欧洲的高超声速推进项目及其项目管理

尤延铖，安 平

(厦门大学航空系，福建厦门361005)

欧洲的高超声速推进项目及其项目管理

尤延铖，安 平

(厦门大学航空系，福建厦门361005)

简要介绍了近年来欧洲的高超声速推进项目，包括欧洲航天局(ESA)牵头的欧盟LAPCAT、LAPCAT-Ⅱ、ATL⁃LAS-Ⅰ、ATLLAS-Ⅱ项目，德国航空航天中心(DLR)独立完成的SHEFEX-Ⅰ、SHEFEX-Ⅱ项目。以欧洲LAPCAT-Ⅱ项目为例，详细分析了欧洲高超声速项目在预算、立项、执行、交流、评审及验收等全过程中的项目管理和调控方法，可为我国组合动力及其它高超声速工程研制的项目管理提供参考。

欧洲；高超声速；涡轮基组合循环发动机；项目管理；预冷却器；热管理

1 引言

高超声速技术是21世纪航空航天领域的制高点，代表着未来军民用航空器的战略发展方向。以美、俄、欧为代表的世界航空航天强国，都在大力推进各自的高超声速飞行器研制计划。在欧洲，高超声速研究的重点集中在民用高超声速科技计划[1]。从2005年开始，欧盟第六科技框架将发展民用(高)超声速航空飞行器列入研究计划，并启动了LAPCAT(长期先进推进概念和技术)项目[2]。2008年4月LAP⁃CAT项目到期终止后，欧盟第七科技框架计划紧接着启动了LAPCAT的后续项目LAPCAT-Ⅱ[3]。LAP⁃CAT-Ⅱ的主要研究目的，是完成巡航速度为马赫数5和8的两种超远程民用运输飞机的初始设计，为后续的高超声速飞行器研制项目奠定基础。与LAP⁃CAT项目相配套，欧洲航天局(ESA)还在欧盟第六、第七科技框架的支持下，开展了名为高速飞行的空气动力学和过热交互与轻质材料的ATLLAS-Ⅰ、ATLLAS-Ⅱ项目[4]，专项研究实现高超声速飞行时最为关键的耐高温轻质材料。

图1综合展示了近年来欧洲高超声速研究的路线图。作为欧盟第一经济强国，德国在高超声速技术发展方面开展了独立研究，其中最为著名的当属德国航空航天中心(DLR)开展的SHEFEX(锐边飞行试验)项目[5，6]。SHEFEX属于再入技术和高超声速技术的研发项目，旨在对一种尖前缘多平面组成的新型再入飞行器的性能进行研究。2005年和2012年，DLR在挪威先后完成了SHEFEX-Ⅰ和SHE⁃FEX-Ⅱ的两次飞行试验研究。SHEFEX-Ⅱ高超声速飞行器已达11倍声速。目前，DLR正在进行SHEFEX-Ⅲ的研究，计划在2016年实现15 min的长时间高超声速飞行。

图1 欧洲高超声速研究的路线图Fig.1 Development roadmap of hypersonic research in Europe

下面结合作者在德国工作期间的体会，对欧洲高超声速推进项目及其项目管理进行介绍和分析。

2 欧盟高超声速推进项目

2.1 LAPCAT项目

目前欧洲正在研发的涡轮基组合循环(TBCC)动力系统都源于LAPCAT计划，该计划分为LAP⁃CAT-Ⅰ和LAPCAT-Ⅱ两个阶段。2005—2008年，LAPCAT-Ⅰ项目总投资700万欧元，执行期间就选用哪种飞行器布局、动力装置等问题展开了大量方案论证。计划的主要目的是探索飞行马赫数4～8一级的高速飞行器可能的推进概念(含TBCC和RBCC)。

TBCC方面，LAPCAT-Ⅰ项目最突出的研究成果是，提出了使用氢燃料进行马赫数5飞行的LAP⁃CAT A2概念，并建议采用预冷却的Scimitar发动机。图2和图3为英国Reaction Engines公司建议的LAPCAT A2飞行器及Scimitar发动机。在Scimitar发动机基础上，Reaction Engines公司还开发了一款名为Sabre的RBCC发动机原理样机。二者共同的核心技术是如图4所示的预冷却器单元。该预冷却器可在小于0.01 s时间内将超过1 150℃的发动机进口空气冷却到-150℃。其关键在于大量使用微米级的高温合金(Inconel 718)形成微细冷却通道，加快换热速度，减轻高超声速飞行时气动加热带来的影响。

图2 LAPCAT A2飞行器概念Fig.2 Conceptual design of LAPCAT A2

图3 Scimitar TBCC发动机Fig.3 Scimitar TBCC engine

图4 Scimitar/Sabre发动机预冷器Fig.4 Precooling system of Scimitar/Sabre engine

图5 高超声速飞行器设计体系[7]Fig.5 Hypersonic vehicle design system[7]

LAPCAT-Ⅱ原计划研制周期为四年(2008.10―2012.9)，总投资1 000万欧元，后来又追加了半年。其主要任务是完成巡航速度为马赫数5和8的两种超远程民用运输飞机的设计，参与单位中各有两家采用TBCC和RBCC推进系统。设计过程必须考虑气动、结构、材料、热管理、控制等多学科的优化(图5)。最终，瞄准高超声速客机的应用背景，考虑到亚声速巡航的经济性及乘客能接受的加速度，总体选定了TBCC方案。研究重点集中在高马赫数下的超燃冲压发动机，含进气道、燃烧室、尾喷管设计，并开展了相关试验研究，取得了相应进展(图6和图7)。

图6 马赫数8方案超燃冲压发动机风洞试验照片Fig.6 Test model of M8 scramjet in wind tunnel

图7 超燃冲压发动机USCER喷嘴试验件Fig.7 USCER nozzle used in a scramjet model

2.2 ATLLAS项目

ATLLAS项目自2006年10月启动，其主要目标是研制用于长时间(高)超声速飞行(马赫数大于3)所需的耐高温轻质结构材料。这里耐受的高温，涵盖外流表面的气动加热环境及燃烧室内的高温环境。研究对象包含金属材料和非金属材料(如耐高温陶瓷材料、陶瓷基复合材料等)，也包括提高材料耐受温度的主动/被动冷却技术。2006―2010年间，欧盟13家科研机构在欧洲航天局的带领下完成了ATL⁃LAS-Ⅰ项目，取得了如图8所示的若干关键进展。图中：(a)为项目中研究的空心球堆栈技术，(b)为用于尖前缘的超级耐高温复合材料，(c)为带冷却通道的陶瓷基燃烧室结构，(d)为带发汗冷却的陶瓷基燃烧室，(e)为新型高温合金燃烧室组件，(f)为陶瓷基燃烧室材料在进行耐高温试验，(g)为陶瓷基碳-碳/碳-硅材料的尖前缘气动测试，(h)为组合件在1 500℃下的耐高温试验。

图8 ATLLAS-Ⅰ项目主要研究进展Fig.8 Key progress of ATLLAS-Ⅰproject

在ATLLAS-Ⅰ项目的基础上，欧盟又拨款在2011―2014年支持ATLLAS-Ⅱ项目的研发。总的原则是希望通过ATLLAS-Ⅱ项目的运行，能够为LAP⁃CAT-Ⅰ、LAPCAT-Ⅱ项目中得到的气动概念和方案，提供可行的材料和结构研究做补充。根据欧洲航天局对现有技术的技术成熟度评估，ATLLAS-Ⅱ项目会着重对表1所示相关技术开展进一步的深入研究，希望能将现有的技术成熟度提高1～2个等级。

表1 ATLLAS-Ⅱ项目涉及的关键技术成熟度(指长时间高温工作)Table 1 Critical technology readiness levels involved in ATLLAS-Ⅱproject(long-time high temperature)

2.3 SHEFEX项目

世界范围内，高超声速空天飞机、载人航天器和太空站的安全运行，都对大气层再入技术提出了急切需求。为在这个未来关键技术领域尽快取得突破，DLR设立了研究再入技术的SHEFEX科研专题。国内已有相关文献对SHEFEX项目进行了详细报道[8]。SHEFEX最初是针对NASA的X-38太空站成员返回飞行器原型机所需的热防护材料和结构进行的，其设计承受温度为1 800℃，并试图证明该技术成本仅为NASA空天飞机所用防热瓦的二分之一。但传统的试验与仿真手段，无法完全验证在恶劣高超声速环境下材料的性能，因此飞行试验就成为高超声速研究方案和技术验证过程中必不可少的重要环节。为了以较低的成本完成高置信度的飞行试验，德国全面开展了SHEFEX项目，利用尖前缘多平面组成的新型再入飞行器(图9)进行研究。

图9 SHEFEX-Ⅰ试验飞行器Fig.9 Test vehicle of SHEFEX-Ⅰ

SHEFEX-Ⅰ试验旨在对新型尖前缘多平面设计方案进行演示，并验证其气动性能。SHEFEX-Ⅰ结构由一个铝制的基础框架和多个热防护面板组成。热防护面板覆盖在铝结构框架上，可由不同材料组成，并构成不同的特征形状，如凹入和凸出的斜面、明显的边缘和尖前缘。全部测量元件都集成在热防护系统上，并安装在基础框架内。这种方案允许试验面板由不同的材料或表面涂层组成，可直接与基础框架连接，便于替换传感器类型或改变传感器分布。这样，每个面板都可用作一个独立的试验平台。

2005年10月27日，DLR成功进行了SHE⁃FEX-Ⅰ飞行器的飞行试验。SHEFEX-I以马赫数6的速度飞行了20 s，获得了一套完整的气动数据。继SHEFEX-Ⅰ飞行试验取得成功后，SHEFEX-Ⅱ飞行器的研制工作随即展开。

SHEFEX-Ⅱ的主要目的，是验证使再入和着陆更加简便易行的结构、系统和设计技术。DLR对SHEFEX-Ⅱ的气动外形进行了全新设计，并开展了大量风洞试验，如图10所示。2012年6月22日，SHEFEX-Ⅱ在挪威发射升空，在其上升和再入阶段都获得了令人满意的数据。SHEFEX-Ⅱ总重达7 t，在距基地250 km外的海域着地，在再入大气层时速度达到11倍马赫数。虽然相关的回收舰已准备到位，但出于安全考虑，离坠落地点保持了一定距离，因此没有在有效载荷遗失前赶到。尽管如此，SHE⁃FEX-Ⅱ用于测量温度、压力、热负荷、加速度和其它关键参数的300多个传感器都工作正常。数据显示，飞行器的性能与设计预期一致，SHEFEX-Ⅱ的防护瓦、绝热层与冷却系统都承受住了再入阶段高达2 500℃的高温，飞行阶段滚转控制也满足要求。

图10 SHEFEX-Ⅱ试验飞行器Fig.10 Test vehicle of SHEFEX-Ⅱ

SHEFEX项目最大的特点在于项目成本低廉，发展的技术，尤其是再入的热防护和热管理技术，也可弥补国际上在这一领域的空白，因此其是一个非常有前景的项目。目前，针对SHEFEX-Ⅲ的研制计划已启动，并计划在2016年进行第三次飞行试验。

2.4 HEXAFLY项目

上述各项欧洲高超声速研究计划，已经对飞行相关的许多关键技术进行了地面试验。以此为基础，欧洲航天局正在主导准备下一阶段的飞行试验，称HEXAFLY(高速试验飞行器)项目[9]。重点关注包含综合运用这些先进技术的高速飞行器概念，解决性能、空气动力学、推进、材料、控制和环境等一系列实际工程问题，最终实现一次成功的高超声速试验飞行。HEXAFLY项目同样分两期，第一期(2012―2013)为短期项目，主要目标是再次仔细论证运用现有技术进行飞行演示验证的可行性和可能遇到的问题；第二期(2014―2018)为实质的飞行试验项目，称HEXAFLY-International项目，拟邀请有力的国际伙伴参与，共同完成。

飞行器设计仍然是该项目面临的主要挑战。其目标是设计一种一体化的高速飞行器，速度可从马赫数5加速到马赫数8。由于受欧洲地面设施规模限制及费用问题，飞行器设计长度考虑在1.5～4.5 m范围。大尺寸设计可集成更多技术，而小尺寸在低复杂性、重量、尺寸、资金等方面具有优势，需权衡。目前有两种备选方案：一种是长约1.5 m的小尺寸版本飞行器方案，另一种是长约4 m的大尺寸版本。此外，HEXAFLY计划还包括发射助推火箭或空射助推器研究。按目前计划，拟采购巴西产的S40火箭作为助推段。

3 欧盟项目管理

3.1 顶层设计

从上述分析可以看出，欧盟的高超声速项目研制有着比较清晰的发展路线图。欧洲航天局牵头的一系列项目，LAPCAT-Ⅰ、LAPCAT-Ⅱ、ATL⁃LAS-Ⅰ、ATLLAS-II、HEXAFLY和HEXAFLY-Inter⁃national，前后共延续十余年，涵盖了概念分析、基础研究、工程方案和演示验证等过程。德国的SHE⁃FEX项目也有着比较长远、清晰的技术规划，如图11所示，从2005年开始的亚轨道再入到2020年左右的太空往返。最为重要的是，欧盟各国会严格按照发展路线图逐步推进。

图11 德国SHEFEX项目发展路线图Fig.11 Development roadmap of German SHEFEX plan

除发展路线规划外，对于每一个具体项目，在项目申报阶段，欧盟申请人也都会对总体方案进行顶层规划，按技术需求划分不同的项目群(WP)。然后根据项目的技术特点设计和分解主要的子课题，并按照彼此间的关联度，组织形成项目网络，严格定义每一子课题的输入/输出边界及时间节点，用以保证项目能在未来3～5年时间里顺利执行。

图12展示了LAPCAT-Ⅱ项目在申请阶段规划的研究内容。可见，WP1为项目管理与协调，WP2为马赫数5一级飞行器设计与研究，WP3为马赫数8一级飞行器设计与研究，WP4为飞行器的空气动力学计算和试验研究，WP5为燃烧的试验研究，WP6为燃烧的计算研究。在每个项目群下，又规划了具体的子课题，它们彼此之间存在着相互依存关系，既从上游子课题获得输入，又为下游子课题提供输出。

图12 LAPCAT-Ⅱ项目子课题规划与网络连接Fig.12 Workpackage diagram of LAPCAT-Ⅱpreoject

当子课题组比较庞大时，需对子课题再划分次子课题。以LAPCAT-Ⅱ项目WP3为例(图13)，为完成马赫数8一级飞行器设计，需延续LAPCAT-Ⅰ项目的前续研究，为此开放了3.1.1～3.1.4所示的4个次子课题。而后，在6个月时间内，完成对LAP⁃CAT-Ⅰ研究成果的深化和再吸收，然后转入WP3.2，研究TBCC和RBCC的概念可行性。在项目启动后的第9个月，完成TBCC和RBCC的方案检验后，以3.4.1的TBCC和3.4.2的RBCC全机数值计算为输入，在3.2.3次子课题完成对TBCC和RBCC推进方案的详细评估，最后在3.5子课题确认马赫数8一级方案。

图13 LAPCAT-Ⅱ项目第3子课题(WP3)规划与网络连接Fig.13 Workpackge diagram of the third sub-subject of the LAPCAT-Ⅱproject

可见，欧盟项目管理十分强调项目申请阶段的顶层设计，在规划阶段就完成了项目的分工、协调和时间点确认，从而尽量避免项目执行阶段无谓的调整。客观地说，这加大了项目前期的工作，也对项目规划和制定方提出了更高的要求。

3.2 经费/人员预算

欧盟项目在项目申请阶段，除了规划项目总经费、各子课题研制经费外，还会对每笔经费支出做出详细预算。以LAPCAT-Ⅱ项目为例，表2给出了LAPCAT-Ⅱ项目的经费预算表，按16家参研机构所承担的工作量，对研究经费有一个总体测算。表中显示，LAPCAT-Ⅱ项目总预算1 025.520 8万欧元，其中DLR承担的份额最大，为225.5万欧元，占总经费的21.98%；其次为法国ONERA(航空航天研究院)的189.474 7万欧元，占总经费的18.48%。不过，并不是所有的科研经费都由欧盟直接拨款。整个项目欧盟拨款为740万欧元，对DLR的拨款为156.846 5万欧元，占DLR总经费的70.65%；对ONERA的拨款为142.9万欧元，占ONERA总经费的76.84%。欧盟对不同国家的拨款比重，按各国经济在欧盟的排名先后而有所调整。

经费预算在欧盟各个研发机构投入的多少与承担的任务有很大关系。DLR和ONERA承担了几乎全部的高焓风洞试验任务，因此科研成本比较高。此外，经费的投入还与人员的投入有线性比例关系。表3给出了LAPCAT-Ⅱ项目中，各单位参与不同子课题的人力数。还是以DLR和ONERA为例，DLR为执行LAPCAT-Ⅱ项目，一共投入120人·月，而ONERA投入110人·月。若以科研经费直接除以投入人力数，DLR的一名员工每月的科研经费是1.88万欧元，ONERA的一名员工每月的科研经费是1.72万欧元。另外，考虑到该项目规划的执行周期是4年，因此DLR相当于投入了2.5个全职人力在该项目上，而ONERA的投入是2.29个全职人力。整个项目总投入789人·月，相当于16.4名全职员工就应该能完成LAPCAT-Ⅱ项目。显然，欧洲高企的人力成本迫使他们的科研人员必须是高效的。

3.3 日常管理与调控

如上所述，欧洲科研工作者要想获得高额的薪资，就必须以高的效率完成科研任务。高的效率除了靠员工个人的努力外，还需要项目组有一套行之有效的日常管理与调控措施。像LAPCAT-Ⅱ这样的大型项目，除了项目总负责人外，通常还会为每个子项目指定一个负责人，负责监督子项目的进展，协调子项目组内的输入/输出，确保子项目的顺利进行。另外，项目因为落实到每个研究机构实际参与的研究人员并不多，因此，项目负责人或子负责人通常都是与各参研人员直接联系，不再通过单位管理机构或上级领导协调联系。也正因为如此，技术上的沟通和反馈十分有效。

表2 LAPCAT-Ⅱ项目经费预算表Table 2 Funding budget of the LAPCAT-Ⅱproject

表3 LAPCAT-Ⅱ项目人员投入表 人·月Table 3 Man-power of the LAPCAT-Ⅱproject(Unit: man-month)

项目的日常报告和总结有两种途径，一是每隔两个月需提交双月报告，报告的内容不用很长，但要能全面反映技术的进展和存在的问题。二是通过定期的会议进行交流。在项目申请书中，会列出如表4所示的项目会议安排。每半年一次全会，所有参研人员集中到某参研单位开会。每个课题必须进行45 min左右的进展汇报并接受质询，质询重点为是否已完成项目申请中的节点任务。会后，项目委员会委员对各单位完成情况形成评价意见，上报欧盟管理部门作为拨款参照。表中还显示，第18个月和第36个月分别是两个阶段性分界点。另外，第30个月有一个中期评审，由欧盟指定项目组以外的战略专家进行同行评议，决定是否应对项目运行做必要调整。当然，在项目结题时也有一个大规模的同行评议，会根据项目具体执行情况提出验收意见。其中一种意见形式是建议延期继续资助，完成新发现的重要科学问题的相关研究。LAPCAT-Ⅱ项目就属于这种情况，在项目到期后获批延期资助一次。

表4 LAPCAT-Ⅱ项目会议安排Table 4 Meeting arrangement of the LAPCAT-Ⅱproject

4 结束语

本文简要介绍了近年来以LAPCAT、ATLLAS和SHEFEX为代表的欧洲高超声速推进项目。结合作者在德国DLR工作期间的体会，以欧洲LAPCAT-Ⅱ项目为例，详细分析了欧洲高超声速项目在预算、立项、执行、交流、评审及验收等全过程中的项目管理和调控方法。其中，欧盟研究注重项目顶层设计、强化科研人员工作效率、保证执行过程的项目监督等宝贵经验，可为我国组合动力及其它高超声速工程研制过程中的项目管理提供参考和借鉴。

[1] Steeland J.Hypersonic Technology Developments with EU Co-Funded Projects[R].RTO-EN-AVT-185-15.

[2] Steeland J.LAPCAT:An EC Funded Project on Sustained Hypersonic Flight[R].IAC-06-C4.5.01，2006.

[3] Steelant J.Sustained Hypersonic Flight in Europe:Tech⁃nology Drivers for LAPCAT II[R].AIAA 2009-7240，2009.

[4] Steelant J.ATLLAS:Aero-Thermal Loaded Material In⁃vestigations for High-Speed Vehicles[R]. AIAA 2008-2582，2008.

[5] Eggers T，Longo J，Hörschgen M，et al.The Hypersonic Flight Experiment SHEFEX[R].AIAA 2005-3294，2005.

[6] Weihs H，Longo J，Turner J.The Sharp Edge Flight Exper⁃iment SHEFEX II,a Mission Overview and Status[R]. AIAA 2008-2542，2008.

[7] McClinton C R.High Speed/Hypersonic Aircraft propul⁃sion Technology Development[R].RTO-EN-AVT-150，2007.

[8] 文苏丽，时兆峰.SHEFEX——全新的高超声速技术试验平台[J].飞航导弹，2010，(9)：24—28.

[9] http://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering/ High-Speed_Experimental_Fly_Vehicles.

European Hypersonic Projects and Project Management

YOU Yan-cheng，AN Ping
(Department of Aeronautics，Xiamen University，Xiamen 361005，China)

Recent hypersonic propulsion projects in Europe were briefly introduced,including the projects of LAPCAT,LAPCAT-Ⅱ,ATLLAS,ATLLAS-Ⅱled by European Space Agency(ESA)and the projects of SHEFEX-Ⅰ and SHEFEX-II independently conducted by the German Aerospace Center(DLR).Taking the LAPCAT-Ⅱ project as an example,the following aspects regarding project control and management were discussed in details,such as budget setup,proposal submission and approval,project running,prog⁃ress meeting and communication,critical review and final assessment.These experiences provide us a good reference for future TBCC and other hypersonic engineering projects.

Europe；hypersonic；TBCC engine；project management；pre-cooler；thermal management

V37

A

1672-2620(2013)06-0001-07

2013-11-13；

2013-12-03

国家自然科学基金(51006051)

尤延铖(1981-)，男，福建泉州人，教授，主要从事内流流体力学、计算流体力学研究。