2020年高超聲速推進技術發展綜述

■ 李茜 崔艷林 / 中國航發渦輪院

高超聲速飛行是未來航空航天領域的制高點，具有非常重要的戰略性和前瞻性。2020年，以美國、俄羅斯等為代表的世界航空強國繼續深化高超聲速領域，尤其是吸氣式組合動力的技術研究，在包括高超聲速飛機動力、高超聲速導彈動力、基礎研究和組織管理等幾個方面進行了不懈探索。

近年來，隨著科技日趨完善和快速遠程運輸需求的增長，傳統的制約超聲速民用飛機發展的因素逐漸消除，超聲速和高超聲速民機再次成為了全球航空領域的研究熱點，以多家初創公司為代表的多個創新的渦輪基沖壓組合（TBCC）技術方案浮出水面。與此同時，以美國為代表的西方航空強國在高超聲速動力成果軍事應用方面的投入力度也進一步加大。美國國防部公布的2021財年預算申請概要文件明確指出， 2021財年在高超聲速領域（含高超聲速防御）申請的科研經費預算總額高達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目的經費。美國國防部在2020年成立了聯合高超聲速轉化辦公室（JHTO），希望通過國家/學術機構聯合的方式填補高超聲速項目研制所需的人才缺口，同時吸引高校、企業和科研院所等機構組成應用高超聲速聯盟（University Consortium for Applied Hypersonics），以實現各技術領域的齊頭并進。

積極開展高超聲速飛機動力關鍵技術攻關

赫爾墨斯公司完成TBCC發動機縮比驗證機高速試驗

赫爾墨斯公司發布的試驗現場照片

2020年3月，美國初創公司赫爾墨斯（Hermeus）完成了高超聲速飛機TBCC發動機縮比驗證機靜態和高速（Ma5）試驗。其中，海平面靜態試驗在赫爾墨斯公司位于亞特蘭大的試驗臺完成，而高速試驗在普渡大學完成。

試驗用的驗證機包含1臺現貨渦輪發動機、公司開發的預冷器和亞燃沖壓發動機，以及共用的進氣道和噴管。其中渦輪發動機的工作區間是Ma0 ～3.3，亞燃沖壓發動機是Ma2.8 ～5。根據公司發布的試驗現場圖片，試驗樣機采用了二維噴管設計，帶有控制噴管收擴的裝置，噴口前端的沖壓發動機或渦輪加力燃燒室部分呈圓截面構型。赫爾墨斯公司披露，目前已經完成了組合動力中各動力單元單獨運行的試驗，接下來就是完成模態轉換這一關鍵技術的驗證。

2020年8月，美國空軍對赫爾墨斯公司進行投資，研發用作未來“空軍一號”動力裝置的TBCC發動機。為該項目提供資金的是美國空軍的“空軍一號”管理團隊，稱1架Ma5的飛機可以讓總統在90min內從紐約飛到倫敦，而不是現在的7h。

HSP公司推出新概念組合動力

Hyscram發動機示意

2020年3月， 總 部 位 于 美 國加州的初創公司HSP（HyperSpace Propulsion）聲稱其正在開發一種名為高超聲速混電超導沖壓磁流體（Hyscram）發動機的創新型組合動力概念。公司將其定性為超導電混合TBCC發 動 機， 在 傳 統TBCC基礎上融合了超導電力、磁流體力學（MHD）等技術，提供了一種實現從靜止起動到Ma 8以上飛行速度的動力方案，可用于高超聲速飛機和導彈，也可用于運載系統。

作為一種TBCC發動機，Hyscram的“渦輪”（即核心機）部分是一個配置磁懸浮風扇、壓氣機和渦輪級的渦扇發動機，并在軸向配置了一系列超導發電機。Hyscram發動機的“沖壓”部分是環繞在核心機外圍的9個亞燃/超燃雙模沖壓發動機。通過一個進氣錐或中心錐來調節進入亞燃/超燃沖壓通道的空氣量，這類似于洛克希德公司SR-71所使用的設計，可以根據飛行條件前后移動錐體。進氣錐采用電力驅動，當移到最前端時，氣流被引導到亞燃/超燃沖壓通道；而當縮回時，大部分氣流被分流到產生電力的渦輪核心機。項目負責人稱，“渦輪+沖壓+MHD”的3保險方式可以保證任何時候都有推力輸出。

維珍銀河公司選擇羅羅公司為其商用超聲速飛機開發動力

英國維珍銀河（Virgin Galactic）公司及其子公司航天飛機（The Spaceship）于2020年8月披露了其高速飛機第一階段設計方案，將與羅羅公司合作設計、開發用于高速商用飛機的超聲速推進技術。維珍銀河公司高速商用飛機的主要設計目標是完成一種可在全球現有機場條件下起降，飛行速度達到Ma 3的三角翼飛機，可搭載9 ～19名乘客，飛行高度超過18000m，并且可結合客戶需求實現客艙布局定制（如定制商務或頭等艙等）。

反應發動機公司進行高超聲速試驗臺概念研究

英國反應發動機公司（REL）在2020年5月18日公布，該公司啟動了一項概念研究，開發用于協同吸氣式火箭發動機(SABRE，“佩刀”)的飛行驗證高超聲速試驗臺。該研究由英國航天局發起，將在歐洲航天局通用支持技術計劃（GSTP）下進行，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)、反應發動機公司、BAE系統公司和弗諾斯特與沙利文（Frost & Sullivan）公司等。

該項研究的目的：一是研究測試用飛行器的遠期概念，這將有助于SABRE相關技術的演示驗證；二是評估以SABRE為動力的飛行器在未來空間運輸領域的競爭地位。反應發動機公司的SABRE研究將使得采用水平發射技術的可重復使用型太空飛行器具有成本低廉、性能可靠和響應迅速等優點，并具備快速有效的載荷返回選項。與消耗性或部分消耗性的垂直發射系統相比，具有此類特性的飛行器可降低進入太空的成本。

航空噴氣-洛克達因公司研發的大推力超燃沖壓發動機完成地面試驗

航空噴氣-洛克達因公司超燃沖壓發動機在APTU試驗臺架上運行

2020年12月，在美國空軍研究實驗室（AFRL）的中等尺寸超燃沖壓關鍵部件（MSCC）項目支持下，美國航空噴氣-洛克達因公司研發的大推力超燃沖壓發動機在阿諾德工程發展綜合體的氣動與推進試驗裝置（APTU）試驗臺完成了一輪為期12個月以上的地面試驗，驗證了發動機在不同馬赫數條件下的性能，其中在高超聲速條件下的工作時長累計超過了1h，并獲得最大超過57.8kN的推力。公司稱，與2010年的X-51A飛行器動力相比，當前的超燃沖壓發動機性能和經濟性都得到了很大的提升。根據美國空軍的定義，中等尺寸的超燃沖壓發動機是指空氣流量為X-51A飛行器發動機10倍的超燃沖壓發動機，主要定位為配裝高超聲速飛機。

印度HSTDV飛行器方案示意

加速高超聲速導彈成果轉化

日本披露其新型高超聲速反艦導彈

日本防衛副大臣山本智廣于2020年7月7日參觀了位于東京郊區的自衛隊航空和火箭技術研究中心，并在其推特賬戶上發布了一張圖片。據報道，圖片上是一種新的高超聲速反艦導彈，采用了雙模態超燃沖壓發動機（DMSJ）為動力。DMSJ是沖壓發動機和超燃沖壓發動機的組合，能夠以多種速度飛行。該導彈將具有全天候作戰能力，配備無線電和光波圖像搜尋器用于識別目標。日本防衛省計劃在2026年部署該導彈的早期型號，并將于2028年后部署增強型導彈。

印度國防研究與發展組織開展高超聲速技術驗證機飛行試驗

日本采用DMSJ為動力的高超聲速反艦導彈

印度國防研究與發展組織（DRDO）在2020年9月7日開展了高超聲速技術驗證機（HSTDV）飛行試驗。HSTDV是一架高超聲速超燃沖壓演示飛行器，其技術可用于高超聲速遠程巡航導彈，也用于低成本發射小型衛星。HSTDV飛行器由固體火箭助推器帶至30000m高空，在此氣動隔熱罩以高超聲速分離，巡航飛行器從助推器分離。進氣道按計劃打開，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。超燃沖壓發動機在整個試驗的飛行過程中運行良好。

俄羅斯成功試射“鋯石”高超聲速巡航導彈

2020年12月10日，22350型“戈爾什科夫上將”護衛艦從白海試射了1枚3M22型“鋯石”高超聲速導彈，導彈飛行距離超過350km，速度超過Ma 8，成功擊中阿爾漢格爾斯克地區北部奇扎靶場的沿海目標。“鋯石”高超聲速巡航導彈的關鍵技術是采用碳氫燃料超燃沖壓發動機，速度可達Ma 8，發射方式包括海基、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”巡航導彈的3次試射。此間，導彈的最高射程可達450km，進一步驗證了其性能的持續性與穩定性，目前已被計劃納入常備武器序列。

加大高超聲速動力基礎研究投入

得克薩斯大學和Ansys公司共同推進高超聲速軟件開發

據Ansys公司消息稱，正與美國得克薩斯大學阿靈頓分校（UTA）開發一種先進的設計分析流程，該工作流程將快速驗證仿真軟件代碼，有助于減少高超聲速技術的開發費用并提高工程效率。

美國國防部(DoD)和美國國家航空航天局（NASA）將高超聲速飛機、航天器和導彈列為優先發展事項。但由于每次飛行測試將耗資多達1億美元，且缺乏具有設計經驗的工程師，相關技術發展受到制約。而Ansys公司的仿真解決方案將推動從飛行器再入熱保護系統到超燃沖壓發動機燃燒技術等一系列關鍵高超聲速技術的發展。Ansys公司的基于物理的高保真解算器促進了高超聲速試驗研究，無論是模擬超燃沖壓發動機內部空氣和燃料混合的設計和分析，還是測量熱應力對在惡劣環境下運行的傳感器的影響。采用Ansys公司的高超聲速系統模型后，UTA研究人員可以在先進的電弧噴射加熱高超聲速風洞中進行物理高速飛行測試來驗證軟件代碼的準確性。

美國高校積極開展高超聲速地面試驗設施建設

2020年，美國得克薩斯農工大學建成了1個高超聲速擴展風洞，并在2月全面投入使用。該風洞可提供高達Ma 15的風速，并在激光、電磁和光學航空航天實驗室的幫助下引入大量先進的激光診斷技術。10月，得克薩斯大學阿靈頓分校在其弧形射流風洞中展示了第一個飛秒級（1×10-15s）雙光子吸收激光誘導熒光和飛秒激光電子激發標記診斷測量技術。

高超聲速研究和管理機構發生變革和整合

美國防部成立聯合高超聲速轉化辦公室

2019年年底，美國正式通過《2020財年國防授權法》，批準國防部斥資1億美元成立聯合高超聲速轉化辦公室與高超聲速研究與人才隊伍發展大學聯盟，旨在整合各界力量，加速美國國防部高超聲速能力的發展。2020年4月，聯合高超聲速轉化辦公室正式成立，負責應用高超聲速聯盟的建立工作。6月，美國國防部研究和工程副部長辦公室（OUSD）面向各機構發布征詢白皮書（RWP），進一步推動應用高超聲速聯盟的發展。美國政府在本次發布的白皮書中對應用高超聲速聯盟在時間和資金投入方面進行了規劃，希望通過應用高超聲速聯盟各成員組織，開展大量的高超聲速原型開發/研究工作，研究內容將貫穿高超聲速基本理論、實際應用和高級研究等各個領域，以加速高超聲速技術的發展。10月，高超聲速轉化辦公室邀請得克薩斯農工大學建立和管理一個應用高超聲速技術的大學聯盟，并在未來5年的時間里，每年向其支付2000萬美元的研究經費。

洛馬收購航空噴氣-洛克達因

2020年12月，美國第一軍工企業洛克希德-馬丁（洛馬）公司宣布將以44億美元收購國防工業供應商航空噴氣-洛克達因公司(Aerojet Rocketdyne)。該交易預計將于2021年下半年完成，需要滿足常規交易條件，包括監管批準和航空噴氣-洛克達因股東的批準。

航空噴氣-洛克達因公司生產的推進系統是洛馬公司航空、導彈、火控和航天業務需要的關鍵部件。2017年，航空噴氣-洛克達因和洛馬公司聯合參與了美國空軍研究實驗室的先進全速域發動機（AFRE）項目，旨在對全尺寸TBCC發動機開展地面自由射流試驗。航空噴氣-洛克達因公司在2020年12月取得MSCC項目的中等尺寸超燃沖壓發動機（配裝高超聲速飛機）地面直連試驗的成功。航空噴氣-洛克達因公司還在2019年收購了位于佛羅里達州的從事增材制造的3D材料技術（3DMT）公司，該公司擁有開展批量生產所需的工具、方法和能力，能以經濟實惠的方式生產超燃沖壓發動機。

洛馬公司在2013年提出SR-72飛行器研制計劃，旨在通過采用并聯TBCC發動機實現Ma 6飛行。此次洛馬公司對航空噴氣-洛克達因的收購，實現了動力和飛行器兩家單位的合并，勢必加速飛行器和動力的一體化研究，推進高超聲速飛行器的研制。

結束語

毋庸置疑，高超聲速飛行器有著巨大的軍事價值和潛在的經濟價值，而研制出滿足需求的動力裝置是其成功應用的關鍵所在。通過對2020年高超聲速領域發展脈絡的梳理，可以看到，無論是在民用還是軍用領域，吸氣式組合動力技術依然是各國發展的重中之重。因此，除了加大對其工程應用的直接投入之外，對相關基礎研究和科研管理創新的關注也不容忽視。