8月6日,美國航空航天公司Hermeus宣布籤署了美國空軍創新計劃AFWERX的合同,為美空軍開發巡航速度達5馬赫的飛機,以「支持總統和行政空運機隊」。
這一速度大約比現已退役的協和式飛機快三倍,意味著紐約到倫敦7小時的旅行時間縮短到90分鐘。
高超聲速飛機能讓倫敦-紐約以及紐約-巴黎的旅行時間縮短到一個半小時(圖源:Hermeus公司官網)
高超聲速飛行器(Hypersonic Vehicle)
高超聲速飛行器是指飛行速度超過5倍聲速的飛機、飛彈、炮彈之類的有翼或無翼飛行器,具有突防成功率高的特點,有著巨大的軍事價值和潛在的經濟價值。
高超聲速飛機採用的超聲速衝壓發動機被普遍認為是繼螺旋槳和噴氣推進之後的
「第三次動力革命」。高超聲速飛機除了速度優勢外,還具有軌跡複雜的特點,令攔截更加困難。但高超聲速飛機研製過程中存在著技術門檻高,研製難度大、資金和人才短缺等諸多問題。要將在大氣層內飛行的速度提高到5倍聲速以上,衝壓發動機必須利用超聲速氣流燃燒燃料。雖然超聲速衝壓發動機進氣口形狀特殊,能減緩吸入氣流的速度,但無法將氣流的速度降低至亞聲速,因此帶來一個大難題:將衝壓發動機吸入的超聲速氣流並且在超聲速氣流中點燃燃料,其難度無異於「在龍捲風中點燃一根火柴」。目前衝壓發動機也就在一些飛彈技術上得以實現。美國的SR-71偵察機也只是使用兩臺普惠J-58-1變循環發動機,無法進行高超聲速飛行。
目前,人類對高超聲速高空飛行過程中複雜氣流場的分析與預測,以及大空域和寬馬赫數下的飛行控制還知之甚少。需要進行大量的高速風洞測試,計算機模擬,更需要進行實際飛行測試,技術難度和研發風險都非常大,這就需要模擬高超聲速的風洞實驗室和實體飛行器,兩者本身就是高門檻。
由於高超聲速飛機要進行5倍聲速以上的飛行,即使飛行高度在空氣稀薄的高空,氣動過熱現象仍然非常嚴重。因此,為了保證飛行過程中飛機的安全,需要使用耐高溫、耐氧化、結構強度高的先進航空材料,同時要精心設計飛機的氣動外形和殼體工藝。此外高超聲速飛機在高溫高壓條件下密封和連接技術、隔熱耐熱透波的一體化材料以及製造工藝,同樣是熱防護系統要面臨的巨大挑戰。
以Hermeus公司為例,該公司曾在2019年5月宣布成功完成種子輪融資,但未披露具體數額,推測可能金額並不多,主要用於高超聲速推進系統的研發和測試工作。僅2020年3月的試驗就已經花費了百萬美元量級的經費。最近密集披露試驗進展可能也是出於融資壓力。Hermeus創業團隊急需擴大研發團隊規模,並計劃今年內從當前的8人擴大到近30人。
此次Hermeus公布的高超聲速飛機研製計劃總預算達150億美元。這款高超聲速客機的載客量就在9至19人之間,其主要作用是運輸高級政客和重要人物。
據了解,Hermeus一直專注於高超聲速客機的研發。在與美國空軍籤訂合同之前,該公司已經在9個月內設計、製造並成功測試了一款支持5馬赫飛行的發動機樣機,並今年2月初的時候,進行了首次測試。目前裝載這一發動機的樣機交付日期尚未公布,但據報導,Hermeus正在「準備測試計劃,以減少與這些修改相關的技術風險,以支持美國空軍的要求。」
不難看出,美國著手研發高超聲速飛機的深遠目標是為美軍進一步研發高超聲速武器打下良好的基礎。在世界各國都大力研發高超聲速武器的背景下,美國顯然也不甘落後,想要保持著這方面的領先地位。今年5月,在美國國防部例行發布會上,美國防部負責採購和維護的副部長艾倫·羅德(Ellen M. Lord)表示,超聲速和反超聲速仍然是國防部優先級最高的技術改進項目之一。
我們要繼續加速開發海基、路基與空基的高超聲速武器研發,並發展防禦對手高超聲速武器的能力,以確保我們未來幾十年能夠繼續主宰戰場。
取和維持的目標和優先事項與國防戰略的三條努力線相一
目前美國海軍、陸軍、空軍和美國國防高級研究計劃局(DARPA)都在開展相關項目,大力推進高超聲速武器的研發。根據janes.com,目前美國已經部署了十大高超聲速武器研究計劃(截至2020年6月底):
研發組織:美國國防部高級研究計劃局(DARPA)
計劃時間:2020年完成飛行測試,2021年完成項目最重審核
04
AGM-183A空射快速反應武器(ARRW)
研發組織:美國空軍
計劃時間:2021年9月達到初始作戰能力(IOC)
05
未來高超聲速武器計劃
(Future Hypersonics Program)
計劃時間:2020年第三季度完成初步設計審核,2022財年第二季度到2023財年第一/第二季度進行第三階段飛行測試
近年來,高超聲速飛行器成為了各國競相研發的熱點,包括俄羅斯、法國、英國等國在內都推出了相關計劃。
俄羅斯米格飛機製造集團正在研製的遠程高速截擊機項目稱為米格-41,又稱「未來遠程截擊系統」(PAK DP)。根據俄羅斯的計劃,米格-41將會在米格-31的基礎上進行全新的升級,除了武器和航電系統,最大的亮點就在於米格-41的速度將提升到4馬赫,有可能還會達到5馬赫。
按照目前俄羅斯相關方面的規劃,該機不僅配有適用於北極地區的全新技術裝備,而且作戰半徑很大,可掛載大量武器彈藥,包括多功能遠程飛彈攔截系統(MPKR DP)以及反導雷射武器。同時,它還可以開發成為無人駕駛飛機。該機將於2028年作為米格-31的後繼機型開始服役。
據外媒2019年1月報導,法國國防部長弗洛朗絲•帕利發表聲明稱,法國決定發起一項高超聲速武器計劃,將在2021年底之前第一次試飛高超聲速飛機。帕利表示,法國研製的高超聲速飛機將能夠以超過6000公裡/小時的速度飛行。帕利強調,現在許多國家都配備了高超聲速武器,法國「不能再坐等了」。
美媒2019年9月報導稱,英國正推進研發高超聲速武器的計劃,計劃研製高超聲速戰機。英國正計劃將上世紀90年代歐洲戰鬥機公司生產的「颱風」戰鬥機上的噴氣發動機(2馬赫)改造成速度可達5馬赫或更快的高超聲速發動機。英國空軍副參謀長西蒙·羅謝爾說:「我們正與其他人合作,看看能否在4年內擁有5馬赫的能力。」
早在2016年,澳大利亞就公布了高超聲速概念機「對蹠點」研製計劃;2018年,美澳聯合開發了澳大利亞超燃衝壓發動機項目HIFiRE,並由昆士蘭大學的科學家和工程師設計和製造。
2019年6月,印度國防和發展組織(DRDO)自主研發的「高超聲速技術驗證機」(HSTDV)項目完成首次試射。此次試驗旨在驗證超燃衝壓發動機技術驗證機的短時自主飛行和導航、熱防護等關鍵技術,設計指標是實現6馬赫速度下的帶動力飛行速度,並在20秒內升至32.5千米高度。儘管印度官方未公布結果,但據印度多家媒體報導,此次試驗未達到預期的技術驗證目標。
可見全球各國都在爭取能成為「第三次動力革命」中的「先頭部隊」。然而正如上文所言,融資困難、人才短缺、技術風險尚未見底……這幾乎是許多高超聲速飛機研發團隊都會遇到的問題,在社會經濟深受疫情影響的今天,高超聲速飛機未來的研發成果究竟如何猶未可知,我們不妨持續關注,拭目以待。
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