NASA启动新型高超声速飞机的技术研究

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来源：海鹰资讯

作者：李文杰

据《aviationweek》网站2021年2月9日报道，NASA正将其长航时高超声速技术研究逐渐向潜在的商业应用转移，并将两个新合同分别授予了通用电气公司（GE）和Aerion超声速公司，旨在开展高速飞机设计和推进系统研究。两个项目研究都在NASA高超声速技术计划（HypersonicTechnology Project, HTP）框架下开展。

1、通用电气公司的研究任务

据NASA兰利研究中心（LaRC）发布的一份确认书披露，通用电气公司获得的合同总额不超过1300万美元，为期五年，针对名为“苍穹（Aether）”的高超声速飞机，研究重点是涡轮基组合循环（TBCC）发动机和耐高温陶瓷基复合材料。

1.1材料研究

材料研究将涉及由碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）和碳/碳化硅（C/ SiC）制成的耐高温、轻质陶瓷基复合材料。其中C/ SiC主要针对高超声速飞机结构，如舵面、前缘、机头和飞机外壳，SiC/ SiC材料则准备用于高速涡轮发动机。

通用电气公司拥有专有工艺，可以制造适用于高温/高压环境的航空航天部件。另外，通用电气公司还可使用熔渗（MI）和化学气相渗透（CVI）两种工艺来制造这些材料系统。MI工艺将液态硅渗透到多孔复合材料结构中，并将碳转化为碳化硅（SiC），所获得的SiC/SiC材料在高达2500°F（约合1370℃）的温度下表现出卓越的多用途能力。CVI工艺利用化学蒸汽在多孔复合材料结构中沉积SiC，所获得的C/SiC或SiC/SiC结构具有一定的多用途能力，最高温度可达3000°F（约合1650℃）。这些类型的陶瓷基复合材料具有良好耐高温性能，非常适用于高超声速飞行。

自20世纪90年代以来，通用电气公司一直致力于这些材料系统的开发，建成了一个完备的材料特性数据库。该数据库非常重要，因为如果没有该数据库，就必须在部件设计之前先研究材料特性。而建成这样的材料特性数据库需要耗费数百万美元以及至少3~5年的时间。鉴于通用电气公司的专有数据库可用于SiC/SiC和C/SiC结构设计，因此NASA兰利研究中心就无需提前开发这些材料数据库。

1.2推进系统研究

通用电器公司需要研究/分析F101涡扇发动机是否适用于苍穹飞机。

F101发动机最初是为B-1A轰炸机设计的，后来用于CFM56涡扇发动机的核心机，是该类型中唯一具有2.0涵道比的动力装置。NASA认为，F101可将苍穹高超声速飞机加速至TBCC的冲压部分接力的速度。F101相对较高的涵道比将使大多数流动在被节流时可以绕过核心机，以免核心机的压气机和涡轮的工作温度超过极限。

通用电气公司在F101方面的知识、经验和控制系统分析能力将用于评估Ma2+涡轮发动机在TBCC推进系统中运行的能力。

2、Aerion超声速公司的研究任务

Aerion公司的研究工作将聚焦于Ma3-5的亚高超声速飞机的推进和热管理技术。通过与NASA的合作研发，将评估推进系统和热管理技术的参数适用性。通过一项联合评估，还将探索Ma3+速度域的问题及其关键技术方案。

Aerion公司准备利用其自主研发的气动优化工具对未来高超声速飞机概念进行技术评估。

3、评述

3.1从TBCC分系统到高超声速飞机，NASA拓展研究领域

以往NASA在其高超声速项目（隶属于NASA航空计划下的基础航空项目）框架下开展的高超声速研究主要针对TBCC的分系统，如缩尺进气道模态转换（IMX）、大尺寸进气道模态转换（LIMX）以及高速涡轮涡扇研究等，新合同的签订反映了NASA关注重心已悄然发展改变，不再局限于传统的美国国防基础研究。事实上，NASA在进军民用高速飞行领域之前，曾进行了“一年的详尽调研”，对“高超声速关键问题是什么”、“有市场吗”、“有哪些支持技术”、对飞行器有什么样的性能要求”等问题进行了系统的调研，之后才做出决策。

2014年12月NASA曾授予洛马公司一份价值近90万美元的合同，开展SR-72高超声速飞机的TBCC推进系统采用现货涡轮的可行性研究。当时NASA格林研究中心的高超声速推进专业的高级工程师巴托罗特曾表示，如果SR-72的TBCC可行性研究取得成功，NASA将启动相关验证项目，以解决发动机和热管理系统等问题。时隔近六年，NASA果然启动了高超声速飞机研究工作，且新签合同的研究重点与巴托罗特当时提及的研究方向也非常吻合，因此，可以认为新研究项目是NASA前期研究工作的结晶与延续，将大量基于前期的研究成果。

3.2政府直接主导高超声速飞机项目，美国在高超声速飞机领域不断发力

美国高超声速技术在全球到达和进入太空等需求的牵引下，历经七十多年的探索与研究。直到2001年，美国发布“国家航空航天倡议”，提出高超声速飞机的发展构想，才将其纳入美国高超声速技术的整体发展规划。

美国21世纪第一个高超声速飞机项目名为“黑雨燕”，由国防高级研究计划局（DARPA）主导，其目标是基于高速涡轮（速度上限为马赫数3.5）一步到位发展TBCC发动机，实现马赫数6的飞行。之后，美国政府层面开展的研究基本都聚焦于高超声速飞机动力技术的探索研究，面向TBCC所需高速涡轮的研究有：DARPA的“高速涡轮发动机验证”（HiSTED）、空军研究实验室的远程超声速涡轮发动机（STELR）项目；面向TBCC所需冲压发动机的研究有：空军研究实验室的中等尺寸超燃冲压发动机关键部件（MSCC）和中等尺寸超燃冲压发动机验证（MSSD）项目；面向TBCC组合技术的研究有：DARPA的“猎鹰组合循环发动机技术”（FaCET）、模态转换（MoTr）、先进全速域发动机（AFRE）项目等。可以说美国政府层面前期对高超声速飞机的探索即是对高超声速飞机动力技术的探索。而美国高超声速飞机概念的提出与研究多是企业机构的行为，如波音公司提出的军用和民用高超声速飞机概念，再比如洛马公司提出的SR-72，尽管SR-72得到了NASA等政府机构的部分资金，但整体来看还是企业的主导行为。NASA新授出的高超声速飞机研究项目让我们看到，自黑雨燕项目之后，政府再次走到高超声速飞机概念研究的台前，或可预示着美国高超声速飞机动力技术的储备可支撑飞行器的先期研究。2019年和2020年MSCC项目的两家承研单位分别进行了发动机地面直连试验，均达到5.8吨推力。空军研究实验室项目经理称，MSCC的实施为高超声速飞机的推进系统设计奠定了基础。

3.3列入美国高超声速现代化战略，高超声速飞机发展势头渐强

2021年2月，美国防部研究与工程副部长办公室高超声速武器项目主管迈克·怀特在美空军协会在线空战研讨会上表示，国防部已经制定一项高超声速现代化战略，以加速发展和交付转型作战能力。这一战略除了包括高超声速打击武器及其防御外，还指出利用高超声速飞机进行情报、监视、侦察和打击，并将其用作空间进入飞行器的第一级。

迈克·怀特表示，高超声速飞机计划在2030年代初期到中期交付能力。

2014年11月，美国空军研究实验室提出分两步发展验证机的思路，先发展短寿命验证机，确保在2030年代实现有限重复使用的战术打击/情报监视侦察用高超声速飞机的技术成熟度达到6级以上；后发展水平起降型长寿命验证机，在2040年代实现重复使用/持久型高超声速飞机的技术成熟度达到6级以上。2016年，美国空军进一步细化发展节点安排，提出2025年前将高超声速ISR/作战平台涉及的各项技术提升到技术成熟度6级，2035年前完成可快速周转、不经翻修即可完全重复使用的验证机试飞。

怀特此次给出的时间表与美国空军2016年发展规划更加贴合，综上可见美国对高超声速飞机的发展态度是坚定的（已经列入发展战略中），发展目标是明确的（有具体的时间节点），技术路径是清晰的（Aether高超声速飞机将基于F101发展TBCC技术这一事实，再次印证了美国先基于现货涡轮TBCC再基于高速涡轮TBCC发展高超声速飞机的技术路径）。在加快高超声速打击武器研发部署的同时，美国大力布局发展高超声速飞机的态势越来越明显。

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