歐洲的高超聲速推進項目及其項目管理

尤延鋮，安 平

(廈門大學航空系，福建廈門361005)

歐洲的高超聲速推進項目及其項目管理

尤延鋮，安 平

(廈門大學航空系，福建廈門361005)

簡要介紹了近年來歐洲的高超聲速推進項目，包括歐洲航天局(ESA)牽頭的歐盟LAPCAT、LAPCAT-Ⅱ、ATL?LAS-Ⅰ、ATLLAS-Ⅱ項目，德國航空航天中心(DLR)獨立完成的SHEFEX-Ⅰ、SHEFEX-Ⅱ項目。以歐洲LAPCAT-Ⅱ項目為例，詳細分析了歐洲高超聲速項目在預算、立項、執行、交流、評審及驗收等全過程中的項目管理和調控方法，可為我國組合動力及其它高超聲速工程研制的項目管理提供參考。

歐洲；高超聲速；渦輪基組合循環發動機；項目管理；預冷卻器；熱管理

1 引言

高超聲速技術是21世紀航空航天領域的制高點，代表著未來軍民用航空器的戰略發展方向。以美、俄、歐為代表的世界航空航天強國，都在大力推進各自的高超聲速飛行器研制計劃。在歐洲，高超聲速研究的重點集中在民用高超聲速科技計劃[1]。從2005年開始，歐盟第六科技框架將發展民用(高)超聲速航空飛行器列入研究計劃，并啟動了LAPCAT(長期先進推進概念和技術)項目[2]。2008年4月LAP?CAT項目到期終止后，歐盟第七科技框架計劃緊接著啟動了LAPCAT的后續項目LAPCAT-Ⅱ[3]。LAP?CAT-Ⅱ的主要研究目的，是完成巡航速度為馬赫數5和8的兩種超遠程民用運輸飛機的初始設計，為后續的高超聲速飛行器研制項目奠定基礎。與LAP?CAT項目相配套，歐洲航天局(ESA)還在歐盟第六、第七科技框架的支持下，開展了名為高速飛行的空氣動力學和過熱交互與輕質材料的ATLLAS-Ⅰ、ATLLAS-Ⅱ項目[4]，專項研究實現高超聲速飛行時最為關鍵的耐高溫輕質材料。

圖1綜合展示了近年來歐洲高超聲速研究的路線圖。作為歐盟第一經濟強國，德國在高超聲速技術發展方面開展了獨立研究，其中最為著名的當屬德國航空航天中心(DLR)開展的SHEFEX(銳邊飛行試驗)項目[5，6]。SHEFEX屬于再入技術和高超聲速技術的研發項目，旨在對一種尖前緣多平面組成的新型再入飛行器的性能進行研究。2005年和2012年，DLR在挪威先后完成了SHEFEX-Ⅰ和SHE?FEX-Ⅱ的兩次飛行試驗研究。SHEFEX-Ⅱ高超聲速飛行器已達11倍聲速。目前，DLR正在進行SHEFEX-Ⅲ的研究，計劃在2016年實現15 min的長時間高超聲速飛行。

圖1 歐洲高超聲速研究的路線圖Fig.1 Development roadmap of hypersonic research in Europe

下面結合作者在德國工作期間的體會，對歐洲高超聲速推進項目及其項目管理進行介紹和分析。

2 歐盟高超聲速推進項目

2.1 LAPCAT項目

目前歐洲正在研發的渦輪基組合循環(TBCC)動力系統都源于LAPCAT計劃，該計劃分為LAP?CAT-Ⅰ和LAPCAT-Ⅱ兩個階段。2005—2008年，LAPCAT-Ⅰ項目總投資700萬歐元，執行期間就選用哪種飛行器布局、動力裝置等問題展開了大量方案論證。計劃的主要目的是探索飛行馬赫數4～8一級的高速飛行器可能的推進概念(含TBCC和RBCC)。

TBCC方面，LAPCAT-Ⅰ項目最突出的研究成果是，提出了使用氫燃料進行馬赫數5飛行的LAP?CAT A2概念，并建議采用預冷卻的Scimitar發動機。圖2和圖3為英國Reaction Engines公司建議的LAPCAT A2飛行器及Scimitar發動機。在Scimitar發動機基礎上，Reaction Engines公司還開發了一款名為Sabre的RBCC發動機原理樣機。二者共同的核心技術是如圖4所示的預冷卻器單元。該預冷卻器可在小于0.01 s時間內將超過1 150℃的發動機進口空氣冷卻到-150℃。其關鍵在于大量使用微米級的高溫合金(Inconel 718)形成微細冷卻通道，加快換熱速度，減輕高超聲速飛行時氣動加熱帶來的影響。

圖2 LAPCAT A2飛行器概念Fig.2 Conceptual design of LAPCAT A2

圖3 Scimitar TBCC發動機Fig.3 Scimitar TBCC engine

圖4 Scimitar/Sabre發動機預冷器Fig.4 Precooling system of Scimitar/Sabre engine

圖5 高超聲速飛行器設計體系[7]Fig.5 Hypersonic vehicle design system[7]

LAPCAT-Ⅱ原計劃研制周期為四年(2008.10―2012.9)，總投資1 000萬歐元，后來又追加了半年。其主要任務是完成巡航速度為馬赫數5和8的兩種超遠程民用運輸飛機的設計，參與單位中各有兩家采用TBCC和RBCC推進系統。設計過程必須考慮氣動、結構、材料、熱管理、控制等多學科的優化(圖5)。最終，瞄準高超聲速客機的應用背景，考慮到亞聲速巡航的經濟性及乘客能接受的加速度，總體選定了TBCC方案。研究重點集中在高馬赫數下的超燃沖壓發動機，含進氣道、燃燒室、尾噴管設計，并開展了相關試驗研究，取得了相應進展(圖6和圖7)。

圖6 馬赫數8方案超燃沖壓發動機風洞試驗照片Fig.6 Test model of M8 scramjet in wind tunnel

圖7 超燃沖壓發動機USCER噴嘴試驗件Fig.7 USCER nozzle used in a scramjet model

2.2 ATLLAS項目

ATLLAS項目自2006年10月啟動，其主要目標是研制用于長時間(高)超聲速飛行(馬赫數大于3)所需的耐高溫輕質結構材料。這里耐受的高溫，涵蓋外流表面的氣動加熱環境及燃燒室內的高溫環境。研究對象包含金屬材料和非金屬材料(如耐高溫陶瓷材料、陶瓷基復合材料等)，也包括提高材料耐受溫度的主動/被動冷卻技術。2006―2010年間，歐盟13家科研機構在歐洲航天局的帶領下完成了ATL?LAS-Ⅰ項目，取得了如圖8所示的若干關鍵進展。圖中：(a)為項目中研究的空心球堆棧技術，(b)為用于尖前緣的超級耐高溫復合材料，(c)為帶冷卻通道的陶瓷基燃燒室結構，(d)為帶發汗冷卻的陶瓷基燃燒室，(e)為新型高溫合金燃燒室組件，(f)為陶瓷基燃燒室材料在進行耐高溫試驗，(g)為陶瓷基碳-碳/碳-硅材料的尖前緣氣動測試，(h)為組合件在1 500℃下的耐高溫試驗。

圖8 ATLLAS-Ⅰ項目主要研究進展Fig.8 Key progress of ATLLAS-Ⅰproject

在ATLLAS-Ⅰ項目的基礎上，歐盟又撥款在2011―2014年支持ATLLAS-Ⅱ項目的研發。總的原則是希望通過ATLLAS-Ⅱ項目的運行，能夠為LAP?CAT-Ⅰ、LAPCAT-Ⅱ項目中得到的氣動概念和方案，提供可行的材料和結構研究做補充。根據歐洲航天局對現有技術的技術成熟度評估，ATLLAS-Ⅱ項目會著重對表1所示相關技術開展進一步的深入研究，希望能將現有的技術成熟度提高1～2個等級。

表1 ATLLAS-Ⅱ項目涉及的關鍵技術成熟度(指長時間高溫工作)Table 1 Critical technology readiness levels involved in ATLLAS-Ⅱproject(long-time high temperature)

2.3 SHEFEX項目

世界范圍內，高超聲速空天飛機、載人航天器和太空站的安全運行，都對大氣層再入技術提出了急切需求。為在這個未來關鍵技術領域盡快取得突破，DLR設立了研究再入技術的SHEFEX科研專題。國內已有相關文獻對SHEFEX項目進行了詳細報道[8]。SHEFEX最初是針對NASA的X-38太空站成員返回飛行器原型機所需的熱防護材料和結構進行的，其設計承受溫度為1 800℃，并試圖證明該技術成本僅為NASA空天飛機所用防熱瓦的二分之一。但傳統的試驗與仿真手段，無法完全驗證在惡劣高超聲速環境下材料的性能，因此飛行試驗就成為高超聲速研究方案和技術驗證過程中必不可少的重要環節。為了以較低的成本完成高置信度的飛行試驗，德國全面開展了SHEFEX項目，利用尖前緣多平面組成的新型再入飛行器(圖9)進行研究。

圖9 SHEFEX-Ⅰ試驗飛行器Fig.9 Test vehicle of SHEFEX-Ⅰ

SHEFEX-Ⅰ試驗旨在對新型尖前緣多平面設計方案進行演示，并驗證其氣動性能。SHEFEX-Ⅰ結構由一個鋁制的基礎框架和多個熱防護面板組成。熱防護面板覆蓋在鋁結構框架上，可由不同材料組成，并構成不同的特征形狀，如凹入和凸出的斜面、明顯的邊緣和尖前緣。全部測量元件都集成在熱防護系統上，并安裝在基礎框架內。這種方案允許試驗面板由不同的材料或表面涂層組成，可直接與基礎框架連接，便于替換傳感器類型或改變傳感器分布。這樣，每個面板都可用作一個獨立的試驗平臺。

2005年10月27日，DLR成功進行了SHE?FEX-Ⅰ飛行器的飛行試驗。SHEFEX-I以馬赫數6的速度飛行了20 s，獲得了一套完整的氣動數據。繼SHEFEX-Ⅰ飛行試驗取得成功后，SHEFEX-Ⅱ飛行器的研制工作隨即展開。

SHEFEX-Ⅱ的主要目的，是驗證使再入和著陸更加簡便易行的結構、系統和設計技術。DLR對SHEFEX-Ⅱ的氣動外形進行了全新設計，并開展了大量風洞試驗，如圖10所示。2012年6月22日，SHEFEX-Ⅱ在挪威發射升空，在其上升和再入階段都獲得了令人滿意的數據。SHEFEX-Ⅱ總重達7 t，在距基地250 km外的海域著地，在再入大氣層時速度達到11倍馬赫數。雖然相關的回收艦已準備到位，但出于安全考慮，離墜落地點保持了一定距離，因此沒有在有效載荷遺失前趕到。盡管如此，SHE?FEX-Ⅱ用于測量溫度、壓力、熱負荷、加速度和其它關鍵參數的300多個傳感器都工作正常。數據顯示，飛行器的性能與設計預期一致，SHEFEX-Ⅱ的防護瓦、絕熱層與冷卻系統都承受住了再入階段高達2 500℃的高溫，飛行階段滾轉控制也滿足要求。

圖10 SHEFEX-Ⅱ試驗飛行器Fig.10 Test vehicle of SHEFEX-Ⅱ

SHEFEX項目最大的特點在于項目成本低廉，發展的技術，尤其是再入的熱防護和熱管理技術，也可彌補國際上在這一領域的空白，因此其是一個非常有前景的項目。目前，針對SHEFEX-Ⅲ的研制計劃已啟動，并計劃在2016年進行第三次飛行試驗。

2.4 HEXAFLY項目

上述各項歐洲高超聲速研究計劃，已經對飛行相關的許多關鍵技術進行了地面試驗。以此為基礎，歐洲航天局正在主導準備下一階段的飛行試驗，稱HEXAFLY(高速試驗飛行器)項目[9]。重點關注包含綜合運用這些先進技術的高速飛行器概念，解決性能、空氣動力學、推進、材料、控制和環境等一系列實際工程問題，最終實現一次成功的高超聲速試驗飛行。HEXAFLY項目同樣分兩期，第一期(2012―2013)為短期項目，主要目標是再次仔細論證運用現有技術進行飛行演示驗證的可行性和可能遇到的問題；第二期(2014―2018)為實質的飛行試驗項目，稱HEXAFLY-International項目，擬邀請有力的國際伙伴參與，共同完成。

飛行器設計仍然是該項目面臨的主要挑戰。其目標是設計一種一體化的高速飛行器，速度可從馬赫數5加速到馬赫數8。由于受歐洲地面設施規模限制及費用問題，飛行器設計長度考慮在1.5～4.5 m范圍。大尺寸設計可集成更多技術，而小尺寸在低復雜性、重量、尺寸、資金等方面具有優勢，需權衡。目前有兩種備選方案：一種是長約1.5 m的小尺寸版本飛行器方案，另一種是長約4 m的大尺寸版本。此外，HEXAFLY計劃還包括發射助推火箭或空射助推器研究。按目前計劃，擬采購巴西產的S40火箭作為助推段。

3 歐盟項目管理

3.1 頂層設計

從上述分析可以看出，歐盟的高超聲速項目研制有著比較清晰的發展路線圖。歐洲航天局牽頭的一系列項目，LAPCAT-Ⅰ、LAPCAT-Ⅱ、ATL?LAS-Ⅰ、ATLLAS-II、HEXAFLY和HEXAFLY-Inter?national，前后共延續十余年，涵蓋了概念分析、基礎研究、工程方案和演示驗證等過程。德國的SHE?FEX項目也有著比較長遠、清晰的技術規劃，如圖11所示，從2005年開始的亞軌道再入到2020年左右的太空往返。最為重要的是，歐盟各國會嚴格按照發展路線圖逐步推進。

圖11 德國SHEFEX項目發展路線圖Fig.11 Development roadmap of German SHEFEX plan

除發展路線規劃外，對于每一個具體項目，在項目申報階段，歐盟申請人也都會對總體方案進行頂層規劃，按技術需求劃分不同的項目群(WP)。然后根據項目的技術特點設計和分解主要的子課題，并按照彼此間的關聯度，組織形成項目網絡，嚴格定義每一子課題的輸入/輸出邊界及時間節點，用以保證項目能在未來3～5年時間里順利執行。

圖12展示了LAPCAT-Ⅱ項目在申請階段規劃的研究內容。可見，WP1為項目管理與協調，WP2為馬赫數5一級飛行器設計與研究，WP3為馬赫數8一級飛行器設計與研究，WP4為飛行器的空氣動力學計算和試驗研究，WP5為燃燒的試驗研究，WP6為燃燒的計算研究。在每個項目群下，又規劃了具體的子課題，它們彼此之間存在著相互依存關系，既從上游子課題獲得輸入，又為下游子課題提供輸出。

圖12 LAPCAT-Ⅱ項目子課題規劃與網絡連接Fig.12 Workpackage diagram of LAPCAT-Ⅱpreoject

當子課題組比較龐大時，需對子課題再劃分次子課題。以LAPCAT-Ⅱ項目WP3為例(圖13)，為完成馬赫數8一級飛行器設計，需延續LAPCAT-Ⅰ項目的前續研究，為此開放了3.1.1～3.1.4所示的4個次子課題。而后，在6個月時間內，完成對LAP?CAT-Ⅰ研究成果的深化和再吸收，然后轉入WP3.2，研究TBCC和RBCC的概念可行性。在項目啟動后的第9個月，完成TBCC和RBCC的方案檢驗后，以3.4.1的TBCC和3.4.2的RBCC全機數值計算為輸入，在3.2.3次子課題完成對TBCC和RBCC推進方案的詳細評估，最后在3.5子課題確認馬赫數8一級方案。

圖13 LAPCAT-Ⅱ項目第3子課題(WP3)規劃與網絡連接Fig.13 Workpackge diagram of the third sub-subject of the LAPCAT-Ⅱproject

可見，歐盟項目管理十分強調項目申請階段的頂層設計，在規劃階段就完成了項目的分工、協調和時間點確認，從而盡量避免項目執行階段無謂的調整。客觀地說，這加大了項目前期的工作，也對項目規劃和制定方提出了更高的要求。

3.2 經費/人員預算

歐盟項目在項目申請階段，除了規劃項目總經費、各子課題研制經費外，還會對每筆經費支出做出詳細預算。以LAPCAT-Ⅱ項目為例，表2給出了LAPCAT-Ⅱ項目的經費預算表，按16家參研機構所承擔的工作量，對研究經費有一個總體測算。表中顯示，LAPCAT-Ⅱ項目總預算1 025.520 8萬歐元，其中DLR承擔的份額最大，為225.5萬歐元，占總經費的21.98%；其次為法國ONERA(航空航天研究院)的189.474 7萬歐元，占總經費的18.48%。不過，并不是所有的科研經費都由歐盟直接撥款。整個項目歐盟撥款為740萬歐元，對DLR的撥款為156.846 5萬歐元，占DLR總經費的70.65%；對ONERA的撥款為142.9萬歐元，占ONERA總經費的76.84%。歐盟對不同國家的撥款比重，按各國經濟在歐盟的排名先后而有所調整。

經費預算在歐盟各個研發機構投入的多少與承擔的任務有很大關系。DLR和ONERA承擔了幾乎全部的高焓風洞試驗任務，因此科研成本比較高。此外，經費的投入還與人員的投入有線性比例關系。表3給出了LAPCAT-Ⅱ項目中，各單位參與不同子課題的人力數。還是以DLR和ONERA為例，DLR為執行LAPCAT-Ⅱ項目，一共投入120人·月，而ONERA投入110人·月。若以科研經費直接除以投入人力數，DLR的一名員工每月的科研經費是1.88萬歐元，ONERA的一名員工每月的科研經費是1.72萬歐元。另外，考慮到該項目規劃的執行周期是4年，因此DLR相當于投入了2.5個全職人力在該項目上，而ONERA的投入是2.29個全職人力。整個項目總投入789人·月，相當于16.4名全職員工就應該能完成LAPCAT-Ⅱ項目。顯然，歐洲高企的人力成本迫使他們的科研人員必須是高效的。

3.3 日常管理與調控

如上所述，歐洲科研工作者要想獲得高額的薪資，就必須以高的效率完成科研任務。高的效率除了靠員工個人的努力外，還需要項目組有一套行之有效的日常管理與調控措施。像LAPCAT-Ⅱ這樣的大型項目，除了項目總負責人外，通常還會為每個子項目指定一個負責人，負責監督子項目的進展，協調子項目組內的輸入/輸出，確保子項目的順利進行。另外，項目因為落實到每個研究機構實際參與的研究人員并不多，因此，項目負責人或子負責人通常都是與各參研人員直接聯系，不再通過單位管理機構或上級領導協調聯系。也正因為如此，技術上的溝通和反饋十分有效。

表2 LAPCAT-Ⅱ項目經費預算表Table 2 Funding budget of the LAPCAT-Ⅱproject

表3 LAPCAT-Ⅱ項目人員投入表 人·月Table 3 Man-power of the LAPCAT-Ⅱproject(Unit: man-month)

項目的日常報告和總結有兩種途徑，一是每隔兩個月需提交雙月報告，報告的內容不用很長，但要能全面反映技術的進展和存在的問題。二是通過定期的會議進行交流。在項目申請書中，會列出如表4所示的項目會議安排。每半年一次全會，所有參研人員集中到某參研單位開會。每個課題必須進行45 min左右的進展匯報并接受質詢，質詢重點為是否已完成項目申請中的節點任務。會后，項目委員會委員對各單位完成情況形成評價意見，上報歐盟管理部門作為撥款參照。表中還顯示，第18個月和第36個月分別是兩個階段性分界點。另外，第30個月有一個中期評審，由歐盟指定項目組以外的戰略專家進行同行評議，決定是否應對項目運行做必要調整。當然，在項目結題時也有一個大規模的同行評議，會根據項目具體執行情況提出驗收意見。其中一種意見形式是建議延期繼續資助，完成新發現的重要科學問題的相關研究。LAPCAT-Ⅱ項目就屬于這種情況，在項目到期后獲批延期資助一次。

表4 LAPCAT-Ⅱ項目會議安排Table 4 Meeting arrangement of the LAPCAT-Ⅱproject

4 結束語

本文簡要介紹了近年來以LAPCAT、ATLLAS和SHEFEX為代表的歐洲高超聲速推進項目。結合作者在德國DLR工作期間的體會，以歐洲LAPCAT-Ⅱ項目為例，詳細分析了歐洲高超聲速項目在預算、立項、執行、交流、評審及驗收等全過程中的項目管理和調控方法。其中，歐盟研究注重項目頂層設計、強化科研人員工作效率、保證執行過程的項目監督等寶貴經驗，可為我國組合動力及其它高超聲速工程研制過程中的項目管理提供參考和借鑒。

[1] Steeland J.Hypersonic Technology Developments with EU Co-Funded Projects[R].RTO-EN-AVT-185-15.

[2] Steeland J.LAPCAT:An EC Funded Project on Sustained Hypersonic Flight[R].IAC-06-C4.5.01，2006.

[3] Steelant J.Sustained Hypersonic Flight in Europe:Tech?nology Drivers for LAPCAT II[R].AIAA 2009-7240，2009.

[4] Steelant J.ATLLAS:Aero-Thermal Loaded Material In?vestigations for High-Speed Vehicles[R]. AIAA 2008-2582，2008.

[5] Eggers T，Longo J，H?rschgen M，et al.The Hypersonic Flight Experiment SHEFEX[R].AIAA 2005-3294，2005.

[6] Weihs H，Longo J，Turner J.The Sharp Edge Flight Exper?iment SHEFEX II,a Mission Overview and Status[R]. AIAA 2008-2542，2008.

[7] McClinton C R.High Speed/Hypersonic Aircraft propul?sion Technology Development[R].RTO-EN-AVT-150，2007.

[8] 文蘇麗，時兆峰.SHEFEX——全新的高超聲速技術試驗平臺[J].飛航導彈，2010，(9)：24—28.

[9] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering/ High-Speed_Experimental_Fly_Vehicles.

European Hypersonic Projects and Project Management

YOU Yan-cheng，AN Ping
(Department of Aeronautics，Xiamen University，Xiamen 361005，China)

Recent hypersonic propulsion projects in Europe were briefly introduced,including the projects of LAPCAT,LAPCAT-Ⅱ,ATLLAS,ATLLAS-Ⅱled by European Space Agency(ESA)and the projects of SHEFEX-Ⅰ and SHEFEX-II independently conducted by the German Aerospace Center(DLR).Taking the LAPCAT-Ⅱ project as an example,the following aspects regarding project control and management were discussed in details,such as budget setup,proposal submission and approval,project running,prog?ress meeting and communication,critical review and final assessment.These experiences provide us a good reference for future TBCC and other hypersonic engineering projects.

Europe；hypersonic；TBCC engine；project management；pre-cooler；thermal management

V37

A

1672-2620(2013)06-0001-07

2013-11-13；

2013-12-03

國家自然科學基金(51006051)

尤延鋮(1981-)，男，福建泉州人，教授，主要從事內流流體力學、計算流體力學研究。