澳大利亞啟動高超聲速無人機系統計劃

蓋伊·諾里斯（美國科羅拉多州斯普林斯市）

高超聲速發射系統公司開發的DART-AE小型高超聲速無人機驗證機安裝了一臺“斯巴達”超燃沖壓發動機，飛行速度可達Ma7，為多任務航天器發射任務奠定了基礎。在完成臺架試驗后，“斯巴達”超燃沖壓發動機將開展試飛。

憑借數十年的高超聲速研究和技術積淀，初創企業高超聲速發射系統公司（Hypersonix Launch Systems）蓄勢待發，準備在國家太空與導彈防御系統吸氣式發動機研制計劃中發揮核心作用。

高超聲速發射系統公司位于澳大利亞昆士蘭州布里斯班市，成立于2019年，致力于超燃沖壓發動機技術的商業化應用，主要目標是開發一種三級航天發射系統，將重量低于49.9kg的小型衛星送入近地軌道或太陽同步軌道。如今，隨著高超聲速系統在澳大利亞國防戰略中占據越來越重要的地位，該公司超燃沖壓發動機技術吸引了眾多客戶的濃厚興趣。

在技術需求牽引下，高超聲速發射系統公司從2021年底開始把發展重心轉向國防領域。來自國防部門的客戶認為，最大的問題是項目的節奏，希望快速獲得大量產品并開展發射試驗，不愿意等待數年，并期待新開發的產品成為高超聲速探測與防御等系統的試驗手段，一是實用，性能強大；其次是產品可靠性高，能定期和頻繁使用。

圖1 高超聲速發射系統公司研制的“斯巴達”超燃沖壓發動機，其能源為高壓氫氣。

氫動力超燃沖壓發動機開發

超燃沖壓發動機是整個無人發射系統的關鍵設備，其比推力為2000s，超過同等尺寸常規火箭助推器的6.5倍。該型發動機采用了高強度重量比設計，具有簡單、堅固、重量輕等特點，可重復、可擴展使用，沒有活動部件，能自動點火，可將高超聲速無人機系統的飛行速度加速到Ma5～12的范圍。

臺架試驗

“斯巴達”（Spartan）超燃沖壓發動機試驗臺采用3D打印技術制造而成，使用的材料是鎳鉻合金。一家未公開身份的德國制造商正在制造發動機試驗臺，該試驗臺雖然不是一臺完整的、可正常工作的發動機，但具備所有正確的形狀和開口，同時展示了發動機制造所需的技術。

在政府提供的商業資助下，高超聲速發射系統公司正在與位于澳大利亞維多利亞州的3D金屬材料打印專業機構阿米加工程公司（Amiga Engineering）合作，開展“斯巴達”超燃沖壓發動機試驗臺的臺架試驗。

2021年，一臺縮比發動機模型在澳大利亞昆士蘭大學完成初期激波風洞試驗。

2022年3月，臺架試驗在澳大利亞布里斯班市的布爾沃島（Bulwer）完成。高超聲速發射系統公司對“斯巴達”試驗臺進行了一些熱測試，測試過程順利，發動機滿足技術要求，下一步計劃對“斯巴達”驗證機開展試飛。

2022年3月，在高超聲速無人機系統達到Ma5以及更高馬赫數等一系列飛行速度下，試驗團隊對發動機進氣口進行測試，以確保超燃沖壓發動機的氫燃料在所有飛行速度下都能正常燃燒。最近，試驗團隊開展了一次評估燃料系統的臺架試驗。超燃沖壓發動機試驗臺由高壓氫氣、遠程控制閥和所有其他設備組成，實現了全部預期目標。

生產型超燃沖壓發動機制造

生產型超燃沖壓發動機將由耐熱性更高的陶瓷基復合材料（CMC）制成，高超聲速發射系統公司下一步將考慮如何在生產線上制造發動機，而不是制造訂制型試驗臺，這是該公司面臨的下一個重大挑戰。發動機結構件將考慮使用不同類型的陶瓷基復合材料。

高超聲速無人機系統的組成與技術特點

澳大利亞開發的高超聲速無人機系統以垂直發射模式升空，包含第一級火箭助推器“回旋鏢”（Boomerang），第二級、第三級航天器。“回旋鏢”火箭助推器安裝了氫動力超燃沖壓發動機，為高超聲速無人機系統提供動力。在超燃沖壓發動機將高超聲速無人機系統的飛行速度加速到Ma5之后，“回旋鏢”火箭助推器脫離系統，然后滑翔飛行，返回發射場，最終以較慢的速度擺動機翼完成水平著陸。

第二級航天器名為“德爾塔-維洛斯軌道器”（Delta Velos Orbiter），是一種錐形有翼航天器，長度12m，機身下方安裝了4臺并聯式超燃沖壓發動機。為了保證第三級航天器順利過渡到太空，超燃沖壓發動機應將“德爾塔-維洛斯軌道器”的飛行速度加速到Ma12。

在約33.5km的高度，第二級航天器“德爾塔-維洛斯軌道器”脫離系統，并以一種跳躍式飛行軌跡返回距當前位置很遠的發射場。當“德爾塔-維洛斯軌道器”每次到達跳躍軌跡的底部時，超燃沖壓發動機重啟以維持飛行，直到“德爾塔-維洛斯軌道器”再次進入滑翔狀態。最后，“德爾塔-維洛斯軌道器”在標準跑道上降落。

第三級航天器采用了火箭推進技術，頭部集成了第三級火箭助推器，當第三級航天器完成任務載荷發射后，第三級火箭助推器脫離航天器，然后在大氣中燃燒殆盡。

DART-AE小型無人機驗證機開展試驗

圖2 “德爾塔-維洛斯軌道器”機身下方安裝了4臺串聯式超燃沖壓發動機。

在“斯巴達”超燃沖壓發動機的初期試驗計劃中，一臺發動機被集成到一架DART-AE小型高超聲速無人驗證機上。這架驗證機是一種大后掠角三角翼無人機，機長2.76m，重量約300kg，整個機體采用了增材制造技術，機翼前緣由3D打印技術而制成，使用了含有鎢元素的鎳鉻合金。在試飛中，DART-AE小型驗證機的飛行速度達Ma7，航程超過499km，試驗科目包括超燃發動機的起動與關閉性能驗證、空氣動力控制測試、航程和飛行性能驗證。在試驗過程中，發動機可隨時點火起動，燃油系統是秘密資源之一。

DART-AE多任務無人機驗證機預計2023 年首次發射

高超聲速發射系統公司計劃使用兩級探空火箭發射DART-AE多任務驗證機，發射任務由位于美國加州圣迭戈市的克拉托斯（Kratos）防務和安全解決方案公司承擔，目的是讓發動機將DART-AE多任務驗證機的飛行速度加速到Ma7，飛行高度提升到約45km。DART-AE多任務驗證機擬于2023年在位于美國弗吉尼亞州的美國國家航空航天局（NASA）沃洛普斯（Wallops）飛行基地進行首次發射。

高超聲速發射系統公司計劃開展三次發射任務，在美國沃洛普斯飛行基地實施前兩次發射，在澳大利亞進行第三次發射。目前，該公司正與澳大利亞赤道發射（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）進行第三次發射。阿納姆航天中心是澳大利亞第一個商業航天基地，位于澳大利亞北領地（NT），靠近赤道。澳大利亞赤道發射基地已與NASA合作實施了一個項目，于今年6月底完成該項目的首次發射。因此，該基地是經NASA認證的載荷集成站，并擁有NASA授權的發射軌道。

圖3 “德爾塔-維洛斯軌道器”驗證機機長5.5m，后續將為尺寸更大的航天器開發鋪平道路。

圖4 當飛行速度被超燃沖壓發動機加速到Ma12時，“德爾塔-維洛斯軌道器”發射第三級航天器。

圖5 DART-AE 縮比驗證機由單臺超燃沖壓發動機提供動力，瞄準了高超聲速防御等多任務系統開發。

DART-AE多任務驗證機發揮的作用將不止于技術驗證，還將為澳大利亞未來多任務高超聲速無人機系統驗證機提供技術基礎，更好地滿足澳大利亞日益增長的產品開發與高超聲速導彈防御系統試驗的需求。DART-AE不僅是一架驗證機，同時也代表了一種技術能力，將引領澳大利亞其他國防裝備的發展。

多方加強合作

隨著今年4月澳大利亞、英國和美國簽訂三邊安全伙伴關系（AUKUS）協議，三國將合作開發高超聲速武器，這意味高超聲速發射系統公司迎來了前所未有的高超聲速技術應用機遇。

英國、澳大利亞均與美國開展了高超聲速項目雙邊合作，而三邊安全伙伴關系協議旨在探索如何通過三方關系，加強現有合作。在該協議的推動下，英國可能會參與澳大利亞和美國合作實施的“南十字星綜合飛行研究試驗”（SCIFire）雙邊計劃。SCIFire雙邊計劃旨在開發一種飛行速度為Ma5的空射打擊與反艦武器，該武器可集成到三個國家都使用的洛馬公司F-35戰斗機和波音公司P-8“海神”反潛機上。其他項目可能包括美國、英國和澳大利亞聯合開發的滑翔段攔截器。

在SCIFire項目之前，美國和澳大利亞合作開發的“高超聲速國際飛行研究試驗”（HIFiRE）計劃已運行數年，這為澳大利亞高超聲速技術發展奠定了良好基礎。HIFiRE計劃具有較高的成本效益，7次發射費用僅約7000萬美元，提供了真正的高超聲速飛行經驗，擁有如此深度和水平的飛行經驗的項目并不多見。現在，高超聲速發射系統公司迎來一次真正的機會，在高超聲速新計劃發展過程中乘勢而上，積極推動澳大利亞高超聲速系統向前發展。