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2020年3月，美國初創公司Hermeus完成了高超聲速飛機渦輪基衝壓組合發動機（TBCC）縮比驗證機靜態和高速（達到了馬赫數5）試驗，並計劃在近期完成模態轉換試驗。公司目前把推進系統作為其高超聲速飛機事業的率先突破口，在不到一年的時間內取得了系列進展，但後續資金、人才和技術攻關才是真正考驗研發團隊的系列難題。
一、Hermues計劃充分利用成熟技術研發馬赫數5級高超聲速飛機
美國初創企業——Hermeus公司在2019年5月公開披露了馬赫數5級高超聲速民用飛機研發項目，計劃充分利用現有和短期內可實現的技術，研製一型最大巡航速度馬赫數5、載客20人左右、航程4000海里（約合7400千米）的高超聲速民用飛機，初步目標是在2020年代末投入商業運營。
.總體方案設計追求務實可行，儘量剋制技術創新
Hermeus公司目前披露的飛機概念圖顯示，該機採用了大後掠三角翼無平尾加雙垂尾佈局，其中三角翼在翼尖部分採用了類似XB-70（波音公司在上世紀70年代研發的馬赫數3級高速轟炸機驗證機）的可彎折變體翼尖設計，這種翼尖在起降和低速段呈平直開展或小角度彎折狀態，在高馬赫數狀態下會大角度向下彎折，以強化乘波效應，顯著增加升力，同時也起到了垂直安定面的作用增加高速飛行條件下的航向穩定性。
Hermeus高超聲速飛機概念方案想象圖（美國Hermeus公司圖片）
推進系統佈置在機腹，利用前機身壓縮效應，配合機腹進氣方式進行來流空氣增壓。採用由渦輪發動機與亞燃衝壓發動機組合而成的渦輪基衝壓組合（TBCC）發動機，其中渦輪發動機將採用現貨產品進行改進，前端加有一套預冷裝置，渦輪和衝壓採用共用的進氣道和尾噴口。從側視圖上可以看到明顯的類似X-51A的二元進氣道和尾噴管設計。該發動機採用常規的航空燃油。
Hermeus高超聲速飛機概念方案想象圖（美國Hermeus公司圖片）
Hermeus提出的方案構想除了變體機翼這一點外，總體上與洛馬和波音提出的高超聲速飛機方案基本趨同。況且，變體機翼方案已經在XB-70高速轟炸機驗證機上得到了驗證，也不是什麼新技術。雖然Hermeus公司也強調，這只是當前的概念方案，隨著設計和研究的深入還會不斷進行迭代修改，但已經明顯反映出Hermeus“只做工程師的事，不做科學家的事”的總體方針。
美國洛馬公司（上）2013年年底和波音公司（下）2018年年初公佈的高超聲速飛機方案。詳見廖孟豪先生2018年1月15日在本號發表的專欄文章：“美國波音公司公佈高超聲速飛機計劃，開啟雙雄爭霸新局面”（點擊題名可直接訪問）（美國《航空週刊與空間技術》照片）2.將最核心的速度指標控制在馬赫數5，以增加技術可實現性Hermeus公司認為，將速度限制在馬赫數5是該項目在短期內具備可實現性的關鍵。一方面是選材上的考慮。現有材料將可以支撐馬赫數5的飛行速度，一旦超過馬赫數5，燃燒室內的駐點溫度、前緣部件的溫度等將過高。以實際飛行過的X-15試驗機為例，X-15在馬赫數5的真實飛行環境下，在機鼻和翼根處記錄到的溫度分別是600℃和718℃。而根據預測分析，一旦飛行速度達到馬赫數8，這兩處部位的平衡溫度將分別飆升至2200℃和1700℃。這已經超過高溫合金的極限，必須要採用陶瓷基複合材料。這類材料已經超出了現在能夠熟練應用的技術範疇。另一方面是動力上的考慮。實現馬赫數5的飛行，很關鍵的一點在於不需要採用超燃衝壓發動機。Hermeus公司認為，超燃衝壓發動機雖然已開展過大量的研究，但要達到（在飛機上）實用還得需要20年左右的時間，且必須依靠國家級的投入才行，而亞燃衝壓發動機要在飛機上實用則完全可以通過商業資本來實現。且亞燃衝壓發動機在馬赫數5的條件下仍然具有較高的比衝。目前該TBCC方案涉及關鍵技術點在於實現渦輪與衝壓模態的轉換。
美國波音公司在2018年6月美國航空航天學會（AIAA）航空學術會議上公佈的馬赫數5級高超聲速民用飛機概念方案構想圖。詳見廖孟豪先生2018年8月15日在本號發表的專欄文章：“高超攻防2：波音展望高超運輸機；美軍空射高超助推滑翔導彈編號AGM-183A，助推器地面熱試車”（點擊題名可直接訪問）（美國波音公司圖片）二、本輪試驗主要完成了TBCC縮比驗證機渦輪和衝壓單元的地面試驗
Hermeus公司披露，本輪試驗分別在亞特蘭大試驗檯和普渡大學完成了TBCC發動機縮比驗證機的海平面靜態試驗和高速試驗。利用該縮比驗證機，目前已經完成了組合動力中各動力單元單獨運行的試驗，接下來就是完成模態轉換這個關鍵技術的驗證。
（1）關於試驗用的TBCC發動機縮比驗證機：包含一臺現貨渦輪發動機、一套實驗室狀態的預冷卻器和亞燃衝壓發動機，以及共用的進氣道和尾噴管。其中渦輪發動機的工作區間是0到馬赫數3.3，亞燃衝壓發動機是馬赫數2.8到5。Hermeus公司在2020年年初公開發布了數張沒有說明註釋的試驗現場圖片。試驗樣機採用了二元噴口設計，帶有控制尾噴口收擴的裝置，尾噴口前端的疑似衝壓發動機或渦輪加力燃燒室部分呈圓截面構型，進氣道、預冷裝置和渦輪發動機被故意隱藏。試驗檯處於開放式環境中，應該是在做海平面靜態試車。結合Hermeus披露的相關信息，該試驗樣機應該就是TBCC縮比驗證機。由此可進一步從圖片上推測，該TBCC縮比驗證機很可能採用了串聯式佈局。波音公司在2018年提出的馬赫數5級高超聲速民用飛機方案中明確強調採用的是串聯式TBCC發動機，並且同樣也嚴格限制飛機的速度不超過馬赫數5。
Hermeus在官方推特上發佈的試驗現場照片（美國Hermeus公司圖片）（2）關於TBCC縮比驗證機的尺寸：Hermeus目前還不能披露預冷裝置和渦輪發動機的具體信息，但透露“該發動機在尺度上比JetCat微型渦輪發動機（推力大約在十公斤量級）要大，比威廉國際的發動機（美國威廉國際公司的典型產品——FJ44系列小型渦扇發動機推力約在1000-2000公斤之間，直徑約0.5米）要小。”根據Hermeus發佈的現場圖片（下圖）大致推測，該縮比驗證機直徑約0.2米，推力可能在百公斤量級。該尺寸總體上與X-51A（其超燃衝壓發動機流道寬度約0.22米）的尺寸相當。
Hermeus在官方推特上發佈的試驗現場照片，從圖片上可大致推測試驗樣機的直徑約在0.2米左右（美國Hermeus公司圖片）（3）關於試驗檯和試驗樣機的研製進度和經費：從去年五月公佈高超聲速飛機研製計劃，研發團隊用六個月的時間從零開始利用集裝箱改裝搭建了一個簡易的試驗檯，並利用這個試驗檯進行了100多次試驗。用9個月時間完成了TBCC縮比驗證機的集成和高低速試驗。Hermeus公司透露，整個科研費用比DARPA“先進全狀態發動機”（AFRE）項目低兩個數量級。根據最新預算材料，AFRE項目總投入達到了約1.4億美元，將在2021年完成一型馬赫數5級高超聲速飛機用全尺寸TBCC發動機地面集成驗證。AFRE項目設計的TBCC發動機採用了羅羅公司F405發動機作為設計基準，該發動機地面推力約3噸，直徑約0.6米。
這也再次印證，發動機尺寸放大會導致科研經費呈數量級上的劇增。同時也表明，Hermeus研發團隊目前取得的成就離最終成功還有非常大的距離。此外，Hermeus公司還披露目前已在普渡大學的實驗室開展了一系列進氣道直連式試驗，並認為進氣道是推進系統甚至是飛機上最難的部件之一，今年下半年還將利用多個試驗設施深入開展更多進氣道試驗。
三、後續發展前景與挑戰1.團隊有基礎，項目有前景
Hermeus公司於2018年成立，創始人團隊集體來自美國時代軌道發射服務公司（Generation Orbit）正在承研的美空軍X-60A高超聲速飛行試驗平臺研發團隊，其中一人曾任CEO，三人任職技術主管，具有紮實的高超聲速飛行器研製經驗、技術和基礎。最關鍵的是，Hermeus提出的高超聲速民用飛機方案明確採用普通的航空燃油，而不是其他歐日等企業提出的氫燃料。這就在事實上掃除了該飛機可改型為軍用的最大障礙，完全具備軍事應用的潛力。加上創始人團隊與美空軍的合作經歷，該項目後期很有希望得到美國軍方的支持。因此，方案可行性高、團隊基礎較紮實、有軍用前景、有軍方合作經驗，該公司發展前景不可小覷。
2.面臨資金和人才短缺以及技術風險尚未見底等挑戰
Hermeus公司曾在2019年5月宣佈成功完成種子輪融資，但未披露具體數額，推測可能金額並不多，主要用於高超聲速推進系統的研發和測試工作。本輪試驗已經花費了百萬美元量級的經費。最近密集披露試驗進展可能也是出於融資壓力。如果進展順利，在近期完成TBCC模態轉換試驗後，將著手啟動飛機整機的設計研發工作。因此，創業團隊急需擴大研發團隊規模，並計劃今年內從當前的8人擴大到近30人。此外，團隊雖然在短時間內取得了較大進展，儘管團隊對材料有信心，但高超聲速飛機涉及的寬速域氣動佈局、進排氣、組合動力模態轉換、綜合熱管理以及飛發耦合等核心關鍵技術目前對於Hermeus團隊來說仍處於空白狀態。而即使這些關鍵技術都在地面上通過縮比試驗完成了驗證，距離真正形成飛機產品還有非常巨大的鴻溝，其中涉及的飛機設計體系、大型試驗設施、生產製造能力等一系列工程難題都很難想象是一個初創公司能解決的。
因此，Hermeus公司提出的“8-10年時間內完成首次商業飛行”幾乎是一個不可能完成的任務。當然或許這並不重要，公司真正的意圖或者最好的出路，也許是在利用商業資本取得一定技術突破後，被洛馬、波音或諾格這樣的巨頭收購，那應該也算是成功了。
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廖孟豪先生此前已為《空天防務觀察》提供50篇專欄文章，如下所列：
第篇，美空軍高超聲速飛機發展進展與展望，2015年3月2日；第2篇，美軍未來高超聲速導彈武器體系初露端倪，2015年3月16日；第3篇，美空軍SBIR/STTR計劃透露未來高超聲速飛機若干戰技指標，2015年6月29日；第4篇， 美國防高級研究計劃局準備開展高超飛機全尺寸渦輪基組合發動機地面集成驗證，2016年4月20日；第5篇，“排空馭氣奔如電，昇天入地求之遍”——深度解讀DARPA高超聲速飛機及其動力發展構想，2016年8月16日；第6篇，印度是不是第四個完成超燃衝壓發動機帶飛點火試驗的國家？，2016年9月19日；第7篇，美國防高級研究計劃局選定洛馬公司研製戰術級高超聲速助推滑翔彈演示驗證彈
，2016年9月21日；第8篇，英反作用發動機公司詳細披露“佩刀”空天發動機1/4縮比驗證機研製計劃，2016年9月23日；第9篇，洛馬再下一城——美國防高級研究計劃局選定洛馬公司研製戰術級高超聲速巡航導彈演示驗證彈，2016年9月25日；第0篇，美空軍正式公佈基於“佩刀”空天發動機的水平起降兩級入軌飛行器概念方案，2016年9月27日 ；第1篇，“三步走”變“六步走”——美空軍高超聲速飛機發展路線預測，2016年12月2日；第2篇，洛馬還沒笑到最後，波音已經痛失好局——美軍高超聲速巡航導彈最新動向，2016年12月5日；第3篇，2016年度國外高超聲速飛行器發展動向綜述，2017年2月17日；第 4篇，美國家科學院：美軍應加速對等發展高超聲速武器以應對中、俄威脅，2017年2月20日；第5篇，顛覆性創新：英國新興企業推出馬赫數5級混合動力高超聲速飛機概念，2017年2月27日；第6篇，美國智庫發佈報告，呼籲美軍將高超聲速武器納入“第三次抵消戰略”並加大加快預算投入，2017年4月21日；第7篇， 美空軍裝備採辦部門啟動高超聲速ISR飛機基礎科研項目，為裝備採辦奠定基礎，2017年4月26日；第8篇，需求、技術、預算正在齊備，美軍高超聲速導彈將隨時轉入裝備採辦，2017年7月21日；第9篇，“只爭朝夕”——美空軍正式啟動空射型高超聲速導彈裝備採辦，2017年7月23日；第20篇，透視美軍新型常規戰略武器——美海軍潛射型高超聲速助推滑翔導彈 ，2017年11月10日；第21篇，一衣帶水處，破浪又乘風——日本計劃啟動高速助推滑翔導彈關鍵技術開發及驗證項目，2017年11月29日；第22篇，美國高超聲速飛機技術在研項目佈局概況，2018年1月11日；第23篇，美國波音公司公佈高超聲速飛機計劃，開啟雙雄爭霸新局面，2018年1月15日；第24篇， 2017年度國外高超聲速飛行器發展綜述，2018年1月31日；第25篇，美軍2019財年高超聲速科研預算暴漲63%，總額超過10億美元，2018年3月6日；第26篇，美軍高超聲速導彈科研佈局發生重大調整，將迎來井噴式發展，2018年3月8日；第27篇，俄羅斯“匕首”空射高超聲速導彈綜述及研判，2018年3月23日；第28篇， 俄羅斯“先鋒”高超聲速助推滑翔導彈綜述及研判，2018年4月12日；第29篇，美空軍文件披露“高超聲速常規打擊武器”等項目更多信息，2018年6月12日；第30篇，高超攻防：美、俄著力發展和增強高超聲速作戰裝備與能力，2018年7月18日；第31篇，高超攻防2：波音展望高超運輸機；美軍空射高超助推滑翔導彈編號AGM-183A，助推器地面熱試車，2018年8月15日 ；第32篇，美空軍ARRW和HCSW高超聲速導彈項目最新動向，2018年8月16日第33篇，美國企業公佈高超聲速飛行試驗平臺概念方案及研製計劃，2018年9月28日；第34篇，高超攻防3：美國X-60A飛行研究機；美軍打擊武器的2020年和2028年節點；日本的進擊；諾格公司的防禦構想，2018年10月8日；第35篇，高超攻防4：美國海陸空高超聲速助推滑翔導彈披露更多重要細節；DARPA順利推進高超聲速飛機TBCC發動機地面驗證；MDA授出21份高超聲速防禦系統概念研究合同 ，2018年10月24日；第36篇，高超攻防5：DARPA在高超聲速攻防兩端同時發力，“作戰火力”項目和“滑翔破壞者”項目取得新動向，2018年11月20日；第37篇，高超攻防6：美海軍穩步快速推進潛射型中程高超聲速助推滑翔導彈新型助推器技術驗證項目，俄媒連續披露高超聲速導彈研製進展，2018年12月10日；第38篇，高超攻防7：美授出兩型高超聲速助推滑翔導彈火箭助推器驗證合同，俄成功完成“先鋒”和“鋯石”試射， 2019年1月2日；第39篇，2018年度國外高超聲速飛行器發展動向盤點，2019年2月25日；第40篇，高超攻防8：美軍加速推動高超聲速助推滑翔導彈研製，俄官方首次披露“鋯石”高超聲速導彈核心戰技指標，2019年3月19日；第41篇，美軍2020財年高超聲速科研預算暴漲百分之九十四，2019年；第42篇，高超攻防9：美初創公司獲投研發高超聲速飛機，普京要求加快發展高超聲速導彈防禦系統， 2019年5月17日；第43篇，述評：美初創公司Hermeus披露的馬赫數5級高超聲速飛機概念方案細節，2019年5月23日；第44篇，高超攻防10：美穩步推動車載高超聲速助推滑翔導彈發展，印完成碳氫燃料超燃衝壓發動機首次試飛，2019年6月14日；第45篇，高超攻防11：美洩露HACM和HCCW高超聲速保密項目，英軍啟動高馬赫數渦輪發動機技術研究，2019年7月23日；第46篇， 高超攻防12：美空軍高超聲速飛機用超燃衝壓發動機在地面試驗中達到5.9噸推力，2019年8月14日；第47篇，高超攻防13：美導彈防禦局選出5個高超聲速防禦武器系統概念方案進入第二輪研究，2019年9月9日；第48篇，高超攻防14：美導彈防禦局新啟動RGPWS中程高超導彈滑翔段攔截武器系統原型機項目，2019年12月17日；第49篇，高超攻防15：美XSP運載飛行器和HCSW導彈項目下馬，高超投資增長，防禦項目穩步推進， 2020年2月12日；第50篇，美軍2021財年高超聲速科研預算繼續高位增長，2020年3月4日。（中國航空研究院 廖孟豪）
本篇供稿：系統工程研究所
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