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便利與挑戰共存——軍民兩用的高超音速飛機

由蒼藍觀察發表于垂釣
2022-06-29

簡介其中TBCC具有可常規起降、可使用普通機場、多次重複使用、用途廣泛、耐久性高、安全性好、可使用普通燃料、經濟性好、環境汙染小、技術風險小等特點，既可作為可重複使用空天入軌飛行器起飛返航的低速段推進動力，也可作為各類高超聲速飛行器，尤其是遠

三稜軍刀是什麼時候發明的

作者：蘭順正

首發自：《艦載武器》

在2022年1月5日，《航空週刊》高階編輯蓋伊·諾里斯（Guy Norris）發表推文稱，

其最近舉行的美國航空航天學會（AIAA）的年度科技論壇和博覽會上，發現了波音公司推出的一種可重複使用的高超音速飛機的新模型，並在推特上釋出了新模型的幾張照片。據波音公司透露，這款高超音速飛機可能用來執行軍事和商業任務，包括作為太空發射母艦發揮作用。

明顯的是，此類訊息預示著高超音速飛機已經越來越近了。

高超聲速飛機通常指採用吸氣式動力、最大飛行速度5馬赫以上、可在臨近空間長時間進行高超聲速巡航飛行的飛機。由於此類飛行器具有高速、水平起降、可重複使用等特徵，因此未來在民用和軍用領域都有著巨大的前景。

超越晨昏線的“天使”

在民用領域，高超聲速飛機將會大大節省遠距離通勤所需要的時間。在理論上高超聲速飛機從機場起飛，兩小時內能降落在世界上任何其他一個機場。其實，雖然目前高超聲速客機還在研製中，但在此前民眾就已經體會過高速空運帶來的便捷。如在歷史上，英法聯合研製的協和式超音速客機和蘇聯圖－144超音速客機就都曾投入過運營。其中協和式飛機於1976年初開始商業飛行，該飛機的機翼採用三角翼，機翼前緣為S形，無水平尾翼，專門研製的四臺大推力渦輪噴氣發動機使其可以達到2180千米/小時（音速2倍）的高速。協和式一共生產了20架，主要負責橫跨大西洋的航線。由於協和式飛機的巡航速度比晨昏線的移動速度更快，令它能夠追上和超越地球的自轉，在西行航線上，以當地時間計算，抵達時間往往比起飛時間早，這就是協和式乘客津津樂道的“降落在起飛之前”奇觀。而蘇聯的圖-144超音速客機也在1975年12月26日完成了世界上第一架次超音速客機的商業飛行。

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協和式客機

不過，當時的超音速客機雖然快，也存在著一些重大缺陷，如發動機的耗油率高、環保不達標、噪聲過大等，這也為其後來的黯然退場埋下了伏筆。像蘇聯圖-144在幾次災難性事故後，僅服役數年就停止了飛行。而在2000年7月25日，法國航空公司AF4590航班的一架協和式飛機在巴黎戴高樂機場起飛後兩分鐘起火墜毀，造成機上109人以及地面4人喪生。經此一役，協和號一蹶不振，不久就退出了歷史舞臺。

雖然兩位“前輩”先後失敗，但是在全球化趨勢愈發明顯的今天，高速度對於人們出行和商務往來依然有著巨大吸引力，因此相關的企業早已開始了新型超音速客機的研發。在2016 年，美國Boom 公司就公佈了其設計的超聲速客機概念圖——Overture，該飛機採用複合三角翼佈局，機身由碳纖維材料製造，全長52 米，翼展 18 米，裝備3 臺推力為 67 ～ 89千牛的中涵道比渦輪風扇發動機，巡航速度 2。2 馬赫，最大航程8300 千米，最多可搭載 55 名乘客。而除了 Boom 公司，波音也在一直不遺餘力地推進超聲速飛行器的研製。2018 年 6 月在美國航空航天學會（AIAA）2018 年度航空峰會上，波音公司公開了一款高超聲速民用飛機方案。波音表示，這款高超聲速飛機的速度將達到5馬赫。

而在2021年7月，俄羅斯總統普京在一次高級別政府會議上也批准了開發新型Strizh超聲速技術演示機的提議。據悉，該機將由俄羅斯克利莫夫公司（Klimov）研製的RD-93MA渦扇發動機提供動力，機長約36。6米，起飛重量為16噸，速度可達1。8馬赫。Strizh會被用於評估一系列新技術，比如源自仿生結構的機身設計（而非傳統的機身和肋）以及發動機機身一體化工程，以降低機場周圍噪音。目前，其縮比飛機模型已完成風洞和熱氣測試，若俄羅斯政府同意注資繼續開發該超聲速飛機，則將在2022年至2026年之間開展該機型的製造和飛行測試活動。

另外，歐洲於2018年6月啟動了“高速推進概念的平流層飛行應用”（StratoFly）專案，該專案是在歐洲“地平線2020”計劃資助下的一個高超聲速民用飛機技術驗證專案，繼承了此前歐洲航天局/歐洲航天研究與技術中心LAPCAT等專案開發的乘波體佈局方案成果，並直接採用了其中LAPCAT II專案MR2。4方案（機長約94米）作為基線方案。該專案週期兩年，經費預算為400萬歐元，遠景目標是在2035年前將300座級高超聲速民用飛機的技術成熟度等級提高到6級。而在2020年5月，英國Aerion公司在2050年願景中提出了發展全電及混合電推進超聲速/高超聲速民用飛機的AS2超聲速公務機方案，該機設計最大航程在1。4馬赫速度下為7780千米，在0。95馬赫下為10000千米，計劃於2024年首飛，並在2026年投入服務。

必須克服的“音爆”

超音速技術要想用之於民，有些門檻是必須要跨過的，其中較為重要就是音爆問題。音爆是物體在空氣中運動的速度突破音速時產生衝擊波所引起的巨大響聲。較強的地面音爆會影響生態環境和人類正常的生活工作，嚴重時甚至會破壞建築物。據測試，上文中的協和式客機在 16000米高空以兩馬赫飛行時產生的音爆對地面產生的壓強高達100帕，相當於給一塊一平米左右的玻璃窗上施加10公斤的力（所以協和式也被美國、馬來西亞等多個國家禁止在陸地上空作超聲速飛行）。因此新一代超音速客機需要解決的首要問題就是音爆。目前，音爆抑制技術主要有主動和被動兩類。主動技術透過能量注入來抑制音爆，如透過鐳射脈衝的方式向超聲速流場中注入能量，改變原本的激波結構，避免飛機各部件產生的激波相互疊加和干擾，以降低音爆強度。被動技術則以靜音錐為代表，主要透過在機頭安裝若干可伸縮的圓錐體和圓柱體，透過使機頭原本較強的弓形激波變為若干道弱激波，並避免聲爆傳播過程中出現激波疊加和干擾的方式來抑制音爆。

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戰機音爆的瞬間

為了有效解決音爆帶來的困擾，美國國家航空航天局（NASA）與洛克希德·馬丁公司共同開啟了低音爆飛行驗證機（LBFD）專案，專案的總體目標是透過一架驗證機——即X-59靜音超聲速技術（QueSST）驗證機，來測試和驗證降低聲爆技術，確保飛機在巡航飛行期間的可感噪聲在可接受範圍之內，並建立一個地面社群對超聲速飛行的反應資料庫，為美國聯邦航空局（FAA）和國際民航組織（ICAO）在2025年制定超聲速飛行噪聲標準提供參考和依據。據悉NASA為X-59專案提供了高達2。47億美元的資金。

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X-59驗證機

NASA提供的設計圖顯示，這架技術驗證機的體積並不大，長28。65米，翼展9米，最大起飛重量14。7噸，裝備一臺F414-GE-400渦扇發動機。該機長而細的機體設計是其突破音障時不會產生巨大噪音的關鍵，X-59採用與協和式相似的長尖機頭和後掠機翼。NASA阿姆斯特朗飛行研究中心航空航天工程師艾德·海林表示：“X-59在超音速飛行時，機體多個部位仍會產生多個衝擊波，但精心設計的機體將保證這些衝擊波不會疊加在一起，防止出現強大的音爆”。按計劃，X-59超音速飛行時的噪音將降低到60-65分貝，地面上的人們聽到的只是一聲像汽車關門那種“砰”的聲音。X-59計劃於2021年底交付，它可以在1。6萬米高空以接近兩馬赫的速度巡航。臭鼬工廠飛行演示專案經理彼得·約瑟菲迪斯表示，“該專案的開始，標誌著安靜的超音速商業旅行將迎來巨大飛躍”。

未來戰場的“明星”

高超聲速飛機的軍用潛能更是不可估量。

首先，高度資訊化、高度智慧化是未來戰爭的特點，未來的空中打擊主要依靠高度和速度取勝，而高超聲速飛行器能在2小時內抵達全球任何角落的任何目標。在情報收集方面，高超聲速飛機可以搭載各種情報、偵察、監視載荷，利用飛行高度與速度優勢，對敵方進行全天候、全天時高空偵察監視，將實時蒐集的戰場情報透過C4ISR 系統分發至各級指揮單元和作戰平臺，為實時的臨機決策、毀傷評估等提供重要支撐。與其他有人或無人偵察機相比，高超聲速飛機的戰場生存能力強，可執行對地、對天雙重偵察監視任務，大幅拓展偵察監視範圍，情報蒐集時效性顯著增強。高超聲速飛機與預警機、偵察衛星等構成一體情報偵察體系，充分發揮戰場情報蒐集整體優勢，可對己方周邊廣闊地區實現全域覆蓋和全維監視。

在火力投射方面，高超聲速飛機獨特的物理特徵、飛行軌跡、飛行空間等使其可對目前現役所有防空反導體系構成巨大壓力。空中目標的運動速度直接決定其透過敵方防禦體系作戰空域的時間，對突防機率影響極大。高超聲速飛行器飛行速度快，可有效縮短對方的反應時間，回波積累數量少，常規雷達的探測能力明顯降低；同時，現有地面防空武器系統的方向轉動機構的轉動速度慢，不能有效跟蹤瞄準高速目標。以上等都導致了高超聲速飛行器的突防機率明顯偏高，研究表明，當飛行器的速度從5馬赫增加到6馬赫時，突防機率從78%增加到89%，而如果未來高超聲速飛機與高超聲速導彈等武器構成“雙高速組合”，則作戰效能無疑將會再越上一個臺階。

鑑於高超聲速飛機所帶來的“革命性”軍事優勢，各個大國軍隊對其可謂趨之若鶩。美國從 21 世紀初開始提出發展軍用高超聲速飛機，2010 年後隨著美國戰略重心東移，圍繞印太地區的戰略競爭尤其是大國間的競爭愈加凸顯，美國的軍事關注重點也從反恐轉向應對其他大國的反介入/區域拒止（A2/AD）挑戰，並進一步聚焦高階軍事能力建設。在此背景下，美國逐漸加大對高超聲速飛機的探索力度，2012年美國空軍出臺了高超聲速情報、監視、偵察（ISR）飛機技術路線圖，對關鍵技術難點進行了系統分析與路線規劃。2014 年 11 月，美國空軍研究實驗室提出分兩步發展驗證機的思路，首先發展短壽命驗證機，確保在2030年代實現有限重複使用的戰術打擊/情報監視偵察用高超聲速飛機的技術成熟度達到 6 級以上；然後發展水平起降型長壽命驗證機，在 2040年代實現重複使用/持久型高超聲速飛機的技術成熟度達到 6 級以上。2016 年，美國空軍進一步細化發展節點安排，提出 2025 年前將高超聲速 ISR/作戰平臺涉及的各項技術提升到技術成熟度 6 級，2035 年前完成可快速週轉、不經翻修即可完全重複使用的驗證機試飛。

在近20年中，美國軍方和軍工巨頭提出了多個高超聲速飛機路線圖、概念方案及相關發展計劃等，包括 DARPA 和美國空軍在2007 年提出的馬赫數 6 級 HTV-3X “黑雨燕”高超聲速飛機驗證機、美國空軍 2011 年提出的馬赫數 4~5 級高超聲速作戰飛機、DARPA 在 2016 年啟動的先進全狀態發動機（AFRE）高超聲速飛機發動機地面驗證專案、洛馬公司SR-72高超聲速作戰飛機等。其中，

SR-72是洛馬公司正在研發的一款高超聲速偵察打擊一體無人機，主要用於取代上世紀70年代研製的SR-71“黑鳥”高速高空偵察機。按照目前的資訊，該無人機速度達6馬赫，採用大後掠梯形翼+邊條翼，單垂尾，雙發動機位於機翼下方，最大航程4300千米，其技術驗證機大小類似於一架戰鬥機，洛馬公司於2013年首次透露了SR-72研製計劃，2017年公開表示具備研製驗證機的技術條件。

2021 年 2 月，美國防部研究與工程副部長辦公室高超聲速武器專案主管邁克懷特在美空軍協會線上空戰研討會上表示，國防部已經制定了一項高超聲速現代化戰略，以加速發展和交付轉型作戰能力。這一戰略除了包括高超聲速打擊武器及其防禦外，還指出將利用高超聲速飛機進行ISR和打擊，並將其用作空間進入飛行器的第一級。高超聲速飛機計劃在2030年代初期至中期具備交付能力。

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SR-72想象圖

而俄羅斯米高揚飛機設計局則在 2016 年披露，其正在開展米格-41的設計工作。據悉作為米格-31 的後繼機型，米格-41又稱“未來遠端截擊系統”（PAK DP），設計速度達 4 馬赫以上，該機作戰半徑很大，可掛載大量武器彈藥，包括多功能遠端導彈攔截系統（MPKR DP）以及反導鐳射武器，同時還可以開發成為無人駕駛飛機，米格-41預計2025 年首飛，2028 年開始服役。

實現“速度自如”的TBCC

值得注意的是，軍用高超聲速飛機的關鍵，就是碳氫燃料渦輪基衝壓組合（TBCC）發動機。

高超聲速飛行器必須從速度為零開始起飛，而不同速度和高度範圍內的要採用不同種類發動機，如燃氣渦輪類發動機/亞燃衝壓發動機的有利工作範圍在0~3馬赫，採用碳氫燃料的亞燃衝壓發動機在3~5馬赫，再往上到10馬赫則採用碳氫燃料的超燃衝壓發動機（亞燃衝壓發動機轉換到超燃區域的速度在4~5馬赫左右），10倍聲速以上就要使用火箭發動機。

因此，為了保證高超聲速飛行器在寬廣的飛行包線範圍內可靠工作，就需要將兩種以上不同型別的發動機組合，成為一款組合式動力裝置，這樣還可以兼顧安全性、經濟性和作戰效能的綜合要求。目前組合動力裝置可分為兩大型別：組合推進系統和組合迴圈推進系統。在組合推進系統中，各發動機是相互獨立的單元，分別安裝在飛行器上，兩者之間沒有功能上和物理上的相互作用與影響，目前很多的導彈就採用火箭發動機助推的衝壓發動機。

而在組合迴圈推進系統中，發動機可以在不同模式下工作，各發動機單元相互補充，在各種飛行條件下都能發揮出最佳效能。目前組合迴圈推進系統又可分為3 類：渦輪基組合動力（TBCC）、火箭基組合動力（RBCC）和脈衝爆震（PDE）基組合動力（PDEBCC）。

其中TBCC具有可常規起降、可使用普通機場、多次重複使用、用途廣泛、耐久性高、安全性好、可使用普通燃料、經濟性好、環境汙染小、技術風險小等特點，既可作為可重複使用空天入軌飛行器起飛/返航的低速段推進動力，也可作為各類高超聲速飛行器，尤其是遠端、有人駕駛高超聲速飛行器的推進動力，因此是目前最有希望獲得成功的組合動力（美國公開提出的全部高超聲速飛機發展專案或計劃均明確指出要採用碳氫燃料TBCC）

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常見的TBCC都是由燃氣渦輪發動機和亞/超燃衝壓發動機組成，依據兩種型別發動機的組合特點，可分為上下並聯型和共軸型。並聯型TBCC方案的特點在於兩類發動機空氣流道獨立，上下並排放置，缺點是迎風面積較大、重量較重，並且需與機身進行復雜整合等；但優點是結構簡單，共用部件較少，需要調節的部件少，高速下的熱防護難度較低，可利用現有成熟燃氣渦輪發動機作為渦輪加速器。

共軸型特點在於兩類發動機共用更多的部件，結構更為緊湊、重量更為輕巧、迎風面積更小。共軸型又可分環繞型和串聯型，環繞型佈局同樣存在發動機迎面面積較大和熱防護要求高等問題，因此現在研究較多的是共軸串聯型。現在有關TBCC最知名的產品是美國普惠公司於1956年為 SR-71“黑鳥”研發的J58串聯式組合發動機。

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Quarterhorse想象圖

在2021年8月有外媒報道稱，美國空軍向航空航天初創公司Hermeus提供了6000萬美元資金，用於資助其高超音速Quarterhorse飛機的飛行測試，該飛機將用於軍事和商業應用。當時的訊息指出，Quarterhorse就會使用基於GE J85商用渦輪噴氣發動機研發的TBCC，並將成為第一架擁有TBCC推進系統的同類飛機。

目前Hermeus公司還沒有提供Quarterhorse的很多技術細節，不過稱它將採用鈦合金結構來承受高超音速，還會採用高度流線型三角翼設計，能夠以5馬赫的速度飛行，航程為7400公里。根據該公司的計劃，2023年會進行小型飛機的5馬赫飛行測試，然後在2025年進行中型飛機的飛行，用於運輸時間緊迫的貨物和軍事偵察，最終在2029年進行高超音速商業客機的飛行。對此，美空軍研究實驗室指揮官希瑟·普林格爾少將表示，高超音速飛機和推進系統確實改變了“遊戲規則”。

按照此次諾里斯說法，波音的這款新型高超音速飛機是在其“女武神Ⅱ”（ValkyrieⅡ）高超音速偵察與打擊無人機概念的基礎上發展而來，“是一種精密的、更現實的5馬赫可重複使用的吸氣式設計，旨在執行軍事和太空發射任務”。在AIAA2018年度科技論壇和博覽會上，波音公司首次公佈了“女武神Ⅱ”高超音速偵察與打擊無人機的概念機，為的是同洛馬公司的SR-72展開競爭。