今年以來，波音公司陸續釋出了偵察/打擊型和載客型的高超聲速飛機概念，引發人們對高超聲速飛機及動力技術發展的關注。出於保密的原因，波音公司沒有透露更多的細節，只表示高超聲速飛機的渦輪基衝壓組合發動機（TBCC）技術已取得了相應的進展，為下一步開展技術驗證鋪平了道路。

偵察/打擊型高超聲速飛機概念

今年1月，波音公司在2018美國航空航天學會科技大會（AIAA SciTech 2018）上，公開展示了一個偵察/打擊型高超聲速飛機模型，這是繼2013年洛克希德-馬丁（洛馬）公司公佈SR-72高超聲速飛機概念之後，美國又一高超聲速飛機概念的高調亮相。

波音公司展示的偵察/打擊型高超聲速飛機概念模型

波音公司釋出的高超聲速客機概念

從此次展示的模型看，波音偵察/打擊型高超聲速飛機採用大後掠雙三角翼加雙垂尾佈局，機身有明顯的隆起脊背，機腹平坦，兩側有大後掠邊條。據專業人士分析，此設計既可以在高超聲速飛行時獲得乘波升力，又可以在起飛降落等低速飛行時依靠前部邊條產生的渦流獲得渦升力。機體隆起的脊背可提高機身容量，為任務載荷、燃料等留有充足空間。

截至目前，波音公司未透露其高超聲速飛機的具體指標，只表示飛行速度達到Ma5+，並特別強調了飛發一體化設計技術在其開展高超聲速飛機概念研究中的重要性。

波音公司的高超聲速飛機擬採用渦輪基衝壓組合（TBCC）發動機，包含常規渦輪發動機和雙模態亞燃／超燃衝壓發動機（TMRJ），二者共用進氣道和尾噴管。

波音公司在2014年和2016年分別獲得美國國防高階研究計劃局（DARPA）“先進全狀態發動機”（AFRE）專案和美國空軍TBCC飛行驗證機概念研究專案的經費支援。其動力系統的合作伙伴是諾斯羅普-格魯門（諾格）創新系統公司（原軌道ATK公司）。波音此次釋出的軍用型高超聲速飛機概念模型應為這些專案的研究成果。

波音公司計劃先研製一款F-16戰鬥機大小、採用單臺發動機的驗證機，主要用於飛行試驗；然後再推出一款SR-71偵察機大小、採用兩臺發動機的作戰飛機。波音公司計劃在21世紀20年代末期完成型號研製，使之成為SR-71“黑鳥”偵察機的後繼機。

高超聲速客機概念

今年6月，在2018美國航空航天學會航空大會（AIAA Aviation 2018）上，波音公司公佈了一個高超聲速客機概念，將由波音研究與技術部（BR&T）攜手波音民機集團（BCA）共同開展高超聲速客機研究，並對初始設計方案進行了多學科設計優化（MDO）。此次公佈的高超聲速飛機概念只是其多個高超聲速飛機設計方案中的一個。

據稱，波音的高超聲速客機的載客能力比現有的遠端公務機要大，但比波音737要小。波音的高超聲速客機將以Ma5速度巡航，是2003年退役的英法合作研製的“協和”號超聲速客機的2倍，橫跨大西洋的時間約為2h，橫跨太平洋的時間約為3h；巡航高度為29000m (95000ft)，比“協和”號高了9100m(30000ft)。

擬採用渦輪衝壓發動機

波音此次公佈的高超聲速客機方案選擇了Ma5作為其巡航速度。Ma5被認為是選擇亞燃衝壓發動機與超燃衝壓發動機的分界線：當速度低於Ma5時，採用亞燃衝壓發動機；而當速度高於Ma5時，採用超燃衝壓發動機。亞燃衝壓發動機的技術難度明顯小於超燃衝壓發動機，因此波音公司的高超聲速客機最終選擇了Ma5作為巡航速度。

與GE公司和普惠公司研發的三涵道自適應軍用發動機類似，波音公司的高超聲速飛機發動機只有一個進氣道和一個尾噴管，並採用軸對稱的環形佈局將渦輪元件包裹在其中，即在渦輪元件的外側，設計一個旁路進氣道，可直接將旁路空氣匯入位於發動機後部的衝壓燃燒室，而不必流經渦輪元件。

在隨飛機高速飛行時，該發動機會有渦輪元件功能全部關閉與部分關閉兩種狀態。據推測，因為衝壓發動機適合工作在Ma3以上，因此其全部關閉狀態應該出現在Ma3～5飛行速度的時刻。一般認為，渦輪元件與衝壓元件的臨界轉換速度為Ma2～3，而在該速度段，兩種動力形式都處於低效率狀態。因此，將渦輪元件功能部分關閉，採用兩種動力形式共同工作，可達到最佳組合工作效率。

擬採用“佩刀”發動機的預冷熱交換技術

先進的冷卻技術對於控制飛機系統、客艙和動力裝置的熱環境非常重要。波音公司擬採用英國反應發動機（Reaction Engines）公司正在研製的“協同吸氣式火箭發動機”（SABRE）—— 亦稱作“佩刀”發動機——的預冷熱交換技術。今年4月波音通過戰略投資成為反應發動機公司的股東。

“佩刀”發動機的預冷熱交換器

英國反應發動機公司成立於1989年，專注於“佩刀”發動機的研製。據稱，“佩刀”發動機的預冷熱交換器是一種結構緊湊和品質超輕的裝置，僅用0.05s的時間可將來流溫度從1000℃降至 -150℃。

預冷熱交換器位於高超聲速進氣道和渦輪壓氣機之間。當空氣進入進氣道時通過一個激波系，將動能轉換為熱能。氣流通過預冷器後，會沿軸向流動進入壓氣機。“佩刀”發動機的預冷器由數千個直徑很小的管道按螺旋狀排列組成，據稱此設計可以使熱交換效率達到95%左右。

波音公司還計劃用液態甲烷作為冷卻系統的組成部分，同時考慮採用液態甲烷與常規航空燃油(Jet A)的雙燃料體系。甲烷的優點是既可以用作冷卻劑又可以用作燃料，而且甲烷的熱值比JetA高，但其密度低，要付出體積代價。因此波音還需要研究兩者之間的最佳配比。

結束語

從波音公佈的資訊看，波音的高超聲飛機體現了軍民融合發展的理念，在氣動構型、動力裝置的選擇等關鍵技術領域都儘可能採用相同的設計和技術，並用同一款驗證機來驗證二者的共性技術。考慮到在取證過程中可能存在的一系列問題，波音的高超聲速客機可在未來二三十年內實現載客飛行。相比較而言，軍用型高超聲速飛機投入服役的時間會早一點，但取決與洛馬公司之間的競爭。畢竟，洛馬公司的高超聲速概念SR-72的提出要比波音早了5年，波音是否能後來居上，有待時間檢驗。

（qinghangwang）

（旋翼機、固定翼、直升機相關圖紙、資料）

文章源 | 網路