美空军研究实验室Mayhem吸气式高超声速验证飞行器项目研判

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2020年8月12日，美空军研究实验室公开发布了“一次性使用的吸气式高超声速多任务演示验证飞行器”（Mayhem）项目信息征询书，围绕技术可行性、潜在问题与风险等，调研摸底工业部门的现状并征集意见建议，为后续正式启动该科研项目做好准备。美军官方未明确披露该项目的应用背景与方向，并且项目名称还出现了“一次性使用”和“多任务”这两个看上去明显冲突的要求，对外界判断其背景与目的产生了较大困扰。尽管无法给出确切判断，但根据有限信息仍可推测，Mayhem项目的定位可能是一型技术验证飞行器和飞行试验平台，其主要目的是飞行验证某型尺寸更大、速域更宽、鲁棒性更好的超燃冲压发动机技术，同时在试验能力上具备较好的可扩展性，可作为一型大尺寸长航时的高超声速飞行试验平台。

美空军研究实验室（AFRL）发布的Mayhem项目信息征询书（RFI）文件提到，AFRL正在筹划一型尺寸更大的一次性使用、吸气式高超声速多任务演示验证飞行器的研究、设计、制造和集成等科研工作。相比现有的高超声速飞行器，该验证飞行器要求能够携带更大载荷飞行更远的距离。飞行器的载荷舱要求采用模块化设计，并能够携带或投送至少三种不同的载荷，以执行政府指定的多种任务。AFRL准备向两个承研团队授予科研合同，每个团队由一家飞行器研制单位和推进系统研制单位组成，分别承担：1）飞行器设计与超燃冲压发动机集成和2）更大尺寸推进（系统）研发及其飞行样机的地面试验。RFI文件提到，AFRL此前已经开展的多个项目均可为Mayhem项目提供技术支撑，包括“操作性增强的超燃冲压发动机技术”（EOST）项目、“高速作战系统支撑技术”（ETHOS）项目、“高速打击武器”（HSSW）项目和“高超声速吸气式武器概念”（HAWC）项目等。AFRL计划利用5年左右时间实现首次飞行试验。RFI文件还要求工业界回应若干问题，如“为简化未来载荷集成工作，将载荷接口界面标准化以适应多任务需求，这中间会隐含哪些问题与风险？”等。

此外，AFRL在回复美国著名航空专业媒体《航空周刊》的采访邮件中明确提到，Mayhem项目对应的是美空军预算申请文件中提出的“多循环发动机”（Multi-cycle engine）研究内容。AFRL在邮件中指出，Mayhem项目在早期论证规划阶段的名称就是“多任务巡航飞行器”（Multi-Mission Cruiser），因为其重点是实现与任务载荷无关的高超声速持续（巡航）飞行能力。而这个“多任务巡航飞行器”就采用了“多循环”推进系统。AFRL在邮件中还提到，美军在研的HAWC项目采用的是单循环超燃冲压发动机，而相比之下，Mayhem飞行器“则聚焦于验证更加先进的超燃冲压发动机技术。”

美空军2021财年预算文件在“下一代平台研发与验证计划”（编号：PE 0603033F）／“先进航空航天项目”（编号：635098）／“超燃冲压发动机技术”专题中安排了“多循环发动机”（Multi-cycle engine）研究条目。文件提到，多循环发动机可为飞机和导弹提供推进系统，使其飞行速度达到Ma7。仅从图中上下文来看，“多循环”可能对应的是某种组合发动机，如TBCC发动机（美空军2021财年预算文件截图）

根据AFRL官方披露的信息不难判断，Mayhem飞行器的核心关键在于某种尺寸更大、更复杂先进的液体碳氢燃料超燃冲压发动机。通过梳理美军近年在液体碳氢燃料超燃冲压发动机技术上的科研项目，可以看出：

（1）对于小尺寸窄速域（即空气流量4.5千克每秒量级、工作速度范围在马赫数4.8～5.1左右）超燃冲压发动机，即前文所说的“单循环”超燃冲压发动机，已经开始进入到面向导弹型号的原型机设计阶段，即“未来高超声速武器”（FHW）项目；

（2）对于中等尺寸（即空气流量45千克每秒量级）或宽速域（即工作速度范围可达马赫数3.5～7）的超燃冲压发动机，目前还处于部件级地面试验阶段，2019年8月完成了直连式地面试验，推力达到了5.9吨。

因此可以合理推测，Mayhem项目的一个核心目标可能是：在当前基础上，进一步完成中等尺寸宽速域超燃冲压发动机的飞行验证。 

美国《航空周刊》在得到AFRL的邮件反馈后认为，Mayhem项目的定位很显然是“多循环”推进系统的飞行试验平台，而“多循环”有两种可能，即双模态超燃冲压发动机或者涡轮基冲压组合发动机（TBCC）。美国《空军杂志》认为Mayhem系统可能是一型尺寸更大些的高超声速巡航导弹技术验证飞行器。本文的分析更倾向于《航空周刊》，且很可能验证的是（中等尺寸宽速域）多模态超燃冲压发动机技术。

Mayhem项目RFI文件明确提到了“相比现有的高超声速飞行器，该验证飞行器要求能够携带更大载荷飞行更远的距离。”美国《空军杂志》报道认为，Mayhem的比较对象是美空军正在研制的AGM-183A高超声速滑翔导弹型号。本文认为这一判断缺乏说服力，因为AGM-183A既不是吸气式巡航导弹，也不是美军在研的尺寸最大的导弹。本文认为Mayhem飞行器的比对对象最有可能是美空军和DARPA联合主管的X-51A超燃冲压发动机技术验证飞行器，并且“尺寸更大”的核心还是超燃冲压发动机的捕获面积尺寸更大。前文推测认为，很可能是空气流量比X-51A大十倍左右的中等尺寸超燃冲压发动机。飞行距离更远则要求Mayhem飞行器要在气动布局特性（巡航升阻比更高）、燃烧效率（超燃冲压发动机比冲更高）以及结构和子系统设计（结构系数更低）上比X-51A有显著的优化提升。

多循环发动机通常可理解成组合发动机，如TBCC、RBCC等。美空军预算文件中提到的“多循环”发动机仅从预算文件的上下文看，也更偏向于理解成文中提到的TBCC或RBCC组合发动机。但考虑到Mayhem飞行器是一次性使用的技术验证飞行器，则采用TBCC或RBCC组合发动机的可能性极小，原因包括：1）成本过高，且由于超燃冲压发动机的尺寸较大，相匹配的涡轮发动机需为三代机发动机大小，很难想象这类发动机仅使用一次，且仅仅是为了做技术验证。2）缺乏应用前景，即使美军不计成本坚持采用组合发动机进行一次性的飞行试验，那其技术应用前景也应该是可重复使用的高超声速飞机或运载器，而这两者恰恰又必须要求可重复使用。剩下的最后一种可能性——Mayhem飞行器是采用TBCC或RBCC等组合动力的高超声速导弹技术验证飞行器，与美军已立项在研的诸多高超导弹项目对比，在效费比、方案优化、任务定位等多个方面都存在大量不合理因素，基本可以排除。因此，Mayhem飞行器采用的多循环动力很可能是包含多种燃烧模态的超燃冲压发动机，即纯亚燃模态、亚燃超燃双模态和纯超燃模态，以实现更宽的工作速域，如美空军预算文件中反复提到的马赫数3.5～7。

多任务通常会理解成侦察、预警、打击、运输等多项作战任务。Mayhem项目RFI文件明确提到，“（Mayhem）飞行器的载荷舱要求采用模块化设计，并能够携带或投送至少三种不同的载荷，以执行政府指定的多种任务。”多数媒体对此都解读为该飞行器要同时携带三种以上不同的任务载荷，且有媒体甚至认为就是要求同时具备执行侦察、打击等多个作战任务的能力。本文认为：1）“三种”更倾向于理解为“可兼容三种以上不同的任务载荷”，即载荷舱接口界面采用模块化设计，可根据任务需要更换不同的载荷。当然，仅从RFI文件来看，也不能排除是要求“同时携带三种不同载荷”。2）“多任务”很可能是多种试验任务，而不是作战任务。Mayhem项目由美空军研究实验室主管，并明确定位是技术验证项目，而不是型号项目，并不要求形成作战能力。因此很可能是指试验任务，三种不同载荷可能是不同的试验载荷，如数据收集传输设备、雷达/光电等传感器样机等，其中也可能包含未来将投入作战使用的新型传感器技术样机等。3）具体任务载荷极可能还不确定。从RFI文件以及美空军研究实验室回复《航空周刊》的表述来看，所谓“政府指定的多任务”载荷可能现在还不确定是什么。而RFI可能只是要求Mayhem飞行器具备兼容不同（试验）载荷的能力。

综上认为，Mayhem项目是美空军研究实验室为了加速推进中等尺寸宽速域超燃冲压发动机技术成熟而准备启动的一个技术验证项目，同时美空军研究实验室可能也对Mayhem飞行器在试验验证能力上的可扩展性提出了更高要求。因此，Mayhem飞行器很可能本质上是一型一次性使用的、采用中等尺寸宽速域超燃冲压发动机的高超声速飞行试验平台，除了飞行验证先进超燃冲压发动机技术之外，未来还将承担对更多先进技术进行高超声速飞行试验验证的使命任务。该项目成果未来可应用于执行侦察或打击等任务的高超声速飞机、射程及战斗部更大的高超声速巡航导弹等。