場(chǎng)。當(dāng)“德?tīng)査?維洛斯軌道器”每次到達(dá)跳躍軌跡的底部時(shí)，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)重啟以維持飛行，直到“德?tīng)査?維洛斯軌道器”再次進(jìn)入滑翔狀態(tài)。最后，“德?tīng)査?維洛斯軌道器”在標(biāo)準(zhǔn)跑道上降落。

第三級(jí)航天器采用了火箭推進(jìn)技術(shù)，頭部集成了第三級(jí)火箭助推器，當(dāng)?shù)谌?jí)航天器完成任務(wù)載荷發(fā)射后，第三級(jí)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(wú)人機(jī)驗(yàn)證機(jī)開(kāi)展試驗(yàn)

圖2 “德?tīng)査?維洛斯軌道器”機(jī)身下方安裝了4臺(tái)串聯(lián)式超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

在“斯巴達(dá)”超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的初期試驗(yàn)計(jì)劃中，一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)被集成到一架DART-AE小型高超聲速無(wú)人驗(yàn)證機(jī)上。這架驗(yàn)證機(jī)是一種大后掠角三角翼無(wú)人機(jī)，機(jī)長(zhǎng)2.76m，重量約300kg，整個(gè)機(jī)體采用了增材制造技術(shù)，機(jī)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(yàn)證機(jī)的飛行速度達(dá)Ma7，航程超過(guò)499km，試驗(yàn)科目包括超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與關(guān)閉性能驗(yàn)證、空氣動(dòng)力控制測(cè)試、航程和飛行性能驗(yàn)證。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)可隨時(shí)點(diǎn)火起動(dòng)，燃油系統(tǒng)是秘密資源之一。

DART-AE多任務(wù)無(wú)人機(jī)驗(yàn)證機(jī)預(yù)計(jì)2023 年首次發(fā)射

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司計(jì)劃使用兩級(jí)探空火箭發(fā)射DART-AE多任務(wù)驗(yàn)證機(jī)，發(fā)射任務(wù)由位于美國(guó)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(dān)，目的是讓發(fā)動(dòng)機(jī)將DART-AE多任務(wù)驗(yàn)證機(jī)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(yàn)證機(jī)擬于2023年在位于美國(guó)弗吉尼亞州的美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）沃洛普斯（Wallops）飛行基地進(jìn)行首次發(fā)射。

高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司計(jì)劃開(kāi)展三次發(fā)射任務(wù)，在美國(guó)沃洛普斯飛行基地實(shí)施前兩次發(fā)射，在澳大利亞進(jìn)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(jìn)行第三次發(fā)射。阿納姆航天中心是澳大利亞第一個(gè)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(shí)施了一個(gè)項(xiàng)目，于今年6月底完成該項(xiàng)目的首次發(fā)射。因此，該基地是經(jīng)NASA認(rèn)證的載荷集成站，并擁有NASA授權(quán)的發(fā)射軌道。

圖3 “德?tīng)査?維洛斯軌道器”驗(yàn)證機(jī)機(jī)長(zhǎng)5.5m，后續(xù)將為尺寸更大的航天器開(kāi)發(fā)鋪平道路。

圖4 當(dāng)飛行速度被超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)加速到Ma12時(shí)，“德?tīng)査?維洛斯軌道器”發(fā)射第三級(jí)航天器。

圖5 DART-AE 縮比驗(yàn)證機(jī)由單臺(tái)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，瞄準(zhǔn)了高超聲速防御等多任務(wù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。

DART-AE多任務(wù)驗(yàn)證機(jī)發(fā)揮的作用將不止于技術(shù)驗(yàn)證，還將為澳大利亞未來(lái)多任務(wù)高超聲速無(wú)人機(jī)系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)提供技術(shù)基礎(chǔ)，更好地滿足澳大利亞日益增長(zhǎng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與高超聲速導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)的需求。DART-AE不僅是一架驗(yàn)證機(jī)，同時(shí)也代表了一種技術(shù)能力，將引領(lǐng)澳大利亞其他國(guó)防裝備的發(fā)展。

多方加強(qiáng)合作

隨著今年4月澳大利亞、英國(guó)和美國(guó)簽訂三邊安全伙伴關(guān)系（AUKUS）協(xié)議，三國(guó)將合作開(kāi)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(lái)了前所未有的高超聲速技術(shù)應(yīng)用機(jī)遇。

英國(guó)、澳大利亞均與美國(guó)開(kāi)展了高超聲速項(xiàng)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(guò)三方關(guān)系，加強(qiáng)現(xiàn)有合作。在該協(xié)議的推動(dòng)下，英國(guó)可能會(huì)參與澳大利亞和美國(guó)合作實(shí)施的“南十字星綜合飛行研究試驗(yàn)”（SCIFire）雙邊計(jì)劃。SCIFire雙邊計(jì)劃旨在開(kāi)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(gè)國(guó)家都使用的洛馬公司F-35戰(zhàn)斗機(jī)和波音公司P-8“海神”反潛機(jī)上。其他項(xiàng)目可能包括美國(guó)、英國(guó)和澳大利亞聯(lián)合開(kāi)發(fā)的滑翔段攔截器。

在SCIFire項(xiàng)目之前，美國(guó)和澳大利亞合作開(kāi)發(fā)的“高超聲速國(guó)際飛行研究試驗(yàn)”（HIFiRE）計(jì)劃已運(yùn)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(jì)劃具有較高的成本效益，7次發(fā)射費(fèi)用僅約7000萬(wàn)美元，提供了真正的高超聲速飛行經(jīng)驗(yàn)，擁有如此深度和水平的飛行經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目并不多見(jiàn)?，F(xiàn)在，高超聲速發(fā)射系統(tǒng)公司迎來(lái)一次真正的機(jī)會(huì)，在高超聲速新計(jì)劃發(fā)展過(guò)程中乘勢(shì)而上，積極推動(dòng)澳大利亞高超聲速系統(tǒng)向前發(fā)展。