高超聲速飛行的希望

孟祥飛，林曉宇

1.空軍指揮學院

2.國家空域管理中心

眾多初創(chuàng)企業(yè)正在致力于高超聲速運輸機研究、太空發(fā)射技術開發(fā)與服務，一些商業(yè)公司仍在繼續(xù)吸引風險資本機構和政府的重大投資。目前，9家制造商已融資超過4.24億美元并簽訂合同。

1949年，美軍火箭的飛行速度首次超過Ma 5，自此以來，高超聲速飛機一直是美國政府部門軍用武器計劃和科學項目的重點研究方向，美國政府實施的計劃也許為高超聲速技術搭建了發(fā)展平臺。但是，美國政府壟斷高超聲速系統(tǒng)項目的格局可能會在今年晚些時候被打破。

制造商繼續(xù)融資

目前，至少13家初創(chuàng)公司和知名制造商已宣布高超聲速技術驗證計劃。部分公司計劃在未來3年內進行試飛。這些高超聲速系統(tǒng)項目旨在尋找營利機會，但面臨著巨大的技術挑戰(zhàn)，正是由于技術挑戰(zhàn)的沖擊，這些高超聲速系統(tǒng)項目遭遇了失敗或變得復雜化，僅少數(shù)政府資助的項目依然持續(xù)發(fā)展。即便如此，眾多商業(yè)公司仍在繼續(xù)吸引風險資本機構和政府的重大投資。

截至目前，9家制造商已為高超聲速系統(tǒng)項目融資超過4.24億美元并簽訂合同，另外4家初創(chuàng)公司尚未公布融資結果?；旌蟿恿夹g和推進技術大大拓展了多樣性應用，獲資金支持的這些項目涵蓋衛(wèi)星發(fā)射器、太空運輸、試驗臺等產品與服務。

金星航宇公司完成A 輪融資

金星航宇公司（Venus Aerospace）位于美國休斯頓市，已成立2年，計劃制造一架高超聲速客機。金星航宇公司于2021年3月完成300萬美元種子輪融資，2022年4月，完成2000萬美元A輪融資，A輪融資由優(yōu)秀漫步者實驗室（Prime Movers Lab）風險基金領投。該基金旨在為那些希望通過科技創(chuàng)新來創(chuàng)造商業(yè)價值的初創(chuàng)公司提供資助。

德斯蒂努斯SA公司融資概況與產品

初創(chuàng)企業(yè)德斯蒂努斯SA公司（Destinus SA）位于瑞士，由一家俄羅斯的財務風險公司創(chuàng)立，正在開發(fā)氫動力高超聲速運輸機。約7個月前，另一家風險基金財團向德斯蒂努斯SA公司投資2900萬美元。

瑞迪安航宇公司完成A 輪融資

在德斯蒂努斯SA公司完成A輪融資的前一個月，位于美國華盛頓市的瑞迪安航宇公司（Radian Aerospace）在種子輪融資中共籌集資金2750萬美元，以開發(fā)單級入軌航天飛機。該航天飛機開發(fā)的意向協(xié)議涉及衛(wèi)星發(fā)射、空間站補給和點對點運輸?shù)纫幌盗袧撛诜?，協(xié)議總金額達15億美元。

圖1 德斯蒂努斯公司表示，“埃格”（Eiger）高超聲速運輸機驗證機將運往西班牙，在大西洋上空進行飛行試驗。

赫爾墨斯公司項目融資非常成功

當平流層發(fā)射系統(tǒng)公司（Stratolaunch）、太空探索公司（SpaceX）和反應發(fā)動機公司（Reaction Engines）實施機載衛(wèi)星發(fā)射器、軌道運輸飛船和航天飛機部署的長期計劃之后，眾多初創(chuàng)公司如浪潮般涌現(xiàn)。在吸引投資方面，位于美國亞特蘭大市的赫爾墨斯公司（Hermeus）最為成功。該公司計劃開發(fā)一系列高超聲速飛行器，在產品研制初期，赫爾墨斯公司開發(fā)了“夸克馬”（Quarterhorse）驗證機，該驗證機項目已吸引1.26億美元投資，其中包括RTX風險機構（RTX Ventures）的股份，以及美國空軍超過6000萬美元的投資。赫爾墨斯公司設計“夸克馬”驗證機的目的是，確定本公司制造的“喀邁拉”（Chimera）渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機的性能。不僅如此，美國空軍未來也可能選擇使用“夸克馬”作為高超聲速系統(tǒng)。目前，赫爾墨斯公司正在挑選一家公司以制造“梅亥姆”（Mayhem）高超聲速試驗臺。

面臨的挑戰(zhàn)

運營與資金挑戰(zhàn)

雖然眾多制造商正在嘗試開發(fā)盈利性高超聲速客機，但實際上面臨著商業(yè)運營與財務資金的挑戰(zhàn)。赫爾墨斯公司“平安幸?！保℉alcyon）高超聲速客機的商業(yè)化運營依然舉步維艱?？罩锌蛙嚬竞筒ㄒ艄緛喡曀倏蜋C的運營很難獲利。法國航空公司和英國航空公司在運營中均通過與行業(yè)伙伴合作來獲利，但是如果沒有法國和英國政府的資助，高超聲速客機開發(fā)所產生的不可預知成本不斷增加，很可能導致制造商破產。

即便是一家擁有20年歷史且取得成功的火箭制造企業(yè)，太空探索公司也須要政府的資助來確保“星際飛船”（Starship）亞軌道飛船成功完成點對點運輸。作為美國空軍研究實驗室主持的一項首要計劃，“火箭貨運”（Rocket Cargo）計劃將驗證高超聲速飛行器在約1h的時間內到達地球上任何地點并提供補給的能力。而“星際飛船”有望成為“火箭貨運”（Rocket Cargo）計劃的候選方案。

資金是一個公司首先要解決的問題，任何公司高管不僅要正確使用所籌集的私人資本，而且應具有盈利及解決問題的能力，確保企業(yè)獲得永遠用不完的經費。

技術挑戰(zhàn)

高超聲速系統(tǒng)開發(fā)面臨著艱巨的技術挑戰(zhàn)。金星航宇公司提議制造一架能以Ma 9的高超聲速在50000m高空飛越太平洋的高超聲速客機，并采用三種從未商業(yè)化的技術，即旋轉爆震發(fā)動機、乘波體機身和嵌入機翼前緣的新型冷卻系統(tǒng)。即使在軍事領域，這三種技術仍然處于試驗階段，距離應用還有相當長的時間，但這些工程問題終能被解決。

失敗項目

雖然融資取得成功，但歷史經驗表明，成功部署一架高超聲速系統(tǒng)的道路是艱難曲折的。羅納德·里根總統(tǒng)曾構想“東方快車”（Orient Express）客機的愿景，該機飛行速度可達Ma 25，但是項目于1990年以失敗而告終。隨著預算經費的飆升和技術問題的增加，羅克韋爾公司X-30“國家航空航天飛機”（National Aero-Space Plane）項目被取消。20世紀90年代中期，麥道公司“三角洲快艇”（Delta Clipper）和洛馬公司“冒險之星”（VentureStar）項目均夭折，成為美國國家航空航天局（NASA）預算削減的犧牲品。

表1 商用高超聲速系統(tǒng)項目發(fā)展概況

圖2 美國空軍未來可能選用赫爾墨斯公司“夸克馬”高超聲速飛行器。

圖3 平流層發(fā)射系統(tǒng)公司開發(fā)的“鷹爪”-A 高超聲速試驗臺。

圖4 太空探索公司研制的“星際飛船”驗證機準備發(fā)射升空。

近年來，一些公司對面向商業(yè)需求且以高超聲速再入大氣層的航天飛機開展了多次潛能驗證試驗，但是均宣告失敗，然而并不是任何技術或成本因素造成的失敗。2017年，美國國防預研局（DARPA）未選用幾家小公司的投標方案，而是選中了波音公司的方案，并授予波音公司一份總金額為1.46億美元的合同，要求波音公司設計和發(fā)射XS-1航天飛機，這是一種可在軌道上釋放小型衛(wèi)星的試驗型航天飛機。但是，波音公司于2020年1月決定退出該計劃，因為當時波音公司正在處理737 MAX飛機的停飛問題，以及與XS-1航天飛機項目無關的多項商業(yè)和軍事計劃的成本問題。

盈利目的明確

盡管政府資助的一系列項目失敗了，但是多型高超聲速飛行器的商業(yè)盈利目的非常明確。例如，根據(jù)太空探索公司（SpaceX）2022年發(fā)射標準費率計算，“獵鷹”9 號（Falcon 9）火箭的發(fā)射成本已降低至2938 美元/千克，相當于向近地軌道發(fā)射航天器的成本，從而刺激了高超聲速系統(tǒng)進入地球軌道的需求。盡管“獵鷹”9號火箭重復使用時可靠性較高，且取得巨大的成功，但仍然存在火箭所固有的問題，即效率低，因為推進劑應采用一種由70% ～80%液氧組成的混合物。

通過改用可重復使用的吸氣式高超聲速飛行器，一些新的商業(yè)初創(chuàng)公司能夠進一步大幅降低發(fā)射成本，進而獲利。位于加拿大的太空發(fā)動機系統(tǒng)（Space Engine Systems）公司預計，“哈羅”-2（Hello-2）高超聲速飛行器使用沖壓式噴氣發(fā)動機提供動力，將小型衛(wèi)星發(fā)射到近地軌道的成本為950美元/千克。與此同時，位于美國俄亥俄州的維朗特拉公司對“野馬”項目寄予同望，“野馬”是一種可重復使用的衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)，由渦輪基組合循環(huán)發(fā)動機提供動力。