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美空军授出基于TBCC动力的高超声速飞机验证机研制合同

2021-08-17 14:22:30 中国航空报 廖孟豪

赫米尔斯高超声速飞机概念方案想象图。

波音公司在2018年6月AIAA航空学术会议上公布的马赫数5级高超声速民用飞机概念方案构想图。

赫米尔斯在官方网站上发布的高超声速总统专机概念图。

赫米尔斯在官方推特上发布的试验现场照片。

赫米尔斯披露的小型TBCC发动机地面试验状态点数据。

7月30日,美空军联合私营投资公司授予美国赫米尔斯(Hermeus)公司一份总额6000万美元、为期三年的科研合同,要求完成一型涡轮基冲压组合发动机(TBCC)的飞行验证和3架“夸特马”(Quarterhorse)高超声速飞行验证机的研制试飞等工作。这是美空军近十余年以来首个高超声速飞机验证机研制项目,也是美国工业部门正式获得军方投资开展的高超声速飞机验证机研制项目。凭借该项目,赫米尔斯公司打破波音和洛马垄断,以国家队新锐身份,正式进入了美国高超声速飞机发展的主流赛道。

背景:赫米尔斯是一家初始定位于研制高超声速民用飞机的初创公司

赫米尔斯公司于2018年成立,4名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,与美空军具有良好的合作关系。

(一)赫米尔斯创建目标是研制20座级马赫数5级高超声速民用飞机

2019年5月,赫米尔斯公开披露了马赫数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,研制一型最大速度马赫数5、载客20人左右、航程约7400千米的高超声速民用飞机,初步目标是在本世纪20年代末投入商业运营。

(二)技术路线上突出采用成熟技术

赫米尔斯确定的总体方针是“只做工程师的事,不做科学家的事”,尽量采用成熟技术,快速形成产品。首先,最大速度确定为马赫数5,确保可以沿用高温合金等成熟材料体系;其次,采用TBCC动力,其中涡轮部分为现货涡轮发动机改进,通过射流预冷技术将涡轮发动机工作包线扩展到Ma3.3;冲压部分为相对成熟的亚燃冲压发动机,工作范围为Ma2.8~5。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也是涡轮发动机与亚燃冲压发动机组合的TBCC动力,并且同样也严格限制飞机的速度不超过马赫数5。

(三)率先从TBCC动力入手快速取得了一系列进展

在2019年5月公布高超声速飞机研制计划后,赫米尔斯快速在2019年底搭建了一套简易的试验台,完成了100多次试验;在2020年3月完成了一型基于TJ-100涡轮发动机(推力130千克、直径0.27米)的小型TBCC发动机集成、静态试验和高速(达到了Ma5)试验,完成了各动力单元单独运行试验。尽管赫米尔斯未披露该TBCC是串联还是并联,但从试验台架上发动机的现场照片可以看出,很可能采用的是串联式TBCC方案。波音公司在Ma5级高超声速民机上的动力方案也是串联式TBCC。

由于在TBCC动力技术攻关上的高效表现,赫米尔斯在2020年8月获得了美空军创新工场(AFWERX)授予的150万美元合同,用于开展“下一代空军一号”高超声速总统专机概念方案的可行性评估研究。今年3月,赫米尔斯又与NASA签订合作协议,联合开展高马赫数商用飞机概念方案设计与分析工作,包括飞机运行概念分析、推进系统/热管理/能源生成/客舱系统等性能分析。这些举措标志着赫米尔斯突破性地获得了来自美国军方和政府的关注与支持,成功帮助公司在去年10月获得了1600万美元A轮融资。这些都为赫米尔斯获得空军6000万美元研制合同奠定了坚实的基础。

6000万美元合同的详情:金额不大,但却是美军近十年来投资启动的首个高超声速飞机验证机研制项目

(一)合同背景需求主要瞄准美空军下一代总统专机和侦察等需求

美空军寿命周期管理中心总统专机部是该项合同的需求方,同时也是出资方之一。空军总统专机部明确披露,授出该合同的目的主要是空军期望赫米尔斯正在研发的高超声速民用飞机可以改进发展,用于执行总统/要员运输、情报监视侦察(ISR)和其他可能的作战任务。

围绕以上需求,美空军为该项合同设定了五大目标,包括:

——深化对高超声速飞机作战能力及技术的理解和认识;

——完成一型可重复使用的TBCC推进系统的飞行试验;

——设计、制造并试飞3架“夸特马”高超声速飞行验证机;

——为后续在“夸特马”验证机上集成(任务)载荷并进行高超声速飞行试验提供设计规范;

——为空军战略(推演仿真)分析工具提供推演数据输入。

从以上目标不难看出,该项目的重心是研制试飞3架验证机,核心是验证TBCC发动机和飞机平台,不需要加装任务载荷,但需要预留好接口。

(二)验证机方案突出小型、TBCC动力、重复使用等要素

根据美空军和赫米尔斯官方网站公布的信息,“夸特马”验证机采用了大后掠三角翼无平尾加单垂尾布局,无人驾驶,机体长细比明显较大,前机身与进气道高度融合。采用单台串联式TBCC发动机,进气道采用三维内转式方案;尾喷管看不到细节,但从外轮廓上看应该是其此前公布的二元喷管方案;涡轮发动机采用的是GE公司J-85-21加力式涡喷发动机,在进气道出口和涡轮压气机入口之间加装有预冷装置;亚燃冲压发动机与涡轮加力燃烧室共形,低速时为加力模态,高速时为亚燃模态。美空军和赫米尔斯没有明确披露起降方式,概念图中隐藏了起落架等细节,但赫米尔斯在官方视频中明确该验证机重点验证可重复使用特性,推测该机应安装有起落架,可实现水平起降。

J-85-21涡轮发动机主要配装F-5E第二代战斗机(最大速度Ma1.6),直径0.45米,长约2.76米,重约290千克,最大加力推力约2.3吨。根据美国媒体披露的采访信息,结合涡轮发动机的尺寸可大致推算,“夸特马”验证机长约10~12米,翼展约2.5~3米,尺寸上稍小于美空军D-21高空高速无人侦察机(长12.8米,展5.7米,重5吨,最大速度Ma3.3)。根据该尺寸及发动机推力,可进一步推测“夸特马”验证机总重约为4~5吨量级。

美空军未披露“夸特马”验证机的速度指标,但赫米尔斯在官方视频透露“夸特马”验证机的一大任务是将飞行速度上探(原文用词“touch”)到马赫数5。综上信息可基本描绘出“夸特马”验证机的目标图像:

——最大速度:Ma5——起飞总重:推测为4~5吨量级

——尺寸:长约10~12米,翼展2.5~3米

——采用单台串联式TBCC——涡轮发动机为J-85-21改进,加装射流预冷装置后工作范围为Ma0-3.3

——亚燃冲压发动机工作范围为Ma2.8~5

——无人驾驶,可重复使用,推测可水平起降。

(三)赫米尔斯计划采用“三步走”的思路分步发展高超飞机

该合同为期3年,应在2024年7月结束。美空军未披露过程节点,但赫米尔斯在官方视频中披露,公司将在2023年研制用于高马赫数飞行试验的小型无人验证机(即“夸特马”验证机),在2025年研制一型可执行应急货运和侦察任务的中型无人机,在2029年研制用于商用或公务出行的客运飞机。该路线图总体上遵循了“从小到大、从无人到有人”的发展思路,但速域范围未见有提升或变化。

(四)该合同采用了创新的军民联合投资模式

美空军披露,项目投资方包括美空军寿命周期管理中心总统专机部、美空军研究实验室空军创新工场(AFWERX)和多家风险投资商,三方出资比例为1:1:2。项目主管单位为美空军寿命周期管理中心总统专机部,项目渠道为空军创新工场(AFWERX)的战略融资项目(StratFI)渠道。StratFI项目渠道是美空军研究实验室依托空军创新工场启动的一种创新的投资方式,旨在将空军、国防部采办机构和私营投资商联合起来,以共同出资的方式重点资助那些初创小企业高效地开展军用或两用技术攻关,并快速转化形成作战能力。

美空军创新工场面向小企业专门开通有一个名为“‘小企业创新研究’(SBIR)计划开放专题”的渠道,分三阶段资助小企业开展科技创新活动,即第一阶段经费不超过5万美元,每年资助1000~1500项。第一阶段取得成果并成功得到空军客户对需求的认可后,可进入第二阶段,经费不超过75万美元,每年资助300~500项。第二阶段仍取得成功后,即可申请StratFI项目,即采用联合投资的方式进行大额资助,以取得突破性成果;通常投资配比是空军需求方、空军创新工场(即SBIR 开放专题渠道)和私营投资机构以1:1:2的比例出资,其中空军创新工场在单个项目上的投资上限为1500万美元,每年资助约20个项目。这也意味着单个StratFI项目获得的总经费上限为6000万美元。可见赫米尔斯在“夸特马”高超声速验证机项目上拿到了该渠道所允许的顶格资金支持。美空军明确披露,该项目也是空军StratFI项目落地实施的第一个项目。

分析与思考(一)关于美空军思路与意图的分析

美空军的这一举措主要体现出为以下特点:是高超声速飞行验证机整机研制而不是单项技术、是初创小企业而不是传统大企业、是小资金而不是大资金。

1.从技术发展布局上,需要安排开展技术集成验证。美空军在高超声速导弹发展方向上已经形成了较为完善的布局,在吸气式巡航和助推滑翔等两条技术线路上同步布局了型号研制(如AGM-183A、HACM)、技术验证(如TBG、HAWC)和共性技术研究等项目。而高超声速飞机作为下一阶段的发展重心,空军目前已系统布局了气动、动力、结构/材料与热防护、能源、热管理、航电等单项技术攻关,并研制了X-60A飞行试验平台来加速单项技术成熟。随着单项技术逐步突破和成熟,美空军需要考虑布局开展技术集成验证。2020年7月,美国会提出,鼓励空军开展可重复使用高超声速推进技术,并要求国防部汇报高超声速飞机作战能力特点、采办策略和发展路线图。

2.从工业能力布局上,需要培育更多的新生科技力量,打破波音、洛马等传统军工巨头长久形成的工业格局,倒逼他们进行改革和创新。近年来,美国军工接连出现显著的质量事故。波音因连续两起B737MAX空难而暴露出研发体系和质量控制存在着巨大问题,令世界震惊。洛马公司去年在多个高超声速导弹项目中接连遭遇失败,其中大多数是低级错误,如导弹从挂架上脱离、导弹无法与挂架分离、导弹正常分离又无法点火等,同样让人匪夷所思。这也恰好反映了美国近年来一直在呼吁的制造业空心化、高超声速人才断层和流失、管理体制僵化失调等问题。因此军方有必要也有责任培育壮大新兴科技领域的工业能力。该项目的主管单位——空军寿命管理中心总统专机部也明确表示,授出该合同的目的之一就是培育民用科技力量,并将其引入国防领域以壮大美国高超声速领域的国防工业能力。

3.从管理创新上,需要探索更加新颖高效的投资和管理方式。在国家经济紧张、国防经费趋紧的大环境下,需要军方以更少的国防经费投入撬动社会资本,引导社会资本和科技力量向国家和军队急需的军用或军民两用技术方向大量投入,加速推动科技创新、装备升级和国民经济发展。

(二)关于项目定位和关键指标的分析

总体来看,这是一个“扶持培育”意义大于“技术突破”意义的项目。

1.“夸特马”验证机定位于快速集成成熟技术以实现飞行,技术先进性有限。

赫米尔斯创立之初就确定了采用成熟技术的方针,即集成已有的成熟技术快速形成飞机产品,这也是初创企业在商业市场上谋求生存发展最常采用且最易成功的策略。这从根本上决定了“夸特马”验证机必然不会追求技术先进。此外,赫米尔斯也明确提出要通过“充分利用无人机和可重复使用系统的既有成果、严格对照合同要求(编注:意思是能省就省,绝不超纲)”等手段来压缩成本,确保在6000万美元的有限经费支持下研制出3架验证机。事实上,从“夸特马”验证机的速度指标设定、动力和材料选型上也可以印证这一点。

2.“夸特马”验证机项目对速度指标没有提出强约束要求,很可能即使速度达不到Ma5也不影响项目验收。

首先,美空军发布的五大目标中并未明确提出速度指标要求,且空军主管官员披露的背景需求也是专机、运输和侦察等中低对抗强度下的任务,这从侧面反映空军对该型飞机的突防能力未作过高要求。

其次,赫米尔斯在官方视频中的说法是“将飞行速度上探到马赫数5”,这个表述意味着会尽量接近但不会超过Ma5。赫米尔斯还提到,无人驾驶的“夸特马”验证机可以用来开展风险更高的飞行科目,探索更宽的飞行包线,甚至可以接受破坏式的极限试验。

最关键的还是技术问题。赫米尔斯在2020年上半年完成了一轮约0.2米口径的小型TBCC发动机地面试验,测试了Ma0~5范围内的十多个状态点。从最下图可以看到,受限于普渡大学试验设施的总温限制,试验范围实际上只做到了Ma4。超过Ma4的点只有一个,即Ma5/24千米,并且还只模拟了马赫数,未模拟总温。这种不充分的试验在客观上埋下了技术隐患,导致赫米尔斯在相关表述中信心不足。

(三)赫米尔斯公司及项目面临的挑战与前景

1.挑战很大很多。首先是技术攻关的难题。先不谈后两步面临尺寸更大、载人飞行等带来的新问题,仅“夸特马”验证机所采用的TBCC发动机就面临模态转换、宽速域进排气设计、飞发耦合设计等一系列关键技术难题。赫米尔斯在2020年8月曾披露,在2020年3月完成的小型TBCC发动机地面试验中就遗留了模态转换和进气道等难题,且预计要到2022年底才有可能突破。相比之下,DARPA的AFRE项目花费了1.3亿美元经费和5年时间,到现在也还没有完成Ma0~5+TBCC发动机地面验证(含模态转换技术)。其次是研保条件和人力资源不足的问题。赫米尔斯白手起家,最初只能在一个集装箱改造的简易建筑内做试验,直到今年5月才拥有了一栋约1万平方米的厂房,公司要利用这块场地建设设计、试验和制造等设施。公司人员规模虽然在2年内快速从8人扩张到了28人,但仍不足以胜任这样规模的项目。公司计划要进一步扩张至50人左右。考虑到美国专业人才短缺的问题,这一目标难度也不小。再次是进度紧张的问题。3年时间要从零开始研制试飞一型约4~5吨重、填补空白式的新型飞机,这个进度压力可想而知。

2.前景依然广阔。在战术上,赫米尔斯将依靠新合同迎来一波估值暴增。公司曾在2020年8月获得空军一份150万美元的可行性研究合同后,随即在10月份就成功获得了1600万美元的融资。不难预见,这次6000万美元的大额合同将帮助公司获得数亿美元的新一轮融资,这无疑将极大促进公司成长。这也从侧面解释了,赫米尔斯能够在“区区”6000万美元的经费下承担研制试飞3架验证机的“重任”。在战略上,高超声速是飞机发展的必然方向,赫米尔斯以一个初创小企业的身份,在波音和洛马的夹缝中,成功拿到了空军近十多年来授出的首个高超声速飞机验证机合同,这标志着赫米尔斯成功进入了高超声速飞机这条黄金赛道,无论该项目最终结果如何,这本身就已经是巨大的成功。

责任编辑:实习编辑