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來源： 返樸
作者： 崔凱（中國空氣動力學會科學傳播和普及工作委員會主任）
更快的速度，一直是飛機的主要追求目標。高超聲速飛機在軍事和民用領域均具有廣闊的套用前景，其在軍事領域更是被寄予厚望——「改變未來戰爭規則」的顛覆性技術之一。在最近的較短時期內，國際上有大量的高超聲速飛機計畫湧現，這是否意味著，高超聲速飛機能夠很快投入實用了？
據美國防務新聞網等多家媒體報道，2024年11月，一家名為赫爾墨斯 （Hermeus） 的美國民營航空航天和國防技術公司，將大名鼎鼎的SpaceX公司的「星鏈」 （Starlink） 通訊系統模組整合到其研制的「誇特馬」 （Quarterhorse） Mk1高超聲速飛行器上並開展了測試。
據稱，對於像「誇特馬」這樣的高超聲速飛行器而言，在進入高速、高海拔環境時，保持穩定的通訊連線至關重要，而此次整合任務的首要目標就是利用「星鏈」實作穩健的超視距 （BVLOS） 指揮與控制。報道稱這次工作叠代十分快速，在赫爾墨斯公司決定使用「星鏈」系統的僅僅兩天後，SpaceX公司就向其交付了通訊終端。在第9天，赫爾墨斯對Mk1和「星鏈」進行了模擬；第15天完成了「星鏈」通訊系統模組在Mk1上的整合；第17天，赫爾墨斯公司透過「星鏈」連線控制Mk1成功實作滑行。整個流程僅用17天就全部完成。
對於此事，赫爾墨斯公司執行長皮普利卡 （Piplica） 稱，「這是向高超聲速航空的未來邁出了大膽的一步。這一突破凸顯了高超聲速技術與先進衛星通訊之間的協同作用，為航空領域的革命性發展鋪平了道路。」那麽，這是否意味著無人機已經開始進入高超聲速時代了呢？
整合了「星鏈」通訊系統模組的「誇特馬」高超聲速飛機。圖源：資料
什麽是高超聲速飛機？
高超聲速飛機是指飛行速度達到或者超過五倍聲速 （即5馬赫） 的飛機，其速度大概是現有戰鬥機的兩至三倍，以及民航飛機的五至六倍。由於速度成倍提升，高超聲速飛機在軍事和民用領域均具有廣闊的套用前景，甚至被美國空軍實驗室 （AFRL） 前司令官認為是「改變未來戰爭規則」的顛覆性技術之一。
更快的速度一直是飛機的主要追求目標，這一努力曾經在上世紀六十至七十年代達到過一次峰值。在軍事方面，美國當時研制了SR-71「黑鳥」高空高速偵察機，最快速度超過3馬赫，當其在前蘇聯上空執行偵察任務時，可以完全躲避當時的飛彈或者攔截機的攻擊，如入無人之境。在民航領域，英國和法國聯合研制了協和式超音速飛機，最大飛行速度可超過2倍音速，截至2003年全部退休，其在全球總飛行時長超過25萬小時，被稱為「航空史上的傳奇」。
美國SR-71「黑鳥」偵察機。圖源：網路
協和式超音速飛機。圖源：網路
隨著時間的推移，這兩種飛機最終都黯然離場，而且也沒有合適的替代產品出現。究其原因，主要並不在於其技術能力，而在於其用途過於單一或經濟性太差。例如，協和式飛機退休前每年的虧損金額超過四千萬美元，只能依靠政府補貼續命，但如此沈重的負擔最終導致政府也無法承擔。
雖然超聲速飛機的市場表現不佳，但有關的新型技術研發一直沒有中斷。近期，以美國X-59和XB-1為代表的新一代低音爆飛機相繼推出，或許超聲速飛機在不久的將來可以重回藍天。
令人感到意外的是，自上世紀九十年代以來，隨著相關技術的快速發展，高超聲速飛機的研發在世界範圍內開始得到重視，並迅速成為熱門領域。在市場預判方面，2021年德勤公司受美國國家航空暨太空總署 （NASA） 委托，對未來高速運輸市場前景開展了廣泛調研和細化分析，結果表明，作為一種遠端快速輸運工具，高超聲速飛機將在未來低成本空天往返、遠端快速偵察、更快速供應鏈的打造，以及高速電子商務的物流體系構建等套用場景中扮演主要角色。此外，伴隨近年來商業航天的崛起，也有大批資金湧入這一領域，在一定程度上助推了這個行業的快速發展。
高超聲速飛機的發展現狀
目前，世界各國已經披露的高超聲速飛機及相關整合技術的主要在研計畫如下表所示。
基於上述公開發表的資訊不難看出，目前在這一領域投入最多、進展相對最快的國家仍屬美國。而且，除了像波音和洛克希德·馬丁這樣的大型傳統武器承包商以外，相當多的計畫均由新興的商業航天公司提出並承擔。由此不難看出，社會商業資本對這一領域的興趣在不斷提升，這也從一個側面表明，該領域在未來將會更加具有活力。
就發展目標而言，目前正在推動的計畫主要圍繞三個不同層次的套用。第一層次的計畫主要面向開展高超聲速階段的相關空中試驗，雖然所開展的飛行試驗內容可以直接支撐高超聲速飛機的研制，但所研制的飛行器在嚴格意義上尚不能稱其為高超聲速飛機。該類計畫以美國國防部國防創新單元 （DIU） 委托澳洲Hypersonix發射系統公司開發的「飛鏢AE」計畫為典型代表。該飛行器長僅為9.8英尺 （約3公尺） 、重量僅為660磅 （約300公斤） 。
「飛鏢AE」飛行器效果圖。 圖源：澳洲Hypersonix公司
第二層次的計畫為研發高超聲速技術驗證機，如美國萊多斯公司的「混亂 （Mayhem） 」計畫和赫爾墨斯公司的「誇特馬」均屬此類。這類飛機一般為實際飛機的一定尺寸縮比樣機，雖然本身不具有任何實際套用價值，但可以完整地演示高超聲速飛機的整個飛行軌跡，包括滑行、起飛、爬升、巡航、下降、著陸等一系列動作。如果驗證飛機能夠成功實作飛行，則標誌著相關的關鍵技術已經基本突破，並已具備開展實用化飛行器研發的基本條件。
「混亂」飛行器效果圖。 圖源：美國萊多斯公司
第三個層次的計畫則是研發真正用於實際的高超聲速飛機。如洛克希德·馬丁公司提出的SR-72飛機和波音公司提出的「女武神II （ValkyrieⅡ） 」飛機等，這兩個計畫的目標都是發展偵察/打擊一體化的軍用高速飛機。其中SR-72又被稱為「黑鳥之子」，即SR-71「黑鳥」飛機的更先進替代者。SR-72於2013年首次對外釋出，後續則鮮有關於此計畫的資訊。有報道稱，該計畫的研制經費一度危急，並直接影響了該計畫的實際進展。
SR-72高超聲速飛機效果圖。 圖源：美國洛克希德·馬丁公司
相比之下，「女武神II （ValkyrieⅡ） 」高超聲速飛機的釋出時間比SR-72晚了5年，於2018年釋出。不過僅僅在釋出四年後的2022年，就在美國航空航天學會 （AIAA） 的年度科技論壇和博覽會上給出了幾乎完全不同的新一輪飛機外形，這表明該計畫的進展明顯更快一些，在一定程度上也表明似乎該計畫的進展相較於SR-72計畫更順利一些。
波音公司2018年公布的「女武神II」高超聲速飛機效果圖。圖源：波音公司
波音公司2022年公布的「女武神II」高超聲速飛機效果圖。圖源：波音公司
高超聲速飛機何時能夠出現？
僅從大量的高超聲速飛機計畫在較短時期內爆發性湧現這一現象，就不難判斷，高超聲速飛機及其相關技術研發已經成為當下的國際大熱門。然而，這並不意味著高超聲速飛機能夠很快投入實用，這是因為無論是對於技術驗證飛行器還是實用化飛機而言，都尚有一系列關鍵技術問題乃至後續的社會性問題需要解決。
對於技術驗證飛行器而言，最大的技術障礙仍在飛機的動力系統。在高超聲速飛行環境和條件下，現有的渦輪發動機無法產生推力，這要求必須研發全新的動力系統。目前主要的技術途徑有兩條，一是采用基於超聲速燃燒沖壓發動機的組合動力系統，二是采用基於深度預冷技術的協同吸氣式火箭發動機 （SABRE） 。
超聲速燃燒沖壓發動機 （簡稱「超燃發動機」） ，是一種全新的動力系統，也被認為是未來各類高超聲速飛行器最可能采用的發動機。該發動機在本世紀初就已經成功開展過多次飛行演示試驗。不過這種發動機僅在高速情況下才能產生推力，無法用於較低的飛行速度。為了解決這一問題，可以將超燃發動機與其他現有發動機有機結合，在不同的速度範圍內采用不同的發動機形式。按照這一思路，將超燃發動機與渦輪發動機組合，可以形成渦輪基組合迴圈發動機 （簡稱TBCC） ；與火箭發動機組合使用，可以形成火箭基組合迴圈發動機 （簡稱RBCC） 等。美國SR-72飛機和「女武神II」飛機的現階段方案都采用了TBCC動力裝置。
SR-72飛機采用的TBCC動力系統概念圖。圖源：洛克希德·馬丁公司
雖然基於超燃發動機的動力方案在思路上並不復雜，但在工程實作上仍面臨「推力陷阱」、燃燒有效組織、寬速域進排氣系統研發、熱管理等一系列問題。因此基於目前的技術發展現狀看，達到實用化仍需較長時間。
基於深度預冷技術的SABRE發動機采用的技術途徑與超燃發動機不同，這種發動機采用特殊的快速冷卻裝置，可以在0.05秒的時間內將流入的空氣溫度迅速降低，進而流入發動機與燃料混合燃燒，產生有效的推力。該方案是英國專註發動機研發的初創公司「反應引擎 （Reaction Engines） 」公司的主攻方向，並於2019年就成功完成了地面試驗。歐洲航天局 （ESA） 、NASA都曾對該公司大幅註資。
SABRE發動機工作原理圖。圖源：NASA，Reaction Engines公司
令人感到十分突然和意外的是，反應引擎公司於2024年10月份正式宣告破產，200多名員工也隨之被遣散。雖然具體破產原因並沒有披露，但一般的猜想是這條途徑可能存在較大的障礙，短期內難以解決，從而導致投資者失去信心。值得一提的是，「誇特馬」所采用的發動機系統仍是這條途徑。據稱，赫爾墨斯公司目前正在開發其自己的預冷系統，並將與美國著名的普拉特·惠特尼公司所生產的F100發動機整合，作為其高超聲速飛機的發動機。但後續發展具體如何尚有待時間檢驗。
即便發動機技術獲得突破，並依托技術驗證飛機實作完整的飛行過程，高超聲速飛機的實用化也面臨諸多問題，其中最突出的一個就是有效的裝載空間。技術驗證飛機一般僅僅用於飛行測試，飛行距離相對較短，無需裝載人員和貨物等，燃料消耗也相對較少，因此其內部空間需求相對較小。而對於實用化飛機而言，足夠的裝載空間則是必須考慮的。協和式飛機被乘客詬病的重要一點，就是狹小的內部空間導致乘坐舒適性大幅降低。從現在已有方案來看，計劃研制的高超聲速飛機內部空間將比協和式飛機更小。這是由於較扁平的內部空間一般有利於航程的增加。因此，如何在保證有效航程的條件下提高內部裝載空間，將是後續實用化高超聲速飛機研發中不可回避的問題，這可能需要對飛機的外形進行大幅改進。此外，高速飛行所導致的噪音、排放、安全性，以及乘客心理畏懼性反應等一系列技術和社會問題等，也是實際套用中所必需考慮和解決的。
高超聲速飛機一定是無人機麽？
「誇特馬」整合「星鏈」通訊模組並進行測試，這表明這架技術驗證飛機未來一定會以無人機的形態出現。不過，這並不意味著無人機形態會是高超聲速飛機的唯一選擇。實際上，赫爾墨斯公司已明確提出其發展計劃，在「誇特馬」試驗飛機的基礎上，未來將以14座的高超聲速公務機「翡翠鳥 （Halcyon） 」為主要發展願景。對於一架有乘客的飛機而言，如果沒有駕駛員，會讓乘客產生極為強烈的安全感缺失，因此，采用有人機的形態可能性更大。
未來的高超聲速飛機到底采用何種形態，目前仍無定論，從目前推出的各個計畫來看，飛機的形態主要取決於其任務模式。例如，對於SR-72和「女武神II」這樣的軍用飛機，其未來使用模式主要是遠端快速偵察和打擊，采用無人機形態將會有效降低飛行員損失的風險，這是美軍一直以來的發展目標。因此，在相關機構披露這些計畫的有關資訊時已明確指出，會采用無人駕駛的方式。而對於其他用途的飛機，在一定意義上仍取決於未來無人駕駛技術的發展情況，以及乘客的心理接受程度。
不過，「誇特馬」與「星鏈」整合並開展測試，這標誌著SpaceX公司的「星鏈」系統已經開始真正用於在全球範圍內對各類無人飛行器實施遠端控制。實際上，在「誇特馬」整合「星鏈」通訊模組的同時，另一家美國初創公司，Boom超聲速公司也在其超聲速無人試驗飛機XB-1上完成了類似的工作。這意味著未來的無人飛機可能會以更大的規模部署「星鏈」通訊模組。試想未來有一天，數架不明意圖的無人機悄然出現在我們頭頂，而其「飛手」則遠在數千裏外遙控操作，這無疑是一件令人煩擾的事情，或許這更應該引起我們的警覺和關註。
參考文獻
[1] https://www.thedefensenews.com/news-details/Hermeus-Integrates-Starlink-with-Hypersonic--Quarterhorse-Mk-1-Aircraft/
[2] https://www.163.com/dy/article/JH81IE790511BLFD.html
[3] https://baijiahao.baidu.com/s?id=1795910670943187847&wfr=spider&for=pc
[4] https://spacenews.com/spaceplane-developer-reaction-engines-goes-bankrupt/
[5] 潘銳，趙力群，國外高超聲速飛機發展分析，航空科學技術，2023，34 (11)
