美Hermeus公司高超声速飞机研发进展、前景及挑战

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2020年3月，美国初创公司Hermeus完成了高超声速飞机涡轮基冲压组合发动机（TBCC）缩比验证机静态和高速（达到了马赫数5）试验，并计划在近期完成模态转换试验。公司目前把推进系统作为其高超声速飞机事业的率先突破口，在不到一年的时间内取得了系列进展，但后续资金、人才和技术攻关才是真正考验研发团队的系列难题。

美国初创企业——Hermeus公司在2019年5月公开披露了马赫数5级高超声速民用飞机研发项目，计划充分利用现有和短期内可实现的技术，研制一型最大巡航速度马赫数5、载客20人左右、航程4000海里（约合7400千米）的高超声速民用飞机，初步目标是在2020年代末投入商业运营。

Hermeus公司目前披露的飞机概念图显示，该机采用了大后掠三角翼无平尾加双垂尾布局，其中三角翼在翼尖部分采用了类似XB-70（波音公司在上世纪70年代研发的马赫数3级高速轰炸机验证机）的可弯折变体翼尖设计，这种翼尖在起降和低速段呈平直开展或小角度弯折状态，在高马赫数状态下会大角度向下弯折，以强化乘波效应，显著增加升力，同时也起到了垂直安定面的作用增加高速飞行条件下的航向稳定性。 

推进系统布置在机腹，利用前机身压缩效应，配合机腹进气方式进行来流空气增压。采用由涡轮发动机与亚燃冲压发动机组合而成的涡轮基冲压组合（TBCC）发动机，其中涡轮发动机将采用现货产品进行改进，前端加有一套预冷装置，涡轮和冲压采用共用的进气道和尾喷口。从侧视图上可以看到明显的类似X-51A的二元进气道和尾喷管设计。该发动机采用常规的航空燃油。 

Hermeus提出的方案构想除了变体机翼这一点外，总体上与洛马和波音提出的高超声速飞机方案基本趋同。况且，变体机翼方案已经在XB-70高速轰炸机验证机上得到了验证，也不是什么新技术。虽然Hermeus公司也强调，这只是当前的概念方案，随着设计和研究的深入还会不断进行迭代修改，但已经明显反映出Hermeus“只做工程师的事，不做科学家的事”的总体方针。 

Hermeus公司认为，将速度限制在马赫数5是该项目在短期内具备可实现性的关键。一方面是选材上的考虑。现有材料将可以支撑马赫数5的飞行速度，一旦超过马赫数5，燃烧室内的驻点温度、前缘部件的温度等将过高。以实际飞行过的X-15试验机为例，X-15在马赫数5的真实飞行环境下，在机鼻和翼根处记录到的温度分别是600℃和718℃。而根据预测分析，一旦飞行速度达到马赫数8，这两处部位的平衡温度将分别飙升至2200℃和1700℃。这已经超过高温合金的极限，必须要采用陶瓷基复合材料。这类材料已经超出了现在能够熟练应用的技术范畴。另一方面是动力上的考虑。实现马赫数5的飞行，很关键的一点在于不需要采用超燃冲压发动机。Hermeus公司认为，超燃冲压发动机虽然已开展过大量的研究，但要达到（在飞机上）实用还得需要20年左右的时间，且必须依靠国家级的投入才行，而亚燃冲压发动机要在飞机上实用则完全可以通过商业资本来实现。且亚燃冲压发动机在马赫数5的条件下仍然具有较高的比冲。目前该TBCC方案涉及关键技术点在于实现涡轮与冲压模态的转换。

Hermeus公司披露，本轮试验分别在亚特兰大试验台和普渡大学完成了TBCC发动机缩比验证机的海平面静态试验和高速试验。利用该缩比验证机，目前已经完成了组合动力中各动力单元单独运行的试验，接下来就是完成模态转换这个关键技术的验证。

（1）关于试验用的TBCC发动机缩比验证机：包含一台现货涡轮发动机、一套实验室状态的预冷却器和亚燃冲压发动机，以及共用的进气道和尾喷管。其中涡轮发动机的工作区间是0到马赫数3.3，亚燃冲压发动机是马赫数2.8到5。Hermeus公司在2020年年初公开发布了数张没有说明注释的试验现场图片。试验样机采用了二元喷口设计，带有控制尾喷口收扩的装置，尾喷口前端的疑似冲压发动机或涡轮加力燃烧室部分呈圆截面构型，进气道、预冷装置和涡轮发动机被故意隐藏。试验台处于开放式环境中，应该是在做海平面静态试车。结合Hermeus披露的相关信息，该试验样机应该就是TBCC缩比验证机。由此可进一步从图片上推测，该TBCC缩比验证机很可能采用了串联式布局。波音公司在2018年提出的马赫数5级高超声速民用飞机方案中明确强调采用的是串联式TBCC发动机，并且同样也严格限制飞机的速度不超过马赫数5。 

（2）关于TBCC缩比验证机的尺寸：Hermeus目前还不能披露预冷装置和涡轮发动机的具体信息，但透露“该发动机在尺度上比JetCat微型涡轮发动机（推力大约在十公斤量级）要大，比威廉国际的发动机（美国威廉国际公司的典型产品——FJ44系列小型涡扇发动机推力约在1000-2000公斤之间，直径约0.5米）要小。”根据Hermeus发布的现场图片（下图）大致推测，该缩比验证机直径约0.2米，推力可能在百公斤量级。该尺寸总体上与X-51A（其超燃冲压发动机流道宽度约0.22米）的尺寸相当。

（3）关于试验台和试验样机的研制进度和经费：从去年五月公布高超声速飞机研制计划，研发团队用六个月的时间从零开始利用集装箱改装搭建了一个简易的试验台，并利用这个试验台进行了100多次试验。用9个月时间完成了TBCC缩比验证机的集成和高低速试验。Hermeus公司透露，整个科研费用比DARPA“先进全状态发动机”（AFRE）项目低两个数量级。根据最新预算材料，AFRE项目总投入达到了约1.4亿美元，将在2021年完成一型马赫数5级高超声速飞机用全尺寸TBCC发动机地面集成验证。AFRE项目设计的TBCC发动机采用了罗罗公司F405发动机作为设计基准，该发动机地面推力约3吨，直径约0.6米。这也再次印证，发动机尺寸放大会导致科研经费呈数量级上的剧增。同时也表明，Hermeus研发团队目前取得的成就离最终成功还有非常大的距离。

此外，Hermeus公司还披露目前已在普渡大学的实验室开展了一系列进气道直连式试验，并认为进气道是推进系统甚至是飞机上最难的部件之一，今年下半年还将利用多个试验设施深入开展更多进气道试验。

Hermeus公司于2018年成立，创始人团队集体来自美国时代轨道发射服务公司（Generation Orbit）正在承研的美空军X-60A高超声速飞行试验平台研发团队，其中一人曾任CEO，三人任职技术主管，具有扎实的高超声速飞行器研制经验、技术和基础。最关键的是，Hermeus提出的高超声速民用飞机方案明确采用普通的航空燃油，而不是其他欧日等企业提出的氢燃料。这就在事实上扫除了该飞机可改型为军用的最大障碍，完全具备军事应用的潜力。加上创始人团队与美空军的合作经历，该项目后期很有希望得到美国军方的支持。因此，方案可行性高、团队基础较扎实、有军用前景、有军方合作经验，该公司发展前景不可小觑。

Hermeus公司曾在2019年5月宣布成功完成种子轮融资，但未披露具体数额，推测可能金额并不多，主要用于高超声速推进系统的研发和测试工作。本轮试验已经花费了百万美元量级的经费。最近密集披露试验进展可能也是出于融资压力。如果进展顺利，在近期完成TBCC模态转换试验后，将着手启动飞机整机的设计研发工作。因此，创业团队急需扩大研发团队规模，并计划今年内从当前的8人扩大到近30人。此外，团队虽然在短时间内取得了较大进展，尽管团队对材料有信心，但高超声速飞机涉及的宽速域气动布局、进排气、组合动力模态转换、综合热管理以及飞发耦合等核心关键技术目前对于Hermeus团队来说仍处于空白状态。而即使这些关键技术都在地面上通过缩比试验完成了验证，距离真正形成飞机产品还有非常巨大的鸿沟，其中涉及的飞机设计体系、大型试验设施、生产制造能力等一系列工程难题都很难想象是一个初创公司能解决的。

因此，Hermeus公司提出的“8-10年时间内完成首次商业飞行”几乎是一个不可能完成的任务。当然或许这并不重要，公司真正的意图或者最好的出路，也许是在利用商业资本取得一定技术突破后，被洛马、波音或诺格这样的巨头收购，那应该也算是成功了。