从研发项目看美国高超声速飞机发展策略

作者：李文杰，北京海鹰科技情报研究所

来源：海鹰资讯

摘要

为在高超声速领域抢先竞争对手形成能力和技术优势，美国逐渐加大对高超声速飞机的研发力度。介绍了美国高超声速飞机发展近况，包括近两年新启动的“苍穹”（Aether）和“观星者”（Stargaze）高超声速飞机项目，以及取得重要进展的“女武神”（Valkyrie）军用飞机和“夸特马”（Quarterhorse）项目。从技术路径、研发模式和科研力量等维度分析美国高超声速飞机发展策略。分析认为基于现货涡轮TBCC的技术路径可满足近期发展需求；研发项目和飞行试验平台项目相互配合，协调开展技术攻关和试验验证；传统军工企业与初创公司成为美国发展高超声速飞机的两只重要力量。

一、引言

进入21世纪，美国明确了以高超声速导弹为技术突破口，逐步发展可重复使用高超声速飞行器，最终实现空天往返的渐进式发展路线，并在2001年的“国家航空航天倡议”（NAI）中正式提出高超声速飞机的发展构想。

2010年后，随着美国战略重心东移，围绕印度洋-太平洋-亚洲板块的战略竞争明显加剧，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大国“反介入/区域拒止”（A2/AD）挑战，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，力求抢先竞争对手形成能力和技术优势。

2022年6月8日，维纳斯航空航天公司在2022年度航空航天创新峰会上展示了名为“观星者”的高超声速飞机概念图。这是美国近五年内披露的第五个高超声速飞机概念，平均每年有一个新概念提出，如此密集出台的高超声速飞机概念彰显了美国高超声速飞机的发展态势。通过这些概念/项目的布局与实施，美国高超声速飞机的发展策略也初现端倪。

二、美国高超声速飞机发展现状

美国发展高超声速飞机已二十余年，近年来逐步由关键技术探索研究拓展到高超声速飞机设计及验证。目前美国在研高超声速飞机概念有：2013年洛马公司提出的SR-72高超声速侦察机项目，2018年波音公司提出的高超声速客机和“女武神”军用飞机项目，2019年赫米尔斯公司提出的“夸特马”高超声速飞机项目，2021年NASA牵头发展的“苍穹”以及2022年提出的“观星者”高超声速飞机。从项目的进展来看，美国高超声速飞机技术发展顺利。

2.1 维纳斯航空公司披露马赫数9高超声速飞机概念

2022年6月，维纳斯航空航天公司披露的“观星者”高超声速飞机概念是一种速度达马赫数9的高超声速飞机，可实现从美国飞往日本只需1h的愿景。

维纳斯航空航天公司称，“观星者”采用新颖的外观设计、下一代发动机技术以及先进的冷却装置。目前，已生产了一个发动机原型，并利用高超声速风洞和推进试验设施进行了多次地面试验，在休斯顿太空港也开展了一次地面试验；按照计划，将在2023年启动亚声速和超声速缩比无人飞行器的飞行试验。

图1 马赫数9高超声速飞机概念图

Fig.1 Concept art of Mach 9 Hypersonic Spaceplane

2.2 NASA启动高超声速飞机研究

2021年2月，NASA向通用电气公司授出总金额不超过1300万美元，为期5年的研发合同，为“苍穹”高超声速飞机研发TBCC和耐高温陶瓷基复合材料。

根据合同要求，通用电气公司需要研究并分析F101涡扇发动机能否适用于“苍穹”高超声速飞机。NASA认为，F101可将“苍穹”高超声速飞机加速至冲压发动机接力的速度。F101相对较高的涵道比可使大多数流动在被节流时绕过核心机，避免其压气机和涡轮的工作温度超过极限。

此外，材料研究将主要涉及由碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）和碳/碳化硅（C/SiC）制成的耐高温、轻质陶瓷基复合材料。其中C/SiC主要用于高超声速飞机结构，如舵面、前缘、机头和飞机外壳等，SiC/SiC材料则计划用于高速涡轮发动机。

2.3 “夸特马”高超声速飞机吸引多方资金支持

2019年5月，赫米尔斯公司公开披露“夸特马”高超声速飞机研发项目，旨在充分利用现有和短期内可实现的技术，研制一型巡航马赫数5、载客约20人、航程7400 km的高超声速飞机。

“夸特马”高超声速飞机采用大后掠三角翼布局，机体长细比较大，前机身与进气道高度融合。飞机采用的TBCC发动机由现货涡轮发动机（GE公司的J85-21）、一个自主研发的预冷装备（位于进气道出口和涡轮压气机入口之间）和冲压发动机组成。利用涡喷发动机将飞机从静止加速到马赫数3.3，冲压发动机从马赫数2.8~3.0开始工作，直至将飞机加速到马赫数5。

2020年3月，“夸特马”的TBCC缩比发动机完成静态和高速（马赫数5）试验。2020年10月，融资1600万美元，用于改进飞机设计，将其发动机原型扩大到全尺寸并进行地面试验。2021年11月，公司正式推出“夸特马”全尺寸原型机。

此前，2021年7月30日，赫米尔斯公司曾获得美空军一份总额6000万美元、为期三年的研发合同，要求完成一型涡轮基组合循环发动机（TBCC）的飞行验证和3架“夸特马”高超声速飞机验证机的研制试飞。这是美空军近十余年以来首个资助的高超声速飞机研制项目，也是美国工业部门正式获得军方投资开展的高超声速飞机验证机研制项目。2022年3月，赫米尔斯公司进行了1亿美元B轮融资，用于“夸特马”高超声速原型机设计、试验和生产，其中包括来自雷锡恩公司的资金。

各方资金的介入，保证了“夸特马”的研发进度。根据赫米尔斯公司的官网，“夸特马”高超声速飞机的首飞计划在2023年进行。

图2 “夸特马”高超声速飞机的概念图

Fig.2 Concept art of the Quarterhorse hypersonic aircraft

2.4 波音公司披露“女武神”高超声速飞机迭代研究成果

2018年1月，在AIAA SciTech 2018会议上波音公司公开了“女武神”高超声速飞机的概念方案，并展示了验证机模型。该飞机可用于军事和太空发射任务。

2022年1月，在圣地亚哥举行的美国航空航天学会会议上，波音公司展出了多次迭代修订后的“女武神”高超声速飞机模型。2018版的“女武神”外形与20世纪80年代“国家空天飞机计划”（NASP）的飞机非常类似，采用尖机头，机身下方有二维矩形进气道设计；而新版的机形更具“乘波体”特征，机头钝化，顶部扁平，进气道呈圆形且贯穿飞机全长。

波音公司称，在过去的数年间，他们不断改进“女武神”飞机设计方案，开发创新的集成解决方案，发展关键技术，包括推进、热、材料、制导、导航与控制以及机体/推进一体化等。

图3 “女武神”高超声速飞机模型

Fig.3 Model of Valkyrie hypersonic aircraft

美国高超声速领域的权威领军人物马克·J·刘易斯认为，虽然“女武神”采用的乘波体气动外形与其他高超声速概念一致，但曲柄箭翼面及其与机身的阶梯式连接方式具有的优势特点，可能有助于飞行器获得较好的亚声速或跨声速的控制和性能。美国大量的设计迭代表明，选择新构型最重要的驱动因素实际上并不是高超声速性能，而是跨声速性能。因为不同的高超声速（气动）外形，一旦进入高马赫范围，性能均类似，而真正的问题是，当达到马赫数1时，阻力有多大，能否使飞行器以高超声速的（气动）外形跨过马赫数1。

此外，刘易斯认为，从二维进气道变为椭圆形或圆形的三维进气道，与其他高超声速技术的工作相吻合。当流经进气道的空气量一定时，圆形比方形具有更小的表面积；且圆形进气道内壁受到的压力负载较二维进气道的小。

三、发展策略

美国通过对高超声速飞机的持续探索研究，逐渐明晰技术路径、研发模式，组织传统和初创企业推进技术研发。

3.1 技术路径方面，基于现货涡轮的动力技术，解决近期需求

21世纪的前十年，美国对高超声速飞机技术路径进行了多种探索与尝试。2003—2008年，美国实施HTV-3X“黑雨燕”项目，准备基于高速涡轮（速度上限为马赫数3.5）一步到位发展涡轮基组合循环发动机（TBCC）技术，实现马赫数6的飞行。遭遇瓶颈受挫后，2009—2010年，调整思路，寻求替代推进方案，如2009年波音公司提出采用“助推火箭+超燃冲压发动机” 的空射型MANTA-1侦打一体无人机。2010年，美空军提出基于现货涡轮发动机、通过“架桥”的方式发展TBCC的可水平起降高速可重复使用研究飞行器，并将该方案正式纳入空军研究实验室在2012年制定的高速情报、监视、侦察（ISR）飞机路线图。此后，美国逐渐将发展重点转为基于现货涡轮的TBCC技术方案，并尝试通过射流预冷（DARPA的“先进全速域发动机”的项目中，利用射流预冷技术扩展涡轮发动机工作包线）、闭式循环预冷（波音高超声速飞客机概念中借助“佩刀”预冷技术解决涡轮与冲压之间的推力陷阱问题）、超导电等技术改善现货涡轮的工作环境，提高其工作速度上限。

图4 波音公司的高超声速客机概念方案

Fig.4 Concept art of Boeing’s hypersonic commercial aircraft

近年实施的高超声速飞机研发项目，无论是NASA的“苍穹”高超声速飞机，还是赫米尔斯公司的“夸特马”验证机，都沿袭了基于现货涡轮TBCC的技术路径。前者拟采用通用电气公司的F101涡扇发动机，而后者拟采用通用电气公司的J-85-21加力涡喷发动机，且“夸特马”项目中明确指出通过射流预冷方式将涡轮发动机工作包线扩展到马赫数3.3。这些事实再次印证了美国当前基于现货涡轮TBCC技术发展高超声速飞机的发展策略。

3.2 研发模式方面，研发项目牵引技术攻关，飞行试验平台项目兼顾试验验证和技术储备

为不断提升高超声速飞机的技术成熟度，二十年来美国实施了多项技术研发项目。早期主要聚焦动力技术，针对TBCC所需高速涡轮技术、冲压发动机技术以及组合技术，迭代开展了多个项目。近年来，针对高超声速飞机设计和其他分系统技术开展了多项研究。如 “夸特马”的研究目标不仅能包含TBCC推进系统的飞行试验，还包含验证机的设计与集成、任务载荷的集成、推演仿真的分析工具、作战能力的理解和认识等要素；NASA的“苍穹”高超声速飞机的研究任务也不再局限于TBCC推进系统，而是扩展到材料与热管理以及飞机设计。

此外，美国还布局发展了可重复使用高超声速飞行试验平台。一方面，能提供高超声速飞行环境，开展高频次飞行试验验证，实现对基础机理和物理规律的认知，降低技术验证的风险，丰富高超声速飞机技术数据积累，为加速高超声速飞机技术向实用化发展提供必要支撑；另一方面，因其与高超声速飞机具有技术和设计上的相通性（如气动外形同样可以采用乘波体设计），可促进空气热力学、流动物理学、高温材料、飞行控制和轨迹、仪器仪表和设计工具等技术领域的开发，其技术成果未来可转化到高超声速飞机上。2016年美国空军提出的“经济可承受的高超声速常规试验”（HyRAX），NASA和空军研究实验室共同资助的X-60A，以及平流层发射系统公司2018年提出的Talon-A都是这种试验平台。

图5 美国平流层发射系统公司披露Talon-A设计原型

Fig.5 Prototype of Talon-A test vehicle is showed by Stratolaunch

3.3 科研力量方面，老牌军工企业与初创公司同场竞技

美国开展高超声速飞机研究的科研力量，除了波音、洛马、雷锡恩、航空喷气洛克达因等传统军工强企以外，近年还涌现了一些初创公司，双方同场竞技，期望在这一新赛道占得先机。

就美国官方2021年注资发展的“苍穹”和“夸特马”两个高超声速飞机研发项目来看，“苍穹”由NASA授予了老牌军工企业通用电气公司；另一个“夸特马”项目则由空军授予了初创公司赫米尔斯，且后者获得的资金价值更高，达6000万美元。可见在美国高超声速飞机领域，初创公司已成为一支不容忽视的力量。

然而，值得一提的是，美国很多初创公司其实都拥有老牌军工企业的“血统”。赫米尔斯公司的创始人中有多人来自SpaceX公司和蓝色起源公司，且四位创始人曾全部共同主导美国空军X-60A高超声速飞行试验平台的研发工作，这也是该公司在成立3年后就能正式推出“夸特马”原型机的重要原因之一。

图6 美国空军的X-60A飞行试验平台

Fig.6 X-60A test vehicle

四、运用展望

随着对关键技术认识的不断深化，美国高超声速飞机发展策略也由早期较为激进的高难度高风险探索，逐渐变得更切实可行，尽可能降低技术风险，分步骤渐进式发展。2016年，美国空军提出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，2028年前完成翻修后可重复使用的高速作战系统验证机试飞，2035年前完成可完全重复使用的验证机试飞。2017年7月，美国空军提出高超声速飞机将采取“爬-走-跑”的渐进发展路线。

2021年，国防部制定的高超声速现代化战略中指出，美国高超声速飞机将在2030年代初期至中期具备交付能力。一旦形成装备，高超声速飞机将成为新质情报监视侦察与打击一体平台，大幅压缩“杀伤链”环节，颠覆传统战场时空关系。在未来的反介入环境下作战时，高超声速飞机可依靠自身极强的生存能力实现拒止区域突防，再利用搭载的ISR载荷实现对重要固定/时敏目标实施即时抵近侦察或电子对抗的同时，发挥“发现及摧毁”优势对目标进行临空打击，使敌方纵深缓冲带效果大打折扣。尤其当高超声速飞机搭载高超声速导弹后，打击半径和毁伤侵彻能力将进一步提升，使对手纵深缓冲带效果大打折扣，从而以少量优势装备达成战略震慑目的。

结束语

高超声速飞机是美国继高超声速导弹后高超声速技术下一阶段发展重点，近年美国在高超声速飞机领域不断发力，动作频出，美国政府部门及各军工企业纷纷加大投资力度，希望在这一新赛道抢占先机。历经20年的发展，美国逐步完善调整自己的高超声速飞机发展策略，这将成为美国顺利发展高超声速飞机技术的重要保障。