波音的高超声速梦想

盖伊·诺瑞斯

波音公司将自身定位于可研发一种未来可超过Ma5速度的察打一体型飞机的制造商，正加大赌注参与到处于领导地位的美国超声速飞行器的加速竞赛中。波音公司积极加强与ORBITAL ATK公司的合作，开展以涡轮基组合循环为核心的推进系统设计。

今年1月初，在佛罗里达州举行的航天科学与研究会议上，波音公司被外界揭露，正在研发一架可重复使用的高超声速演示概念飞行器，这标志着波音公司开始直面挑战洛克希德·马丁公司。而洛克希德·马丁公司曾于2013年公布了一项计划，将要为早已退休的“黑鸟”SR-71研制速度达Ma6的继任者。

有迹象表明，波音公司在美国高超声速研究和发展过程中显著提升能力，展现了其雄心勃勃的计划，通过各种高速火箭和燃气动力项目积累了几十年设计经验。该公司的大后掠三角翼飞行器概念显著地影响了X-43和X-51A高超声速演示项目，但同时也包含了一些来自波音公司后来收购的公司项目设计特征，其中包括Ma3的XB-70瓦尔基里验证型轰炸机项目。

波音公司的首席科学家凯文·鲍克特表示，为了研究以最低成本研制一种可重复使用高超声速演示飞行器的可能性，波音公司以独立的项目研究来探讨这个问题。为了研发全尺寸样机，波音公司考虑了一个两步走方案，首先以一架F-16大小的单引擎概念验证机进行飞行测试，然后再以一架与32.6m长的SR-71差不多大小的双引擎全尺寸可操控飞行器进行测试。

这个概念模型是在佛罗里达州奥兰多举行的美国航空航天科技协会论坛上公布的。凯文·鲍克特说：“双垂尾的“乘波者”后续还要继续优化，但它已经代表了一个可行的高超声速飞行器设计方案。研制一架起飞后从Mal一直加速到Ma5、甚至到更快的飞行器确实非常困难，燃气引擎的比推力会随着速度的增加而下降，所以必须采用更大的引擎才能达到Ma5的速度。但是这样做意味着引擎将会拥有更大的进气口和喷嘴，而将会更难以跨越声速。”

凯文·鲍克特说，即使如此，利用多学科设计优化（MDO），即一种设计人员同时采用所有相关学科方法，通过仔细地将机身和推进系统进行集成，可以使波音公司能够研发出一个可行配置。MDO被于X-51A“乘波者”的设计方案冻结，这是第一种用于验证可持续燃气推进的超声速飞行器。

最初，高超声速飞行器概念研发由波音公司独立出资，但是在美国国防部预研局（DARPA）的“先进全状态发动机”（AFRE）项目下进行，并且与美国空军研究实验室进行的涡轮基组合循环飞行演示概念研究紧密相关。波音公司的引擎项目合作伙伴是OBITAL ATK公司，2017年9月，该公司的“先进全状态发动机”项目被授予了一份价值2140万美元的合同。2016年，波音公司参与美国空军研究实验室涡轮基组合循环项目的飞行演示概念研究工作，并将OBITAL ATK作为其分包商。

该概念飞行器的配置受到涡轮基组合循环推进系统约束，推进系统将由传统涡轮发动机与双模冲压发动机/超燃冲压发动机（DMRJ）相结合，将涡轮发动机运转到足够高的马赫数，再过渡到双模冲压发动机/超燃冲压发动机。发动机之间将共用同一个进气口和喷嘴，在过渡段后涡轮被包住，直到高超声速飞行器减速后再重新启动以返回跑道并降落。鲍克特说，进气口被来自于XB-70的一种突出隔板分开，附加了隔板的涡轮基组合循环只是众多潜在推进方案中的一种，而喷嘴也由一个突出的尾部分割件隔开。

波音公司研发高超声速飞机的首席专家汤姆·史密斯说：“推进系统决定了飞行器的长度。”虽然波音公司拒绝讨论设计的具体细节，但是较宽的进气口和机身上宽阔且较低的发动机舱表明，每台涡轮基组合循环发动机的涡轮和双模冲压发动机/超燃冲压发动机都是并排放置的，而不是上下叠放的。

内弯的进气口被置于可捕获从飞机头部产生的初始冲击波的位置，而依随大跨度三角翼成型的大后掠前机身边条可在高超声速时提供乘波能力，在亚声速起降时提供高升力。“乘波者”一词是指飞行器乘着冲击到前缘的激波并受益于较低的诱导阻力来飞行的设计。汤姆·史密斯说：“当窄边条过渡到机翼时，在低速阶段会产生有利的涡流。”与洛克希德·马丁公司的SR-72概念相比，波音公司的设计外表相似，但不同之处在于它拥有双垂尾且发动机安装在一个较大的舱内，而不是单独安装。有消息说，该机型在公司内部被称为“瓦尔基里2代”，目前仍在不断完善设计中，并且被展示的模型也不太可能出现这种独特的驼峰式机身。

2017年，洛克希德·马丁公司表示，自2006年起就与航空喷气火箭达因公司（Aerojet-Rocketdyne）合作，研發一种用于超高声速飞行研究的小尺寸飞行器，并已经取得了重大进展。该项目是建立在基于美国空军和美国国防部预研局的HTV-3X可重复使用的高超声速演示项目的前期工作基础上进行的，虽然HTV-3X项目于2008年下马，但该项目通过集成了一个高速涡轮发动机，技术向前迈了一步。HTV-3X概念是美国国防部预研局的“猎鹰计划”的产物，该项目包括开发小型运载火箭、通用航空飞行器和高超声速巡航飞行器。

波音公司提出的可重复使用的高超声速演示机型是一个基于X-43/X-51经验的“乘波者”概念。

波音的超声速项目历程

X-15 （1956-1968）

产自北美飞机公司的有人驾驶火箭动力的试验型超声速飞行器，其速度曾达到Ma6.7。

先进机动再入式飞行器（AMaRV） （1967-1988）

麦克唐纳·道格拉斯公司的再入式飞行器展示了多样气动构型和机动再入飞行（13次）的控制机制。在这一阶段，其他五种机动再入式飞行器均得到了试验测试。

航天飞机太空运输系统（STS） （1972-2011）

罗克韦尔国际宇航员和载荷轨道交通系统。

X-43是波音公司生产的世界上第一台超燃冲压发动机飞行器，并连续创造了两个喷气式飞机的速度记录：Ma6.8和Ma9.6。

X-51A“乘波者” （2003-2013）

波音公司的碳氢冲压发动飞行器验证了Ma5.1下融合机身和推进器的飞行器重量在未来高超声速飞行器的应用。

先进机动再入式飞行器（AMaRV） （2006至今）

这是一个由多国参研的高超声速飞行试验项目，旨在提高高超声速飞行的科学技术和经验知识。2017年，波音公司、澳大利亚的国防科学技术小组、美国空军研究实验室和昆士兰大学联合团队成功地测试了由波音公司设计的“乘波者”滑翔机的飞行控制系统。

“幻影快车” （Priainform Express） （2017至今）

波音公司和美国国防部预研局（DARPA）正在合作，设计、制造并测试XS-1幻影快车技术验证飞行器。这是一种可重复使用的太空飞机，并可快速地、像飞机似地进入太空。