便利与挑战共存——军民两用的高超音速飞机_风闻
钢铁沧澜-2022-05-30 11:45
作者：兰顺正
首发自：《舰载武器》
在2022年1月5日，《航空周刊》高级编辑盖伊·诺里斯(Guy Norris)发表推文称，其最近举行的美国航空航天学会(AIAA)的年度科技论坛和博览会上，发现了波音公司推出的一种可重复使用的高超音速飞机的新模型，并在推特上发布了新模型的几张照片。据波音公司透露，这款高超音速飞机可能用来执行军事和商业任务，包括作为太空发射母舰发挥作用。明显的是，此类消息预示着高超音速飞机已经越来越近了。
高超声速飞机通常指采用吸气式动力、最大飞行速度5马赫以上、可在临近空间长时间进行高超声速巡航飞行的飞机。由于此类飞行器具有高速、水平起降、可重复使用等特征，因此未来在民用和军用领域都有着巨大的前景。
超越晨昏线的“天使”
在民用领域，高超声速飞机将会大大节省远距离通勤所需要的时间。在理论上高超声速飞机从机场起飞，两小时内能降落在世界上任何其他一个机场。其实，虽然目前高超声速客机还在研制中，但在此前民众就已经体会过高速空运带来的便捷。如在历史上，英法联合研制的协和式超音速客机和苏联图－144超音速客机就都曾投入过运营。其中协和式飞机于1976年初开始商业飞行，该飞机的机翼采用三角翼，机翼前缘为S形，无水平尾翼，专门研制的四台大推力涡轮喷气发动机使其可以达到2180千米/小时(音速2倍)的高速。协和式一共生产了20架，主要负责横跨大西洋的航线。由于协和式飞机的巡航速度比晨昏线的移动速度更快，令它能够追上和超越地球的自转，在西行航线上，以当地时间计算，抵达时间往往比起飞时间早，这就是协和式乘客津津乐道的“降落在起飞之前”奇观。而苏联的图-144超音速客机也在1975年12月26日完成了世界上第一架次超音速客机的商业飞行。
不过，当时的超音速客机虽然快，也存在着一些重大缺陷，如发动机的耗油率高、环保不达标、噪声过大等，这也为其后来的黯然退场埋下了伏笔。像苏联图-144在几次灾难性事故后，仅服役数年就停止了飞行。而在2000年7月25日，法国航空公司AF4590航班的一架协和式飞机在巴黎戴高乐机场起飞后两分钟起火坠毁，造成机上109人以及地面4人丧生。经此一役，协和号一蹶不振，不久就退出了历史舞台。
虽然两位“前辈”先后失败，但是在全球化趋势愈发明显的今天，高速度对于人们出行和商务往来依然有着巨大吸引力，因此相关的企业早已开始了新型超音速客机的研发。在2016 年，美国Boom 公司就公布了其设计的超声速客机概念图——Overture，该飞机采用复合三角翼布局，机身由碳纤维材料制造，全长52 米，翼展 18 米，装备3 台推力为 67 ～ 89千牛的中涵道比涡轮风扇发动机，巡航速度 2.2 马赫，最大航程8300 千米，最多可搭载 55 名乘客。而除了 Boom 公司，波音也在一直不遗余力地推进超声速飞行器的研制。2018 年 6 月在美国航空航天学会（AIAA）2018 年度航空峰会上，波音公司公开了一款高超声速民用飞机方案。波音表示，这款高超声速飞机的速度将达到5马赫。
而在2021年7月，俄罗斯总统普京在一次高级别政府会议上也批准了开发新型Strizh超声速技术演示机的提议。据悉，该机将由俄罗斯克利莫夫公司（Klimov）研制的RD-93MA涡扇发动机提供动力，机长约36.6米，起飞重量为16吨，速度可达1.8马赫。Strizh会被用于评估一系列新技术，比如源自仿生结构的机身设计（而非传统的机身和肋）以及发动机机身一体化工程，以降低机场周围噪音。目前，其缩比飞机模型已完成风洞和热气测试，若俄罗斯政府同意注资继续开发该超声速飞机，则将在2022年至2026年之间开展该机型的制造和飞行测试活动。
另外，欧洲于2018年6月启动了“高速推进概念的平流层飞行应用”(StratoFly)项目，该项目是在欧洲“地平线2020”计划资助下的一个高超声速民用飞机技术验证项目，继承了此前欧洲航天局/欧洲航天研究与技术中心LAPCAT等项目开发的乘波体布局方案成果，并直接采用了其中LAPCAT II项目MR2.4方案(机长约94米)作为基线方案。该项目周期两年，经费预算为400万欧元，远景目标是在2035年前将300座级高超声速民用飞机的技术成熟度等级提高到6级。而在2020年5月，英国Aerion公司在2050年愿景中提出了发展全电及混合电推进超声速/高超声速民用飞机的AS2超声速公务机方案，该机设计最大航程在1.4马赫速度下为7780千米，在0.95马赫下为10000千米，计划于2024年首飞，并在2026年投入服务。
必须克服的“音爆”
超音速技术要想用之于民，有些门槛是必须要跨过的，其中较为重要就是音爆问题。音爆是物体在空气中运动的速度突破音速时产生冲击波所引起的巨大响声。较强的地面音爆会影响生态环境和人类正常的生活工作，严重时甚至会破坏建筑物。据测试，上文中的协和式客机在 16000米高空以两马赫飞行时产生的音爆对地面产生的压强高达100帕，相当于给一块一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力（所以协和式也被美国、马来西亚等多个国家禁止在陆地上空作超声速飞行）。因此新一代超音速客机需要解决的首要问题就是音爆。目前，音爆抑制技术主要有主动和被动两类。主动技术通过能量注入来抑制音爆，如通过激光脉冲的方式向超声速流场中注入能量，改变原本的激波结构，避免飞机各部件产生的激波相互叠加和干扰，以降低音爆强度。被动技术则以静音锥为代表，主要通过在机头安装若干可伸缩的圆锥体和圆柱体，通过使机头原本较强的弓形激波变为若干道弱激波，并避免声爆传播过程中出现激波叠加和干扰的方式来抑制音爆。
为了有效解决音爆带来的困扰，美国国家航空航天局（NASA）与洛克希德·马丁公司共同开启了低音爆飞行验证机（LBFD）项目，项目的总体目标是通过一架验证机——即X-59静音超声速技术（QueSST）验证机，来测试和验证降低声爆技术，确保飞机在巡航飞行期间的可感噪声在可接受范围之内，并建立一个地面社区对超声速飞行的反应数据库，为美国联邦航空局（FAA）和国际民航组织（ICAO）在2025年制定超声速飞行噪声标准提供参考和依据。据悉NASA为X-59项目提供了高达2.47亿美元的资金。
NASA提供的设计图显示，这架技术验证机的体积并不大，长28.65米，翼展9米，最大起飞重量14.7吨，装备一台F414-GE-400涡扇发动机。该机长而细的机体设计是其突破音障时不会产生巨大噪音的关键，X-59采用与协和式相似的长尖机头和后掠机翼。NASA阿姆斯特朗飞行研究中心航空航天工程师艾德·海林表示：“X-59在超音速飞行时，机体多个部位仍会产生多个冲击波，但精心设计的机体将保证这些冲击波不会叠加在一起，防止出现强大的音爆”。按计划，X-59超音速飞行时的噪音将降低到60-65分贝，地面上的人们听到的只是一声像汽车关门那种“砰”的声音。X-59计划于2021年底交付，它可以在1.6万米高空以接近两马赫的速度巡航。臭鼬工厂飞行演示项目经理彼得·约瑟菲迪斯表示，“该项目的开始，标志着安静的超音速商业旅行将迎来巨大飞跃”。
未来战场的“明星”
高超声速飞机的军用潜能更是不可估量。
首先，高度信息化、高度智能化是未来战争的特点，未来的空中打击主要依靠高度和速度取胜，而高超声速飞行器能在2小时内抵达全球任何角落的任何目标。在情报收集方面，高超声速飞机可以搭载各种情报、侦察、监视载荷，利用飞行高度与速度优势，对敌方进行全天候、全天时高空侦察监视，将实时搜集的战场情报通过C4ISR 系统分发至各级指挥单元和作战平台，为实时的临机决策、毁伤评估等提供重要支撑。与其他有人或无人侦察机相比，高超声速飞机的战场生存能力强，可执行对地、对天双重侦察监视任务，大幅拓展侦察监视范围，情报搜集时效性显著增强。高超声速飞机与预警机、侦察卫星等构成一体情报侦察体系，充分发挥战场情报搜集整体优势，可对己方周边广阔地区实现全域覆盖和全维监视。
在火力投射方面，高超声速飞机独特的物理特征、飞行轨迹、飞行空间等使其可对目前现役所有防空反导体系构成巨大压力。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体系作战空域的时间，对突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快，可有效缩短对方的反应时间，回波积累数量少，常规雷达的探测能力明显降低；同时，现有地面防空武器系统的方向转动机构的转动速度慢，不能有效跟踪瞄准高速目标。以上等都导致了高超声速飞行器的突防概率明显偏高，研究表明，当飞行器的速度从5马赫 增加到6马赫时，突防概率从78%增加到89%，而如果未来高超声速飞机与高超声速导弹等武器构成“双高速组合”，则作战性能无疑将会再越上一个台阶。
鉴于高超声速飞机所带来的“革命性”军事优势，各个大国军队对其可谓趋之若鹜。美国从 21 世纪初开始提出发展军用高超声速飞机，2010 年后随着美国战略重心东移，围绕印太地区的战略竞争尤其是大国间的竞争愈加凸显，美国的军事关注重点也从反恐转向应对其他大国的反介入/区域拒止 （A2/AD） 挑战，并进一步聚焦高端军事能力建设。在此背景下，美国逐渐加大对高超声速飞机的探索力度，2012年美国空军出台了高超声速情报、监视、侦察 （ISR）飞机技术路线图，对关键技术难点进行了系统分析与路线规划。2014 年 11 月，美国空军研究实验室提出分两步发展验证机的思路，首先发展短寿命验证机，确保在2030年代实现有限重复使用的战术打击/情报监视侦察用高超声速飞机的技术成熟度达到 6 级以上；然后发展水平起降型长寿命验证机，在 2040年代实现重复使用/持久型高超声速飞机的技术成熟度达到 6 级以上。2016 年，美国空军进一步细化发展节点安排，提出 2025 年前将高超声速 ISR/作战平台涉及的各项技术提升到技术成熟度 6 级，2035 年前完成可快速周转、不经翻修即可完全重复使用的验证机试飞。
在近20年中，美国军方和军工巨头提出了多个高超声速飞机路线图、概念方案及相关发展计划等，包括 DARPA 和美国空军在2007 年提出的马赫数 6 级 HTV-3X “黑雨燕”高超声速飞机验证机、美国空军 2011 年提出的马赫数 4~5 级高超声速作战飞机、DARPA 在 2016 年启动的先进全状态发动机 （AFRE） 高超声速飞机发动机地面验证项目、洛马公司SR-72高超声速作战飞机等。其中，SR-72是洛马公司正在研发的一款高超声速侦察打击一体无人机，主要用于取代上世纪70年代研制的SR-71“黑鸟”高速高空侦察机。按照目前的信息，该无人机速度达6马赫，采用大后掠梯形翼+边条翼，单垂尾，双发动机位于机翼下方，最大航程4300千米，其技术验证机大小类似于一架战斗机，洛马公司于2013年首次透露了SR-72研制计划，2017年公开表示具备研制验证机的技术条件。
2021 年 2 月，美国防部研究与工程副部长办公室高超声速武器项目主管迈克 • 怀特在美空军协会在线空战研讨会上表示，国防部已经制定了一项高超声速现代化战略，以加速发展和交付转型作战能力。这一战略除了包括高超声速打击武器及其防御外，还指出将利用高超声速飞机进行ISR和打击，并将其用作空间进入飞行器的第一级。高超声速飞机计划在2030年代初期至中期具备交付能力。
而俄罗斯米高扬飞机设计局则在 2016 年披露，其正在开展米格-41的设计工作。据悉作为米格-31 的后继机型，米格-41又称“未来远程截击系统”（PAK DP），设计速度达 4 马赫以上，该机作战半径很大，可挂载大量武器弹药，包括多功能远程导弹拦截系统（MPKR DP）以及反导激光武器，同时还可以开发成为无人驾驶飞机，米格-41预计2025 年首飞，2028 年开始服役。
实现“速度自如”的TBCC
值得注意的是，军用高超声速飞机的关键，就是碳氢燃料涡轮基冲压组合（TBCC）发动机。高超声速飞行器必须从速度为零开始起飞，而不同速度和高度范围内的要采用不同种类发动机，如燃气涡轮类发动机/亚燃冲压发动机的有利工作范围在0~3马赫，采用碳氢燃料的亚燃冲压发动机在3~5马赫，再往上到10马赫则采用碳氢燃料的超燃冲压发动机（亚燃冲压发动机转换到超燃区域的速度在4~5马赫左右），10倍声速以上就要使用火箭发动机。
因此，为了保证高超声速飞行器在宽广的飞行包线范围内可靠工作，就需要将两种以上不同类型的发动机组合，成为一款组合式动力装置，这样还可以兼顾安全性、经济性和作战效能的综合要求。目前组合动力装置可分为两大类型:组合推进系统和组合循环推进系统。在组合推进系统中，各发动机是相互独立的单元，分别安装在飞行器上，两者之间没有功能上和物理上的相互作用与影响，目前很多的导弹就采用火箭发动机助推的冲压发动机。
而在组合循环推进系统中，发动机可以在不同模式下工作，各发动机单元相互补充，在各种飞行条件下都能发挥出最佳性能。目前组合循环推进系统又可分为3 类:涡轮基组合动力(TBCC)、火箭基组合动力(RBCC)和脉冲爆震(PDE)基组合动力(PDEBCC)。其中TBCC具有可常规起降、可使用普通机场、多次重复使用、用途广泛、耐久性高、安全性好、可使用普通燃料、经济性好、环境污染小、技术风险小等特点，既可作为可重复使用空天入轨飞行器起飞/返航的低速段推进动力，也可作为各类高超声速飞行器，尤其是远程、有人驾驶高超声速飞行器的推进动力，因此是目前最有希望获得成功的组合动力（美国公开提出的全部高超声速飞机发展项目或计划均明确指出要采用碳氢燃料TBCC）。
常见的TBCC都是由燃气涡轮发动机和亚/超燃冲压发动机组成，依据两种类型发动机的组合特点，可分为上下并联型和共轴型。并联型TBCC方案的特点在于两类发动机空气流道独立，上下并排放置，缺点是迎风面积较大、重量较重，并且需与机身进行复杂集成等;但优点是结构简单，共用部件较少，需要调节的部件少，高速下的热防护难度较低，可利用现有成熟燃气涡轮发动机作为涡轮加速器。
共轴型特点在于两类发动机共用更多的部件，结构更为紧凑、重量更为轻巧、迎风面积更小。共轴型又可分环绕型和串联型，环绕型布局同样存在发动机迎面面积较大和热防护要求高等问题，因此现在研究较多的是共轴串联型。现在有关TBCC最知名的产品是美国普惠公司于1956年为 SR-71“黑鸟”研发的J58串联式组合发动机。
在2021年8月有外媒报道称，美国空军向航空航天初创公司Hermeus提供了6000万美元资金，用于资助其高超音速Quarterhorse飞机的飞行测试，该飞机将用于军事和商业应用。当时的消息指出，Quarterhorse就会使用基于GE J85商用涡轮喷气发动机研发的TBCC，并将成为第一架拥有TBCC推进系统的同类飞机。目前Hermeus公司还没有提供Quarterhorse的很多技术细节，不过称它将采用钛合金结构来承受高超音速，还会采用高度流线型三角翼设计，能够以5马赫的速度飞行，航程为7400公里。根据该公司的计划，2023年会进行小型飞机的5马赫飞行测试，然后在2025年进行中型飞机的飞行，用于运输时间紧迫的货物和军事侦察，最终在2029年进行高超音速商业客机的飞行。对此，美空军研究实验室指挥官希瑟·普林格尔少将表示，高超音速飞机和推进系统确实改变了“游戏规则”。
按照此次诺里斯说法，波音的这款新型高超音速飞机是在其“女武神Ⅱ”(ValkyrieⅡ)高超音速侦察与打击无人机概念的基础上发展而来，“是一种精密的、更现实的5马赫可重复使用的吸气式设计，旨在执行军事和太空发射任务”。在AIAA2018年度科技论坛和博览会上，波音公司首次公布了“女武神Ⅱ”高超音速侦察与打击无人机的概念机，为的是同洛马公司的SR-72展开竞争。
图片显示，与2018、2021年波音公司展示的高超音速飞机模型相比，2022年展出的新模型的设计在许多方面都存在显著的不同。新模型的中央机身更为平坦，机翼和双尾翼更短。它的两台发动机现在被安置在两个不同的整流罩中，而之前则是并排安装在机身下方。
综上不难看出的是，随着高超声速飞机技术的不断成熟，未来此类飞行器大显身手的日子已经不再遥远，而其军民两用的特性也意味着由此带来的新的便利和挑战必将如影随形。