超聲速民機(jī)動力發(fā)展分析

■ 韓玉琪/中國航發(fā)研究院

超聲速民用飛機(jī)對于跨洋航線等長距離、長航時航線具有顯著優(yōu)勢，是未來民機(jī)發(fā)展的重要方向。近年來，隨著包括動力在內(nèi)的航空技術(shù)水平的提升，傳統(tǒng)的制約民用超聲速飛行發(fā)展的因素逐漸消除，超聲速民機(jī)再次成為全球航空業(yè)的研究熱點(diǎn)。

超聲速飛行并非新鮮事物，早在1947年便首次實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代，“協(xié)和”號和圖-144等第一代超聲速民機(jī)投入運(yùn)營，美國、日本和歐洲等國家和地區(qū)為搶占世界民機(jī)技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)，始終在積極開展技術(shù)預(yù)研。隨著包括動力在內(nèi)的航空技術(shù)水平的提升，近期有眾多商業(yè)公司，尤其是初創(chuàng)公司，推出了超聲速民機(jī)產(chǎn)品規(guī)劃。縱觀超聲速民機(jī)的發(fā)展歷程，始終受制于高空空氣污染、機(jī)場附近噪聲和巡航聲爆等諸多難題，而動力裝置的發(fā)展無疑是解決上述難題的關(guān)鍵。

“協(xié)和” 號（左） 與圖-144飛機(jī)

總體情況

早期發(fā)展

英法合作研制的“協(xié)和”號飛機(jī)于1976年服役，依靠政府補(bǔ)貼勉強(qiáng)維持商業(yè)運(yùn)營至2003年?！皡f(xié)和”號飛機(jī)巡航速度為馬赫數(shù)（Ma）2.02，配裝了4臺奧林帕斯（Olympus）593 MK610渦噴發(fā)動機(jī)，單臺推力169.32kN。蘇聯(lián)研制的圖-144飛機(jī)1975年服役，1984 年全部退出商業(yè)航線飛行，其中載客運(yùn)營僅半年時間，巡航速度為Ma2.2，配裝了4臺NK-144渦扇發(fā)動機(jī)，單臺推力196.2kN， 或4臺RD-36-51渦 噴 發(fā)動機(jī)，單臺推力200kN。這兩者運(yùn)營中均存在油耗高、航程短、載客少、使用成本昂貴、起降噪聲大和聲爆問題嚴(yán)重等缺陷，而上述缺陷大多可歸結(jié)為存在“動力不適”的問題。

各國掀起研發(fā)熱潮

美國從未停止過超聲速民機(jī)相關(guān)技術(shù)的研究，美國國家航空航天局（NASA）的“N+3”計(jì)劃（2008—2035年）提出了“三步走”策略，即按照聲爆水平、機(jī)場噪聲、巡航速度、污染物排放、航程、載客量和油耗等牽引指標(biāo)從小到大、從易到難，分為3個階段開展技術(shù)攻關(guān)，以確保所有技術(shù)在2035年達(dá)到技術(shù)成熟度6級。

俄羅斯仍在開展新型超聲速公務(wù)機(jī)/小型客機(jī)的相關(guān)研究，過程中非常重視改善環(huán)保性，采用了一系列先進(jìn)技術(shù)以滿足相關(guān)國家的適航標(biāo)準(zhǔn)。同時，俄羅斯也沒有放棄由軍機(jī)改型發(fā)展超聲速民機(jī)的做法，研究在圖-22M、圖-160轟炸機(jī)基礎(chǔ)上衍生發(fā)展超聲速公務(wù)機(jī)的可行性，俄羅斯的新一代超聲速公務(wù)機(jī)/小型客機(jī)有望在10年后陸續(xù)面世。

歐洲在航空領(lǐng)域保持著技術(shù)創(chuàng)新的傳統(tǒng)，對超聲速/高超聲速飛機(jī)始終予以高度重視。歐洲航天局（ESA）自2005年起實(shí)施長期先進(jìn)推進(jìn)概念與技術(shù)（LAPCAT）計(jì)劃，第一階段開展巡航速度為Ma4.5、Ma5和Ma8的3種概念飛行器研究，第二階段開展載客量300人、巡航速度分別為Ma5和Ma8的兩種飛行器的后續(xù)研究。

日本多年來致力于新一代超聲速民機(jī)技術(shù)的研發(fā)。日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（JAXA）在1997—2006年主導(dǎo)實(shí)施了國家超聲速運(yùn)輸機(jī)試驗(yàn)（NEXST）計(jì)劃，隨后又開展了后續(xù)的靜音超聲速技術(shù)論證（S3TD）計(jì)劃，對相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究驗(yàn)證，使飛行器具備低聲爆、低噪聲、低排放和超聲速巡航飛行能力。在此基礎(chǔ)上，JAXA提出了一種高升阻比、低噪聲、巡航速度Ma2以上、載客200 ～300人、航程11000km的超聲速民機(jī)方案。與“協(xié)和”號飛機(jī)相比，該方案聲爆強(qiáng)度降低50%、噪聲降至1/10、氮氧化物排放降至1/4，且運(yùn)營票價僅相當(dāng)于波音747飛機(jī)的1.3倍。

商業(yè)公司推出系列產(chǎn)品規(guī)劃

各商業(yè)公司的產(chǎn)品規(guī)劃主要針對Ma2級別（Ma1.4 ～2）和Ma5級別的民機(jī)，Ma2級別的民機(jī)計(jì)劃于2025—2030年投放市場，Ma5級別的民機(jī)計(jì)劃于2030—2050年投放市場。美國博姆（Boom）公司提出的“序曲”（Overture）飛機(jī)巡航速度為Ma1.7，計(jì)劃2029年進(jìn)入市場。美國斯派克（Spike）公司提出的S-512飛機(jī)巡航速度為Ma1.6，計(jì)劃2025年實(shí)現(xiàn)交付。美國Exosonic公司提出了靜音超聲速客機(jī)概念，巡航速度為Ma1.8，計(jì)劃2029年飛機(jī)通過認(rèn)證。俄羅斯圖波列夫公司提出的超聲速公務(wù)機(jī)巡航速度為Ma2，計(jì)劃2026年完成詳細(xì)設(shè)計(jì)。美國赫爾墨斯（Hermeus）公司2019年公布了Ma5級高超聲速民用飛機(jī)，初步目標(biāo)是在2030年前投入商業(yè)運(yùn)營。波音公司2018年提出了Ma5級別的民用客機(jī)，投入運(yùn)營的時間點(diǎn)大概是2040年。

超聲速民機(jī)對動力裝置的需求

超聲速民機(jī)對動力裝置的要求為“四低一高”：低聲爆、低噪聲、低排放、低油耗和超聲速巡航高推力。

感覺聲壓級75dB是陸地上空超聲速飛行的可接受聲爆水平，“協(xié)和”號飛機(jī)超聲速飛行時的地面聲爆高達(dá)108dB，因而被多個國家禁止在陸地上空進(jìn)行超聲速飛行，而目前國際先進(jìn)的超聲速民機(jī)的聲爆水平為80 ～85dB。

大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)是當(dāng)前亞聲速民機(jī)的主流動力，但其無法用于超聲速飛行。小涵道比渦扇發(fā)動機(jī)和渦噴發(fā)動機(jī)可用于超聲速飛行，但因排氣速度較高導(dǎo)致起降階段噪聲較大，亞聲速時耗油率高、污染物排放量大，不是理想的超聲速飛行動力。同時，為實(shí)現(xiàn)超聲速巡航的經(jīng)濟(jì)性，新一代超聲速民機(jī)動力需要在滿足低聲爆、低噪聲、低排放、低油耗的同時，具備大推力以實(shí)現(xiàn)無加力超聲速巡航。

對于Ma2級別的民機(jī)，為了兼顧起降時的低排氣速度、亞聲速巡航時的低耗油率、超聲速巡航的大推力等矛盾需求，適合采用變循環(huán)發(fā)動機(jī)（VCE）。對于Ma5級別的民機(jī)，結(jié)合傳統(tǒng)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)和沖壓發(fā)動機(jī)各自的高效率工作范圍，適合以兩者為基礎(chǔ)形成渦輪基組合循環(huán)（TBCC）發(fā)動機(jī)。

超聲速飛機(jī)的軍民兩用特征

超聲速民機(jī)及其動力稍做改動后即可用于軍用運(yùn)輸、偵察監(jiān)視和信息對抗等任務(wù)，提升作戰(zhàn)支援保障能力。赫爾墨斯公司與美國空軍合作開展快速評估Ma5飛機(jī)的改裝以實(shí)現(xiàn)軍事用途，該公司于2021年7月獲得美國空軍授出的為期3年的6000萬美元科研合同，要求完成一型渦輪基沖壓組合發(fā)動機(jī)的飛行驗(yàn)證和3架“夸特馬”（Quarterhorse）高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)的研制試飛等工作，這是美國空軍近十余年以來首個高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)研制項(xiàng)目，也是美國航空業(yè)正式獲得軍方投資開展的高超聲速飛行驗(yàn)證機(jī)研制項(xiàng)目。

近期進(jìn)展

NASA的X-59飛機(jī)

NASA和洛克希德-馬丁（洛馬）公司合作設(shè)計(jì)、開發(fā)、制造和飛行測試X-59靜音超聲速技術(shù)（Quesst）驗(yàn)證機(jī)，旨在收集超聲速噪聲信號的數(shù)據(jù)，可用于對地面超聲速飛行禁令的重新評估。X-59飛機(jī)的巡航高度為16800m，巡航速度為Ma1.4；動力裝置為1臺F414-GE-100渦扇發(fā)動機(jī)，推力為98kN。2022年，X-59飛機(jī)進(jìn)行了縮比模型低速風(fēng)洞測試，確認(rèn)了飛控數(shù)據(jù)；2022年11月，F(xiàn)414-GE-100發(fā)動機(jī)被安裝在X-59上，表明X-59即將完成整機(jī)組裝，經(jīng)過一系列地面試驗(yàn)，將于2023年首飛；在聲學(xué)驗(yàn)證試驗(yàn)之后，將于2025年左右開始數(shù)據(jù)收集飛行，目標(biāo)是及時將數(shù)據(jù)提交給國際民航組織（ICAO），隨后ICAO將審議超聲速標(biāo)準(zhǔn)。

博姆的“序曲”飛機(jī)

2022年1月，博姆公司開始測試為其XB-1超聲速驗(yàn)證機(jī)提供動力的J85渦噴發(fā)動機(jī)，XB-1地面測試將驗(yàn)證所有飛機(jī)系統(tǒng)的功能，并確定每個系統(tǒng)是否符合或超過技術(shù)指標(biāo)。2022年12月，博姆公司與克雷托斯（Kratos）公司合作，為其“序曲”超聲速飛機(jī)研發(fā)發(fā)動機(jī)“交響樂”（Symphony）?！靶蚯憋w機(jī)配裝4臺發(fā)動機(jī)，搭載65 ～88名乘客，巡航速度Ma1.7，航程7871km，能將跨大西洋飛行時間縮短至3.5h。預(yù)計(jì)首架“序曲”飛機(jī)將于2026年出廠，次年開始試飛，目標(biāo)是在2029年獲得認(rèn)證?！敖豁憳贰笔且恍碗p轉(zhuǎn)子中等涵道比渦扇發(fā)動機(jī)，設(shè)計(jì)特點(diǎn)包括：軸對稱超聲速進(jìn)氣道、低噪聲設(shè)計(jì)的單級風(fēng)扇、被動冷卻的高壓渦輪、無加力燃燒室、可變幾何形狀的低噪聲噴管。

赫爾墨斯的系列飛機(jī)

2022年6月，赫爾墨斯公司宣布，已完成首架高超聲速飛機(jī)“夸特馬”的TBCC發(fā)動機(jī)“奇美拉”（Chimera）的地面試驗(yàn)，驗(yàn)證了該發(fā)動機(jī)可在地面上實(shí)現(xiàn)全狀態(tài)運(yùn)行。2022年11月，赫爾墨斯公司完成“奇美拉”發(fā)動機(jī)的模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)：在低速時，“奇美拉”處于渦噴發(fā)動機(jī)（采用的J85）模式；當(dāng)速度達(dá)到Ma2時，“奇美拉”的預(yù)冷器可降低來流溫度以提高渦噴發(fā)動機(jī)性能；當(dāng)速度達(dá)到約Ma3時，切換到?jīng)_壓發(fā)動機(jī)模式。按計(jì)劃，赫爾墨斯公司將在2023年對“夸特馬”進(jìn)行首飛。同時，赫爾墨斯公司正在加速開發(fā)下一代“黑馬”（Darkhorse）高超聲速無人機(jī)，“黑馬”將采用TBCC發(fā)動機(jī)“奇美拉”II。2022年12月，赫爾墨斯公司宣布采用普惠F100渦扇發(fā)動機(jī)作為“奇美拉”II的渦輪部分，這將為赫爾墨斯公司節(jié)省數(shù)十億美元的研發(fā)成本和數(shù)年的研發(fā)時間。2023年3月，赫爾墨斯公司確定了F100發(fā)動機(jī)的基準(zhǔn)性能，在此基礎(chǔ)上，對“奇美拉”II發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣道、涵道系統(tǒng)、預(yù)冷器、沖壓燃燒室和排氣噴管等部件進(jìn)行了改造。F100能夠?qū)w機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)加速到Ma2.8，然后過渡到?jīng)_壓模態(tài)，進(jìn)而將飛機(jī)加速至Ma5的目標(biāo)速度。赫爾墨斯公司計(jì)劃在2024年進(jìn)行“奇美拉”II發(fā)動機(jī)測試?；凇昂隈R”平臺開發(fā)、飛行試驗(yàn)、適航和運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)，可為赫爾墨斯公司開發(fā)的商用20座、Ma5級高超聲速客機(jī)“翡翠鳥”（Halcyon）提供參考。

“交響樂”發(fā)動機(jī)

“奇美拉”發(fā)動機(jī)完成模態(tài)轉(zhuǎn)換試驗(yàn)

結(jié)束語

超聲速民機(jī)可持續(xù)牽引先進(jìn)航空技術(shù)研發(fā)，是世界民機(jī)技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。同時，有預(yù)測認(rèn)為，新一代超聲速民機(jī)有望在2025—2030年投入商業(yè)客運(yùn)，將極大改變商用航空規(guī)則，超前布局新一代低噪聲、經(jīng)濟(jì)、安全、高效的綠色超聲速民機(jī)動力十分必要。