格瑞纳(【智库声音】高超声速美国推进研制更大的吸气式高超声速飞行器)

来源：空天防务观察 作者：孙玉凯

2021年1月，美国航空航天学会主办的《美国航宇》（Aerospace America）杂志发表题为“按比例放大”（Scaling up）的文章，概述了美国对更大型吸气式高超声速飞行器的认知和探索。

更大型吸气式高超声速飞行器如高超声速飞机，是简单把X-51A按比例放大就可以的吗？（美国航空航天学会图片）

美国已经测试了吸气式高超声速发动机，但其设计的高超声速飞行器未达到携带乘客、武器或情报设备所需的尺寸。创造一种可以像常规喷气式飞机一样的吸气式高超声速飞行器仍是需要完成的一项工作。

通过2009年X-51A高超声速演示验证飞行器的照片可以看到，该飞行器的进气道开口仅手掌大小，无论四架X-51A和美国航空航天局（NASA）的三架X-43A，都是小型可消耗的研究型高超声速演示验证飞行器，这种尺寸的飞行器难以搭载武器或情报设备。在实际应用时，需要设计可搭载常规武器和情报设备的更大的吸气式高超声速飞行器。而这将需要更大的进气道，燃烧过程中也需要更多的氧气提供更大的推力。实际上，根据任务的不同，这种吸气式高超声速发动机可能需要10倍于X-51A发动机的空气，追求这样性能的发动机成为美国军事研究人员的最高目标。

2009年，一架X-51A正在做飞行前准备，美空军的目标是在五年内试飞更大尺寸的“X-51A”（美空军图片）

与传统飞机一样，吸气式飞行器的收益更大，其地面维护保障也更简单。由于大气层提供了无尽的氧气，因此无需携带压缩氧化剂。但是设计更大规模的吸气式高超声速飞行器会带来许多燃烧和机械挑战，在中国、俄罗斯、美国和其他国家之间的国际竞赛中，要创造出吸气式高超声速导弹，飞机和太空运载火箭，这个问题还没有得到完全解决。

美空军研究实验室（AFRL）希望通过“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”（Mayhem）项目来解决面临的诸多技术挑战，该计划将打破高超声速研究的现状。如果这项计划得以实施，那么在五年内，将设计一个或者多个可消耗的、空射的高超声速演示验证飞行器，其飞行速度可超过5马赫，并且能够搭载AFRL指定的三种不同类型的有效载荷。AFRL不会在2021财年为该计划单独列资，而是要从财年计划的各个项目要素合并高超声速研究的资金。

空军研究实验室关于“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”计划的请求引起了30余家公司的关注，这些公司均在2020年9月下旬的截止日期之前做出了回应，其中包括航空喷气洛克达因公司（Aerojet Rocketdyne，洛马公司计划2021年以44亿美元收购该公司，该公司将因此从2021年3月10日开始停止作为独立企业运行；洛马公司计划在2021年下半年完成收购工作），洛马公司和诺格公司。空军研究实验室说，目前“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”计划仍在开发中。

燃料与空气的混合

与涡轮发动机将空气减速至亚声速进行燃烧相比，超燃冲压发动机在燃烧室中混合燃料和空气的时间只有毫秒级，因为空气会以超声速的方式流过。在X-43和X-51的小型超燃冲压发动机中，正确地混合燃油与空气非常棘手。然而，根据得克萨斯大学阿灵顿分校的高超声速飞行研究员卢卡·马达莱纳（Luca Maddalena）的观点，在大型超燃冲压发动机中正确混合燃油与空气“不是一个缩放问题”，不能像照片放大那样。因为超燃冲压发动机通过燃烧室壁上的燃料喷射器将燃料喷入燃烧室与空气混合，而超燃冲压发动机越大，则燃烧室的横截面就越大，如果横截面过大，则燃料无法喷射得足够深入，与燃烧室中心的空气充分混合。而没有在分子水平上的充分混合，燃烧就不能点燃和持续，即便可以持续燃烧，燃料也不能充分扩散、最大限度地提升推力。

X-51A。该试验飞行器的发动机能持续燃烧数分钟，也是美空军将此种超燃冲压发动机性能提升10倍的起点（美国波音公司、美空军图片，美国航空航天学会文章作者更改图片）

迄今为止的研究

虽然还有更多需要突破的技术难点，但是在“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”计划上，工程师将不会从零开始解决更大尺寸发动机的燃料-空气混合问题以及其他的挑战。上个月，航空喷气洛克达因公司报告称在测试中产生了超过58千牛的推力。该公司表示，这将足以推动10倍于X-51的飞行器。

诺格公司在2019年在田纳西州空军阿诺德工程开发综合体的“中等尺寸关键部件”（MSCC）计划下进行了测试，产生了超过58千牛的推力。该计划的潜在应用目标是尺度约9米的概念飞行器。

在田纳西州阿诺德工程开发中心的风洞中进行测试时，这款航空喷气洛克达因公司的发动机产生了超过58千牛的推力

相较之下，X-51A超燃冲压发动机的推力最大为4.4千牛。两款新设计的发动机长约5.5米，比X-43A的发动机长7倍，并且比整个X-51A长。空军研究实验室的埃德加多·圣地亚哥·马尔多纳多（Edgardo Santiago-Maldonado）说，在阿诺德完成的试验让“政府对我们能够设计任何尺寸的超燃冲压发动机都充满信心”，空军研究实验室的下一代高超声速计划包括超燃冲压试验。毫无疑问，“中等尺寸关键部件”计划的结果是令人兴奋的，并且为设计更大尺寸的高超声速发动机做出了非常重大的贡献。

替代架构

除了使用更大的发动机之外，也可以在高超声速飞行器中使用多个发动机。NASA超声速技术项目的查克·伦纳德（Chuck Leonard）表示，NASA的研究人员正在研究高超声速飞行器的概念，这些概念将由基于涡轮的联合循环发动机提供动力，在研究的过程中研究人员将充分测试这些尺寸较小的发动机。伦纳德认为，这有助于研究人员了解使用一个较大的发动机或多个发动机之间的权衡，“至少在地面上可以完全测试X-51尺寸的发动机，而不是使用美国仅有的几个能够测试大型超燃冲压发动机的试验场地”。

DARPA的贡献

作为“先进全状态发动机”（AFRE）计划的一部分，DARPA也一直在研究制造更大的超燃冲压发动机，该发动机能够为搭载有效载荷的高超声速飞行器提供推力。

洛马公司和航空喷气洛克达因公司作为分包商正在与DARPA合作进行该计划，目的是演示测试飞机级涡轮基组合循环（TBCC）发动机的各个组件。该计划负责人格瑞纳（Greiner）表示：“我们已经对进气口，涡轮和喷嘴进行了测试，并且在不久的将来我们将在双模冲压喷气发动机上进行测试。”

格瑞纳说，每个TBCC组件在增大尺寸方面都面临着自己的挑战，挑战难度随着尺寸的增加而增长。例如：进气道的几何形状需要在更大跨度的马赫数下快速、可靠地调整，在飞机加速或减速时正确地将气流引导至涡轮发动机，冲压喷气发动机和超燃冲压发动机。进气道表面还通过产生激波来控制流入不同发动机的气流速度，该激波可将气流减慢至涡轮和冲压喷气发动机的亚声速，或使其以超声速速度流入超燃冲压发动机。

格瑞纳说：“在飞机尺度上驱动进气道可变非常具有挑战性，这需要进行大量的工程设计。”

当前，美空军的“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”计划是否会使用航空喷气洛克达因公司和诺格公司的发动机，或者使用DARPA和NASA研发的技术仍未确定，但是迄今为止的研究使承包商都对设计出更大规模的高超声速发动机充满了信心。

领导诺格公司高级推进和控制系统业务战略团队的雷蒙德·托斯（Raymond Toth）就表示：“鉴于美国防部希望将这种尺寸的超燃冲压发动机投资并应用在飞行器中，我们认为我们的产品可以在未来五年内进入飞行阶段。”

（中国航空工业发展研究中心 孙玉凯）