作者： 廖孟豪 來源：空天防務觀察
英國科技創新企業——HyperMach宇航公司在2011年巴黎航展上首次公布了速度馬赫數3.6、可載20人、以全新油電混合動力技術為標誌的 「超聲速星」超聲速公務機概念方案及研製計劃，目標為2021年實現飛機首飛。此後的五年時間內，方案一改再改，相關指標也隨之一再提高。2017年年初，美國《航空周刊》等知名航空媒體的多次報導表明，HyperMach公司的最新方案已經將速度指標提升到了馬赫數5，正式跨入了高超聲速領域。新方案重新命名為「超級星」，總體沿用了公司創新提出的油電混合動力技術和等離子體主動流動控制技術等一系列先進技術，在各國紛紛關注衝壓組合、預冷渦輪、乘波布局等主流路線時，為世界高超聲速飛機發展開闢了一條全新的技術路線。
一、總體方案
「超級星」飛機全長約260英尺（約80米），可載36人，航程7000海裡（約1,2800千米）；全機呈細長型總體布局，採用大後掠角雙三角翼機翼和後掠鴨翼的氣動布局，兩臺巨大的發動機位於後機身背部兩片V型垂尾中間位置，垂尾同時起到了屏蔽發動機噪聲的功能。
「超級星」高超聲速飛機概念圖（HyperMach公司網站圖片）
動力系統為H-Magjet 5500-X型發動機，是一種採用超導發電機／電動機和航空渦輪發動機原理的全新油電混合推進系統，可產生76000磅（約34.5噸）推力和65兆瓦的電功率。其中，實際維持飛行只需要50～55兆瓦電功率，還有7～10兆瓦剩餘用於其它機載系統，如驅動等離子發生裝備來減小機身阻力和聲爆強度。發動機可以使用生物燃料，也可以使用JP-7等常規軍用航空燃油。
公司執行長（CEO）透露，該機具備軍民兩用潛力，並且已經得到了美空軍的關注和資助。
二、技術創新點
1. 吸氣式油電混合動力推進技術
動力系統採用了被HyperMach公司稱為「非布雷頓電力循環」的全新動力循環原理；包含有三大核心部件：動力渦輪環形超導發電機、環形超導電動機、對轉涵道風扇。基本工作原理為：渦輪燃燒室產生的高溫燃氣通過葉片驅動超導體葉盤旋轉，進一步驅動環形超導發電機產生電力，電力通過中心管路傳輸用於驅動電動壓氣機和對轉風扇。兩級對轉風扇相互之間沒有硬連接，也與壓氣機完全獨立，能夠以更優化的速度運轉。HyperMach公司宣稱這種有效分離的設計使得發電機效率提高了70%。
此外，該渦輪發動機沒有中心軸，而是留出一個空心管道，可用於流通空氣從而進一步用於調節涵道比，以適應不同馬赫數條件下的最佳循環要求。該發動機採用的另一項創新就是採用了等離子體燃燒室設計，可實現電氣化控制燃燒火焰，提升燃燒效率和推力性能。
核心機部分的等離子體（注入）燃燒室和空心管道（HyperMach公司網站圖片）
2. 等離子體主動流動控制技術
飛機機鼻前方和機尾後方均安裝有尺寸較大的細長尖錐型裝置，該裝置可電動控制伸縮，主要用於來管理高馬赫數飛行時產生的激波形狀和位置，可以有效稀釋和削弱激波壓力、改變激波結構，從而獲得更好的氣動效率；同時該裝置可利用機載大功率電源來加熱和電離來流空氣，產生等離子體，通過等離子體加熱來改變局部流場和當地馬赫數，進一步降低激波強度，從而達到氣動減阻和降低聲爆的目的。
馬赫數3條件下有無等離子體注入引起的流場分布變化（HyperMach公司網站圖片）
除了機鼻和機尾外，飛機機翼前緣、垂尾前緣、進氣道唇口前方等主要迎風部位都安裝有此類裝置。所有這些裝置通過統一控制，可達到全機氣動減阻和降低聲爆的最優效果。
三、計劃及進展
HyperMach公司目前已經開始製造渦輪核心機的首個葉片級試驗件，預計2017年年初將完成製造，2017年第一季度後期開始啟動測試工作。預計2018年下半年將完成全部五個葉片級的製造，同時啟動整個核心機的測試工作。首臺全尺寸發動機預計將在2019年開始整機測試。
在研製實用型飛機之前，公司將首先研製一型縮比驗證機來驗證電磁減阻等關鍵技術。縮比驗證機約為全尺寸飛機的44%，採用無人駕駛，目前正在逐步凍結設計方案，計劃在2019年實現首飛。為此，公司將在2017年第二季度敲定機身製造商合作夥伴，並完成合作談判。
全尺寸「超級星」高超聲速公務機預計將在2025年完成首飛。
「超級星」高超聲速飛機概念圖（HyperMach公司網站圖片）
四、前景與挑戰
相比採用吸氣式衝壓組合動力和常規及乘波混合布局的主流技術路線，HyperMach公司基於油電混合動力和等離子體主動流動控制的新概念方案可以算是一種「腦洞大開」的非主流創新方案。為了追求創新，「超級星」方案中大膽採用了很多成熟度很低的全新技術，其面臨的技術挑戰包括但不限於：在發動機高溫環境下實現超導體發電／電動、對轉涵道風扇要適應從零速到馬赫數5的極寬工作範圍、數十兆瓦級電功率的供配電管理、兼容極端高低溫部件需求的全機綜合熱管理，等等。這些技術本身成熟度低，即使逐步成熟，也將面臨巨大的工程實踐問題。
然而，風險往往是顛覆者的武器。HyperMach公司的創業思路很容易讓人想起英國反作用發動機公司（REL）的「雲霄塔」水平起降單級入軌飛行器及其「佩刀」發動機概念。對比發現：
（1）REL公司：成立於1989年，創始人為幾個原「霍託爾」（HOTOL）空天飛機技術骨幹，具有深厚的技術積累；2012年完成其核心技術——預冷卻器的地面驗證；獲得了歐洲航天局、英國航天局、美空軍研究實驗室等權威機構的技術認可和資金支持，至今累計籌集了2.1億美元投資。
（2）HyperMach公司：成立於2008年，創始人具有高超聲速技術背景，但上一個履職經歷為某諮詢公司；研究進展目前主要集中在設計、仿真計算等紙面研究水平；所涉及的大功率超導發電技術已經獲得了美空軍研究實驗室關注和資助，但數額不明；公司最初計劃進行六輪融資，2013年時已經完成了四輪，並計劃在2014年底完成第五輪，但數額及後續進展未見報導。
雖然比REL起步晚、技術底子薄，也缺乏裡程碑式成果，但毫無疑問，HyperMach公司正在沿著REL公司的創業路徑在前進，以顛覆性的創新概念作為旗幟，一邊推進技術攻關，一邊籌措資金支持，一邊還要獲取權威機構的認證。根據公司計劃，2017年將完成首個渦輪葉片級的試製和測試等重要進展。這也是公司成立以來的首個重大裡程碑成果，其成敗將極大影響公司及其「超級星」項目的發展前景。HyperMach公司能不能在2017年啃下首個硬骨頭，將是其方案甚至公司能否繼續前行的關鍵要素。
廖孟豪先生此前已為《空天防務觀察》撰寫14篇專欄文章，如下表：
序號
篇名
發表日期
1
美國空軍高超聲速飛機發展進展與展望
2015年3月2日
2
美軍未來高超聲速飛彈武器體系初露端倪
3月16日
3
美國空軍SBIR/STTR計劃透露未來高超聲速飛機若干戰技指標
6月29日
4
美國防高級研究計劃局準備開展高超飛機全尺寸渦輪基組合發動機地面集成驗證
2016年4月20日
5
「排空馭氣奔如電，升天入地求之遍」——深度解讀DARPA高超聲速飛機及其動力發展構想
8月16日
6
印度是不是第四個完成超燃衝壓發動機帶飛點火試驗的國家？
9月19日
7
美國防高級研究計劃局選定洛馬公司研製戰術級高超聲速助推滑翔彈演示驗證彈
9月21日
8
英反作用發動機公司詳細披露「佩刀」空天發動機1/4縮比驗證機研製計劃
9月23日
9
洛馬再下一城——美國防高級研究計劃局選定洛馬公司研製戰術級高超聲速巡航飛彈演示驗證彈
9月25日
10
美空軍正式公布基於「佩刀」空天發動機的水平起降兩級入軌飛行器概念方案
9月27日
11
「三步走」變「六步走」——美國空軍高超聲速飛機發展路線預測
12月2日
12
洛馬還沒笑到最後，波音已經痛失好局——美軍高超聲速巡航飛彈最新動向
12月5日
13
2016年度國外高超聲速飛行器發展動向綜述
2017年2月17日
14
美國家科學院：美軍應加速對等發展高超聲速武器以應對中、俄威脅
2月20日
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（中國航空工業發展研究中心 廖孟豪）