波音的高超聲速夢想

蓋伊·諾瑞斯

波音公司將自身定位于可研發(fā)一種未來可超過Ma5速度的察打一體型飛機的制造商，正加大賭注參與到處于領(lǐng)導(dǎo)地位的美國超聲速飛行器的加速競賽中。波音公司積極加強與ORBITAL ATK公司的合作，開展以渦輪基組合循環(huán)為核心的推進系統(tǒng)設(shè)計。

今年1月初，在佛羅里達州舉行的航天科學(xué)與研究會議上，波音公司被外界揭露，正在研發(fā)一架可重復(fù)使用的高超聲速演示概念飛行器，這標(biāo)志著波音公司開始直面挑戰(zhàn)洛克希德·馬丁公司。而洛克希德·馬丁公司曾于2013年公布了一項計劃，將要為早已退休的“黑鳥”SR-71研制速度達Ma6的繼任者。

有跡象表明，波音公司在美國高超聲速研究和發(fā)展過程中顯著提升能力，展現(xiàn)了其雄心勃勃的計劃，通過各種高速火箭和燃氣動力項目積累了幾十年設(shè)計經(jīng)驗。該公司的大后掠三角翼飛行器概念顯著地影響了X-43和X-51A高超聲速演示項目，但同時也包含了一些來自波音公司后來收購的公司項目設(shè)計特征，其中包括Ma3的XB-70瓦爾基里驗證型轟炸機項目。

波音公司的首席科學(xué)家凱文·鮑克特表示，為了研究以最低成本研制一種可重復(fù)使用高超聲速演示飛行器的可能性，波音公司以獨立的項目研究來探討這個問題。為了研發(fā)全尺寸樣機，波音公司考慮了一個兩步走方案，首先以一架F-16大小的單引擎概念驗證機進行飛行測試，然后再以一架與32.6m長的SR-71差不多大小的雙引擎全尺寸可操控飛行器進行測試。

這個概念模型是在佛羅里達州奧蘭多舉行的美國航空航天科技協(xié)會論壇上公布的。凱文·鮑克特說：“雙垂尾的“乘波者”后續(xù)還要繼續(xù)優(yōu)化，但它已經(jīng)代表了一個可行的高超聲速飛行器設(shè)計方案。研制一架起飛后從Mal一直加速到Ma5、甚至到更快的飛行器確實非常困難，燃氣引擎的比推力會隨著速度的增加而下降，所以必須采用更大的引擎才能達到Ma5的速度。但是這樣做意味著引擎將會擁有更大的進氣口和噴嘴，而將會更難以跨越聲速?！?/p>

凱文·鮑克特說，即使如此，利用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MDO），即一種設(shè)計人員同時采用所有相關(guān)學(xué)科方法，通過仔細地將機身和推進系統(tǒng)進行集成，可以使波音公司能夠研發(fā)出一個可行配置。MDO被于X-51A“乘波者”的設(shè)計方案凍結(jié)，這是第一種用于驗證可持續(xù)燃氣推進的超聲速飛行器。

最初，高超聲速飛行器概念研發(fā)由波音公司獨立出資，但是在美國國防部預(yù)研局（DARPA）的“先進全狀態(tài)發(fā)動機”（AFRE）項目下進行，并且與美國空軍研究實驗室進行的渦輪基組合循環(huán)飛行演示概念研究緊密相關(guān)。波音公司的引擎項目合作伙伴是OBITAL ATK公司，2017年9月，該公司的“先進全狀態(tài)發(fā)動機”項目被授予了一份價值2140萬美元的合同。2016年，波音公司參與美國空軍研究實驗室渦輪基組合循環(huán)項目的飛行演示概念研究工作，并將OBITAL ATK作為其分包商。

該概念飛行器的配置受到渦輪基組合循環(huán)推進系統(tǒng)約束，推進系統(tǒng)將由傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機與雙模沖壓發(fā)動機/超燃沖壓發(fā)動機（DMRJ）相結(jié)合，將渦輪發(fā)動機運轉(zhuǎn)到足夠高的馬赫數(shù)，再過渡到雙模沖壓發(fā)動機/超燃沖壓發(fā)動機。發(fā)動機之間將共用同一個進氣口和噴嘴，在過渡段后渦輪被包住，直到高超聲速飛行器減速后再重新啟動以返回跑道并降落。鮑克特說，進氣口被來自于XB-70的一種突出隔板分開，附加了隔板的渦輪基組合循環(huán)只是眾多潛在推進方案中的一種，而噴嘴也由一個突出的尾部分割件隔開。

波音公司研發(fā)高超聲速飛機的首席專家湯姆·史密斯說：“推進系統(tǒng)決定了飛行器的長度。”雖然波音公司拒絕討論設(shè)計的具體細節(jié)，但是較寬的進氣口和機身上寬闊且較低的發(fā)動機艙表明，每臺渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機的渦輪和雙模沖壓發(fā)動機/超燃沖壓發(fā)動機都是并排放置的，而不是上下疊放的。

內(nèi)彎的進氣口被置于可捕獲從飛機頭部產(chǎn)生的初始沖擊波的位置，而依隨大跨度三角翼成型的大后掠前機身邊條可在高超聲速時提供乘波能力，在亞聲速起降時提供高升力。“乘波者”一詞是指飛行器乘著沖擊到前緣的激波并受益于較低的誘導(dǎo)阻力來飛行的設(shè)計。湯姆·史密斯說：“當(dāng)窄邊條過渡到機翼時，在低速階段會產(chǎn)生有利的渦流?！迸c洛克希德·馬丁公司的SR-72概念相比，波音公司的設(shè)計外表相似，但不同之處在于它擁有雙垂尾且發(fā)動機安裝在一個較大的艙內(nèi)，而不是單獨安裝。有消息說，該機型在公司內(nèi)部被稱為“瓦爾基里2代”，目前仍在不斷完善設(shè)計中，并且被展示的模型也不太可能出現(xiàn)這種獨特的駝峰式機身。

2017年，洛克希德·馬丁公司表示，自2006年起就與航空噴氣火箭達因公司（Aerojet-Rocketdyne）合作，研發(fā)一種用于超高聲速飛行研究的小尺寸飛行器，并已經(jīng)取得了重大進展。該項目是建立在基于美國空軍和美國國防部預(yù)研局的HTV-3X可重復(fù)使用的高超聲速演示項目的前期工作基礎(chǔ)上進行的，雖然HTV-3X項目于2008年下馬，但該項目通過集成了一個高速渦輪發(fā)動機，技術(shù)向前邁了一步。HTV-3X概念是美國國防部預(yù)研局的“獵鷹計劃”的產(chǎn)物，該項目包括開發(fā)小型運載火箭、通用航空飛行器和高超聲速巡航飛行器。

波音公司提出的可重復(fù)使用的高超聲速演示機型是一個基于X-43/X-51經(jīng)驗的“乘波者”概念。

波音的超聲速項目歷程

X-15 （1956-1968）

產(chǎn)自北美飛機公司的有人駕駛火箭動力的試驗型超聲速飛行器，其速度曾達到Ma6.7。

先進機動再入式飛行器（AMaRV） （1967-1988）

麥克唐納·道格拉斯公司的再入式飛行器展示了多樣氣動構(gòu)型和機動再入飛行（13次）的控制機制。在這一階段，其他五種機動再入式飛行器均得到了試驗測試。

航天飛機太空運輸系統(tǒng)（STS） （1972-2011）

羅克韋爾國際宇航員和載荷軌道交通系統(tǒng)。

X-43是波音公司生產(chǎn)的世界上第一臺超燃沖壓發(fā)動機飛行器，并連續(xù)創(chuàng)造了兩個噴氣式飛機的速度記錄：Ma6.8和Ma9.6。

X-51A“乘波者” （2003-2013）

波音公司的碳氫沖壓發(fā)動飛行器驗證了Ma5.1下融合機身和推進器的飛行器重量在未來高超聲速飛行器的應(yīng)用。

先進機動再入式飛行器（AMaRV） （2006至今）

這是一個由多國參研的高超聲速飛行試驗項目，旨在提高高超聲速飛行的科學(xué)技術(shù)和經(jīng)驗知識。2017年，波音公司、澳大利亞的國防科學(xué)技術(shù)小組、美國空軍研究實驗室和昆士蘭大學(xué)聯(lián)合團隊成功地測試了由波音公司設(shè)計的“乘波者”滑翔機的飛行控制系統(tǒng)。

“幻影快車” （Priainform Express） （2017至今）

波音公司和美國國防部預(yù)研局（DARPA）正在合作，設(shè)計、制造并測試XS-1幻影快車技術(shù)驗證飛行器。這是一種可重復(fù)使用的太空飛機，并可快速地、像飛機似地進入太空。