■ 顏瑾釗 / 中國航發(fā)研究院

美國初創(chuàng)企業(yè)赫爾墨斯（Hermeus）公司于2020年3月完成了用于高超聲速飛機的渦輪基沖壓組合發(fā)動機縮比驗證機高速試驗。該公司于2019年5月宣布要研制一型最大巡航速度為Ma5、航程為7400km、載客20人左右的高超聲速客機，并初步計劃在21世紀20年代末投入商業(yè)運營。

自“協(xié)和”黯然退役以來，人們一直沒有放棄對超聲速客機的追求。進入21世紀，越來越多的國家和科研機構開始涉足高超聲速客機的研發(fā)。2011年，英國Hypermach公司宣布研制Sonic Star高超聲速公務機。2015年，歐洲和日本聯(lián)合開展未來高速運輸關鍵技術（HIKARI）研究計劃，研究和發(fā)展高超聲速商用飛機技術。2018年6月，波音公司發(fā)布高超聲速客機概念。2019年5月，又一家美國初創(chuàng)企業(yè)——赫爾墨斯（Hermeus）公司宣布加入高超聲速客機研制之列。

赫爾墨斯公司高超聲速客機概念圖（來源：赫爾墨斯公司）

空中交通運輸?shù)母镄抡?/h2>

赫爾墨斯公司成立于2018年，總部位于美國亞特蘭大。公司以希臘神話中掌管旅行、交通和商業(yè)的神Hermes的名字命名，創(chuàng)始人認為高速旅行不應該只屬于神靈，所以在后面增加了“我們”（us）一詞，表達其“用前所未有的速度連接世界”的愿景。

赫爾墨斯公司提出的高超聲速客機可以將紐約和倫敦之間的空中旅行時間從7h縮短至90min，主要面向高端商務旅客，單程票價約為3000美元。該公司計劃先在5年內研發(fā)一型Ma5的驗證機，在21世紀20年代末投入商業(yè)運營。

赫爾墨斯公司的4位創(chuàng)始人都來自美國時代軌道（Generation Orbit）發(fā)射服務公司，其中A. J.皮普利卡擔任首席執(zhí)行官（CEO），其余3位擔任技術主管，曾共同參與美國空軍的X-60A高超聲速飛行器的研發(fā)工作。同時，赫爾墨斯公司還成立了顧問委員會，成員均是來自航空科技、私人和商業(yè)航空以及監(jiān)管等領域的專業(yè)人士，包括藍色起源前董事長、洛克希德-馬?。羼R）公司前執(zhí)行副總裁、美國聯(lián)邦航空局（FAA）前副局長等。這些顧問將從安全、市場、技術和發(fā)展等方面幫助赫爾墨斯公司制定公司戰(zhàn)略，以加速創(chuàng)新，實現(xiàn)公司愿景。

采用成熟技術以提高可實現(xiàn)性

盡管擁有技術基礎扎實的研發(fā)團隊和經(jīng)驗豐富的顧問委員會，但要在如此短的時間內研制一型全新的高超聲速客機并實現(xiàn)商業(yè)運營也是頗有難度的。因此，赫爾墨斯公司自啟動之初便明確提出，飛機的設計將圍繞現(xiàn)有和近期可實現(xiàn)的機體、材料、系統(tǒng)和推進技術進行，并立足于使其能夠在對當前航空基礎設施進行最小改動的情況下運行，包括采用常規(guī)的航空燃油、兼容現(xiàn)有的機場跑道等。

從目前披露的信息來看，確實處處體現(xiàn)了“做工程而非科學”的基本遵循。在速度指標上，赫爾墨斯公司與波音公司的高超聲速客機概念方案一樣，選擇了Ma5。

對于商務出行而言，時間是一個非常重要的要素，其核心在于人們究竟希望花多長時間來完成一段旅行。超聲速并不算快，因為僅僅是超聲速還無法實現(xiàn)在一天之內完成跨洋往返飛行。而能夠在一天內往返，對于民航班機來說非常重要。波音公司研究了在當前網(wǎng)絡環(huán)境下以更高巡航速度飛行的潛在優(yōu)勢，包括縮短飛行時間、提高資產利用率以及增加創(chuàng)收等。根據(jù)估算，以Ma5速度巡航即可完成2h左右跨大西洋飛行或3h左右跨太平洋飛行，這將是一個革命性的突破。而速度達到Ma5以上，速度提升帶來的邊際收益在減小，而邊際成本卻在增加。更高的速度可能意味著更大的推力和更高的油耗，也會更晚投入運營。因此，波音公司認為，Ma5是高超聲速飛機在民用和非運輸類軍用之間的速度分水嶺?？梢?，速度是影響技術難度進而決定研制進程的核心指標，而將速度限制在Ma5是項目在短期內具備可實現(xiàn)性的關鍵。

材料方面，當飛行速度超過Ma5后，燃燒室內的總溫、前緣部件的溫度等將超出現(xiàn)有材料能承受的范圍。以實際飛行過的X-15試驗機為例，在Ma5的真實飛行環(huán)境下，機頭和翼根處記錄到的溫度分別是600℃和718℃；根據(jù)預測分析，一旦飛行速度達到Ma8，這兩處的平衡溫度將分別飆升至2200℃和1700℃。溫度升高若超出輕質材料的耐受范圍，則需要采用鎳基高溫合金材料；若再超過高溫合金的極限，則必須采用陶瓷基復合材料，而這些材料已然超出了目前能夠成熟應用的技術范疇。

動力方面，赫爾墨斯公司將采用渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動機。此前，美國國防預先研究計劃局（DARPA）經(jīng)過長期預研和論證，已經(jīng)在2016年明確了全尺寸TBCC發(fā)動機是高超聲速飛機動力系統(tǒng)的最佳解決方案。一般認為，Ma5是選擇亞燃沖壓發(fā)動機或超燃沖壓發(fā)動機的分界線：當速度低于Ma5時，采用亞燃沖壓發(fā)動機；當速度高于Ma5時，采用超燃沖壓發(fā)動機。赫爾墨斯公司認為，雖然超燃沖壓發(fā)動機已經(jīng)開展過大量研究，但距實際應用還需要20年左右的時間，而且必須依靠國家級的投入才行；而亞燃沖壓發(fā)動機在Ma5的條件下仍具有較高的比沖，且技術難度明顯小于超燃沖壓發(fā)動機。因此，將最大巡航速度限制在Ma5意味著不需要采用超燃沖壓發(fā)動機，從而可以簡化推進系統(tǒng)。

在機體方面，從目前披露的概念圖來看，飛機采用大后掠三角翼無平尾加雙垂尾布局，翼尖部分采用了可彎折變體翼尖設計。此翼尖在起降和低速段呈平直或小角度彎折狀態(tài)，在高速飛行時則會大角度向下彎折，以強化乘波效應、顯著增加升力，同時也可起到垂直安定面的作用，提高高速飛行狀態(tài)的航向穩(wěn)定性。推進系統(tǒng)布置在機體腹部，利用前機體壓縮效應，配合機腹進氣方式對來流空氣增壓。

TBCC縮比驗證機試驗（來源：赫爾墨斯公司）

已完成TBCC縮比驗證機靜態(tài)和高速試驗

自2019年5月公布高超聲速客機研制計劃后，赫爾墨斯公司將發(fā)展推進系統(tǒng)作為其宏偉計劃的首要任務。研發(fā)團隊用6個月的時間在亞特蘭大迪卡爾布-皮奇特里機場的一個改裝后的集裝箱中搭建了試驗設施，并開展了100多次發(fā)動機試驗；僅用9個月的時間，便在2020年3月完成了TBCC縮比驗證機的海平面靜態(tài)試驗和高速模擬試驗（達到Ma5）。其中海平面靜態(tài)試驗在赫爾墨斯公司位于亞特蘭大的內部試驗臺完成，而高速試驗在普渡大學完成。

本輪試驗所用的縮比驗證機由現(xiàn)貨渦噴發(fā)動機、內部開發(fā)的預冷器、亞燃沖壓發(fā)動機，以及渦輪組件與沖壓組件共用的進氣道和噴管組成。其中渦噴發(fā)動機的工作范圍是Ma0～3.3，模態(tài)轉換區(qū)間為Ma2.8～3+，之后由亞燃沖壓發(fā)動機繼續(xù)加速至Ma5。迄今為止，試驗主要集中在組合動力中各動力單元單獨運行的試驗，接下來將著手模態(tài)轉換這一關鍵技術的驗證。

赫爾墨斯公司拒絕透露預冷裝置和渦輪發(fā)動機的詳細信息，但皮普利卡稱，發(fā)動機很小，尺寸介于JetCat發(fā)動機和威廉姆斯國際公司的發(fā)動機之間。JetCat微型渦輪發(fā)動機推力大約在100N量級，而威廉姆斯國際公司的明星產品FJ44系列小型渦扇發(fā)動機推力在10～20kN之間，直徑約為0.5m，由此推測赫爾墨斯公司所用的發(fā)動機推力可能在1kN量級。

赫爾墨斯公司通過其社交平臺公開了試驗現(xiàn)場的照片。圖中可見，試驗樣機采用二維噴口設計，帶有控制噴管收擴的裝置，噴管前端的疑似沖壓發(fā)動機或渦輪加力燃燒室部分呈圓截面構型，試驗臺處于開放式環(huán)境中，應是在進行海平面靜態(tài)試車。未見進氣道、預冷裝置和渦輪發(fā)動機。根據(jù)照片亦可推測該TBCC縮比驗證機可能采用了串聯(lián)式布局。

此外，赫爾墨斯公司還透露已經(jīng)在普渡大學的實驗室開展了進氣道直連試驗，并認為進氣道的研制是推進系統(tǒng)乃至整個飛機最困難的部分，至今尚未攻克，接下來還將利用其他試驗設施開展更多的進氣道試驗。

通過縮比驗證機和現(xiàn)有的硬件，赫爾墨斯公司得以快速而有效地降低技術風險并成倍地削減試驗成本。如果進行全尺寸試驗可能要花費幾千萬甚至幾億美元，而采用縮比驗證機，并充分利用美國國內的試驗設施，則花費要低得多。而且，增材制造的廣泛使用也有助于節(jié)省成本和時間。據(jù)赫爾墨斯公司透露，其成本比DARPA的先進全狀態(tài)發(fā)動機（AFRE）項目降低了近兩個數(shù)量級。

AFRE項目旨在研發(fā)和驗證一種能夠在Ma0～5+范圍內無縫工作的TBCC發(fā)動機，滿足航程大于2200km、速度大于Ma5，且飛行高度大于18000m的高超聲速飛行器的要求。該項目采用羅羅公司的F405發(fā)動機作為基準渦輪發(fā)動機，地面推力約為30kN，直徑約為0.6m。根據(jù)最新預算，AFRE項目總投入達到約1.4億美元，將在2021年完成一型Ma5級高超聲速飛機用全尺寸TBCC發(fā)動機地面集成驗證。

渦噴發(fā)動機和沖壓發(fā)動機共用同一噴管（來源：赫爾墨斯公司）

面臨諸多挑戰(zhàn)，任重而道遠

環(huán)境要求

對于一型商用飛機來說，技術成功和市場成功兩者缺一不可。高超聲速客機投入商業(yè)運營除了要解決一系列技術難題之外，還要面臨乘客的接受能力和運營舒適度等挑戰(zhàn)。盡管美國的X-42、X-51高超聲速無人試驗飛行器速度已經(jīng)能夠達到Ma5以上，但在將該技術應用到商用領域時，還必須考慮到人體的承受極限和對環(huán)境的影響。同時，超聲速客機想要重返民用航空市場還需要經(jīng)過適航認證的考驗，其中最難的就是解決聲爆問題。

聲爆是指超聲速飛行器在突破聲障時產生的巨大能量傳到地面形成的短暫而強烈的爆炸聲。目前FAA規(guī)定，禁止民航客機飛行速度超過Ma0.99；國際民航組織（ICAO）也規(guī)定，禁止任何民用飛行器制造“聲波干擾”。當然，ICAO已在2019年2月得出結論，認為現(xiàn)有的標準不足以涵蓋更高速的飛機，正在推進新標準的修訂工作；國際清潔交通委員會（ICCT）也認為，在陸地上空嚴格限制超聲速可能會影響新技術的應用，這意味著制造商現(xiàn)在很難將超聲速客機推向市場。但要想改變現(xiàn)有的民用航空管理條例，高超聲速客機必須展示出優(yōu)異的降噪性能。

赫爾墨斯公司4位創(chuàng)始人在首臺發(fā)動機前留影（來源：《亞特蘭大人》期刊）

融資壓力

“協(xié)和”飛機的開發(fā)成本約為70億美元，波音公司和空客公司的每一型商用飛機的研發(fā)費用均在25億～60億美元范圍內，如此規(guī)模的資金對于任何一家初創(chuàng)公司來說都堪稱天文數(shù)字。

赫爾墨斯公司曾在2019年5月宣布成功完成了由美國科斯拉風險投資公司（Khosla Ventures）牽頭的首輪融資，這筆資金將主要用于高超聲速推進系統(tǒng)的研發(fā)和驗證工作，并未透露具體金額。本輪發(fā)動機試驗已經(jīng)花費了百萬美元量級的經(jīng)費，如果進展順利，在近期完成TBCC模態(tài)轉換試驗之后，赫爾墨斯公司將著手啟動飛機整機的設計研發(fā)工作。赫爾墨斯公司表示將有至少兩架較小的驗證機用于試驗和迭代。在地面上構建Ma5的測試環(huán)境是非常困難的，這意味著必須進行飛行試驗，因此需要建設大量的硬件設施。有分析稱，赫爾墨斯公司近期密集地披露試驗進展可能也是出于融資壓力。所幸的是，太空探索技術公司（SpaceX）、藍色起源公司（Blue Origin）等公司的崛起讓投資者愿意相信，航空航天領域可以提供長期的財務回報， 赫爾墨斯公司或許也有能力讓投資者對其充滿信心。

人才需求

擴大研發(fā)團隊規(guī)模是赫爾墨斯公司近期面臨的又一挑戰(zhàn)。盡管團隊建設在短時間內已經(jīng)取得了較大進展，但與最終成功還有非常大的距離。材料與結構是高超聲速客機無法避開的技術難題，此外，還有模態(tài)轉換、寬速域氣動布局、綜合熱管理、飛發(fā)一體化等核心關鍵技術等待赫爾墨斯團隊一一攻克。赫爾墨斯公司計劃在今年年底將團隊人數(shù)從1月份的8人擴充至25人或30人。截至目前，已經(jīng)有一名空氣動力學工程師和一名機體機械工程師加入團隊，后續(xù)招聘的職位還包括航空電子工程師、飛行軟件工程師和動力機械工程師等。

結束語

近年來，人們對高超聲速旅行的再度關注，與更加成熟的材料和技術以及商業(yè)航天的崛起給投資者的信心不無關系。赫爾墨斯公司的方案目前表現(xiàn)出較高的可行性，但綜合美國發(fā)展高超聲速飛行器的歷程來看，拋開飛機的全新設計、新材料的生產應用等問題不談，僅飛行試驗就需要10年時間。再考慮到市場、法規(guī)、環(huán)保要求等因素，高超聲速客機在未來10～20年內投入運營的前景似乎并不樂觀。赫爾墨斯公司提出的幾乎是一個不可能完成的任務。但鑒于其創(chuàng)始人團隊與美國空軍的合作經(jīng)歷，而且方案明確采用航空燃油使其具備了軍事應用的潛力，該項目后期或有可能得到美國軍方的支持；又或者公司在利用商業(yè)資本取得技術突破后，被洛馬公司、波音公司等巨頭收購也未可知。當然人們更樂于看到，隨著技術的成熟、材料工藝的改進以及法規(guī)的完善更新，新一代高超聲速客機的命運或將與“協(xié)和”有所不同。