“5倍聲速”搭上“星鏈”，高超聲速無人機(jī)時(shí)代拉開序幕？

更快的速度，一直是飛機(jī)的主要追求目標(biāo)。高超聲速飛機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景，其在軍事領(lǐng)域更是被寄予厚望——“改變未來戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)則”的顛覆性技術(shù)之一。在最近的較短時(shí)期內(nèi)，國際上有大量的高超聲速飛機(jī)項(xiàng)目涌現(xiàn)，這是否意味著，高超聲速飛機(jī)能夠很快投入實(shí)用了？

撰文 | 崔凱（中國空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)科學(xué)傳播和普及工作委員會(huì)主任）

據(jù)美國防務(wù)新聞網(wǎng)等多家媒體報(bào)道，2024年11月，一家名為赫爾墨斯（Hermeus）的美國民營(yíng)航空航天和國防技術(shù)公司，將大名鼎鼎的SpaceX公司的“星鏈”（Starlink）通信系統(tǒng)模塊集成到其研制的“夸特馬”（Quarterhorse）Mk1高超聲速飛行器上并開展了測(cè)試。

據(jù)稱，對(duì)于像“夸特馬”這樣的高超聲速飛行器而言，在進(jìn)入高速、高海拔環(huán)境時(shí)，保持穩(wěn)定的通信連接至關(guān)重要，而此次集成任務(wù)的首要目標(biāo)就是利用“星鏈”實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的超視距（BVLOS）指揮與控制。報(bào)道稱這次工作迭代十分快速，在赫爾墨斯公司決定使用“星鏈”系統(tǒng)的僅僅兩天后，SpaceX公司就向其交付了通信終端。在第9天，赫爾墨斯對(duì)Mk1和“星鏈”進(jìn)行了模擬；第15天完成了“星鏈”通信系統(tǒng)模塊在Mk1上的集成；第17天，赫爾墨斯公司通過“星鏈”連接控制Mk1成功實(shí)現(xiàn)滑行。整個(gè)流程僅用17天就全部完成。

對(duì)于此事，赫爾墨斯公司首席執(zhí)行官皮普利卡（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(shù)與先進(jìn)衛(wèi)星通信之間的協(xié)同作用，為航空領(lǐng)域的革命性發(fā)展鋪平了道路?！蹦敲?，這是否意味著無人機(jī)已經(jīng)開始進(jìn)入高超聲速時(shí)代了呢？

集成了“星鏈”通信系統(tǒng)模塊的“夸特馬”高超聲速飛機(jī)。圖源：資料

什么是高超聲速飛機(jī)？

高超聲速飛機(jī)是指飛行速度達(dá)到或者超過五倍聲速（即5馬赫）的飛機(jī)，其速度大概是現(xiàn)有戰(zhàn)斗機(jī)的兩至三倍，以及民航飛機(jī)的五至六倍。由于速度成倍提升，高超聲速飛機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域均具有廣闊的應(yīng)用前景，甚至被美國空軍實(shí)驗(yàn)室（AFRL）前司令官認(rèn)為是“改變未來戰(zhàn)爭(zhēng)規(guī)則”的顛覆性技術(shù)之一。

更快的速度一直是飛機(jī)的主要追求目標(biāo)，這一努力曾經(jīng)在上世紀(jì)六十至七十年代達(dá)到過一次峰值。在軍事方面，美國當(dāng)時(shí)研制了SR-71“黑鳥”高空高速偵察機(jī)，最快速度超過3馬赫，當(dāng)其在前蘇聯(lián)上空?qǐng)?zhí)行偵察任務(wù)時(shí)，可以完全躲避當(dāng)時(shí)的導(dǎo)彈或者攔截機(jī)的攻擊，如入無人之境。在民航領(lǐng)域，英國和法國聯(lián)合研制了協(xié)和式超音速飛機(jī)，最大飛行速度可超過2倍音速，截至2003年全部退役，其在全球總飛行時(shí)長(zhǎng)超過25萬小時(shí)，被稱為“航空史上的傳奇”。

美國SR-71“黑鳥”偵察機(jī)。圖源：網(wǎng)絡(luò)

協(xié)和式超音速飛機(jī)。圖源：網(wǎng)絡(luò)

隨著時(shí)間的推移，這兩種飛機(jī)最終都黯然離場(chǎng)，而且也沒有合適的替代產(chǎn)品出現(xiàn)。究其原因，主要并不在于其技術(shù)能力，而在于其用途過于單一或經(jīng)濟(jì)性太差。例如，協(xié)和式飛機(jī)退役前每年的虧損金額超過四千萬美元，只能依靠政府補(bǔ)貼續(xù)命，但如此沉重的負(fù)擔(dān)最終導(dǎo)致政府也無法承擔(dān)。

雖然超聲速飛機(jī)的市場(chǎng)表現(xiàn)不佳，但有關(guān)的新型技術(shù)研發(fā)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(jī)相繼推出，或許超聲速飛機(jī)在不久的將來可以重回藍(lán)天。

令人感到意外的是，自上世紀(jì)九十年代以來，隨著相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，高超聲速飛機(jī)的研發(fā)在世界范圍內(nèi)開始得到重視，并迅速成為熱門領(lǐng)域。在市場(chǎng)預(yù)判方面，2021年德勤公司受美國國家航空航天局（NASA）委托，對(duì)未來高速運(yùn)輸市場(chǎng)前景開展了廣泛調(diào)研和細(xì)化分析，結(jié)果表明，作為一種遠(yuǎn)程快速輸運(yùn)工具，高超聲速飛機(jī)將在未來低成本空天往返、遠(yuǎn)程快速偵察、更快速供應(yīng)鏈的打造，以及高速電子商務(wù)的物流體系構(gòu)建等應(yīng)用場(chǎng)景中扮演主要角色。此外，伴隨近年來商業(yè)航天的崛起，也有大批資金涌入這一領(lǐng)域，在一定程度上助推了這個(gè)行業(yè)的快速發(fā)展。

高超聲速飛機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，世界各國已經(jīng)披露的高超聲速飛機(jī)及相關(guān)集成技術(shù)的主要在研項(xiàng)目如下表所示。

基于上述公開發(fā)表的信息不難看出，目前在這一領(lǐng)域投入最多、進(jìn)展相對(duì)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(tǒng)武器承包商以外，相當(dāng)多的項(xiàng)目均由新興的商業(yè)航天公司提出并承擔(dān)。由此不難看出，社會(huì)商業(yè)資本對(duì)這一領(lǐng)域的興趣在不斷提升，這也從一個(gè)側(cè)面表明，該領(lǐng)域在未來將會(huì)更加具有活力。

就發(fā)展目標(biāo)而言，目前正在推動(dòng)的項(xiàng)目主要圍繞三個(gè)不同層次的應(yīng)用。第一層次的項(xiàng)目主要面向開展高超聲速階段的相關(guān)空中試驗(yàn)，雖然所開展的飛行試驗(yàn)內(nèi)容可以直接支撐高超聲速飛機(jī)的研制，但所研制的飛行器在嚴(yán)格意義上尚不能稱其為高超聲速飛機(jī)。該類項(xiàng)目以美國國防部國防創(chuàng)新單元（DIU）委托澳大利亞Hypersonix發(fā)射系統(tǒng)公司開發(fā)的“飛鏢AE”項(xiàng)目為典型代表。該飛行器長(zhǎng)僅為9.8英尺（約3米）、重量?jī)H為660磅（約300公斤）。

“飛鏢AE”飛行器效果圖。 圖源：澳大利亞Hypersonix公司

第二層次的項(xiàng)目為研發(fā)高超聲速技術(shù)驗(yàn)證機(jī)，如美國萊多斯公司的“混亂（Mayhem）”項(xiàng)目和赫爾墨斯公司的“夸特馬”均屬此類。這類飛機(jī)一般為實(shí)際飛機(jī)的一定尺寸縮比樣機(jī)，雖然本身不具有任何實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，但可以完整地演示高超聲速飛機(jī)的整個(gè)飛行軌跡，包括滑行、起飛、爬升、巡航、下降、著陸等一系列動(dòng)作。如果驗(yàn)證飛機(jī)能夠成功實(shí)現(xiàn)飛行，則標(biāo)志著相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)基本突破，并已具備開展實(shí)用化飛行器研發(fā)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(gè)層次的項(xiàng)目則是研發(fā)真正用于實(shí)際的高超聲速飛機(jī)。如洛克希德·馬丁公司提出的SR-72飛機(jī)和波音公司提出的“女武神II（ValkyrieⅡ）”飛機(jī)等，這兩個(gè)項(xiàng)目的目標(biāo)都是發(fā)展偵察/打擊一體化的軍用高速飛機(jī)。其中SR-72又被稱為“黑鳥之子”，即SR-71“黑鳥”飛機(jī)的更先進(jìn)替代者。SR-72于2013年首次對(duì)外發(fā)布，后續(xù)則鮮有關(guān)于此項(xiàng)目的信息。有報(bào)道稱，該項(xiàng)目的研制經(jīng)費(fèi)一度危急，并直接影響了該項(xiàng)目的實(shí)際進(jìn)展。

SR-72高超聲速飛機(jī)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(jī)的發(fā)布時(shí)間比SR-72晚了5年，于2018年發(fā)布。不過僅僅在發(fā)布四年后的2022年，就在美國航空航天學(xué)會(huì)（AIAA）的年度科技論壇和博覽會(huì)上給出了幾乎完全不同的新一輪飛機(jī)外形，這表明該項(xiàng)目的進(jìn)展明顯更快一些，在一定程度上也表明似乎該項(xiàng)目的進(jìn)展相較于SR-72項(xiàng)目更順利一些。

波音公司2018年公布的“女武神II”高超聲速飛機(jī)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(jī)效果圖。圖源：波音公司

高超聲速飛機(jī)何時(shí)能夠出現(xiàn)？

僅從大量的高超聲速飛機(jī)項(xiàng)目在較短時(shí)期內(nèi)爆發(fā)性涌現(xiàn)這一現(xiàn)象，就不難判斷，高超聲速飛機(jī)及其相關(guān)技術(shù)研發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)下的國際大熱門。然而，這并不意味著高超聲速飛機(jī)能夠很快投入實(shí)用，這是因?yàn)闊o論是對(duì)于技術(shù)驗(yàn)證飛行器還是實(shí)用化飛機(jī)而言，都尚有一系列關(guān)鍵技術(shù)問題乃至后續(xù)的社會(huì)性問題需要解決。

對(duì)于技術(shù)驗(yàn)證飛行器而言，最大的技術(shù)障礙仍在飛機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)。在高超聲速飛行環(huán)境和條件下，現(xiàn)有的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)無法產(chǎn)生推力，這要求必須研發(fā)全新的動(dòng)力系統(tǒng)。目前主要的技術(shù)途徑有兩條，一是采用基于超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的組合動(dòng)力系統(tǒng)，二是采用基于深度預(yù)冷技術(shù)的協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（SABRE）。

超聲速燃燒沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱“超燃發(fā)動(dòng)機(jī)”），是一種全新的動(dòng)力系統(tǒng)，也被認(rèn)為是未來各類高超聲速飛行器最可能采用的發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)在本世紀(jì)初就已經(jīng)成功開展過多次飛行演示試驗(yàn)。不過這種發(fā)動(dòng)機(jī)僅在高速情況下才能產(chǎn)生推力，無法用于較低的飛行速度。為了解決這一問題，可以將超燃發(fā)動(dòng)機(jī)與其他現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)有機(jī)結(jié)合，在不同的速度范圍內(nèi)采用不同的發(fā)動(dòng)機(jī)形式。按照這一思路，將超燃發(fā)動(dòng)機(jī)與渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)組合，可以形成渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱TBCC）；與火箭發(fā)動(dòng)機(jī)組合使用，可以形成火箭基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱RBCC）等。美國SR-72飛機(jī)和“女武神II”飛機(jī)的現(xiàn)階段方案都采用了TBCC動(dòng)力裝置。

SR-72飛機(jī)采用的TBCC動(dòng)力系統(tǒng)概念圖。圖源：洛克希德·馬丁公司

雖然基于超燃發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力方案在思路上并不復(fù)雜，但在工程實(shí)現(xiàn)上仍面臨“推力陷阱”、燃燒有效組織、寬速域進(jìn)排氣系統(tǒng)研發(fā)、熱管理等一系列問題。因此基于目前的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀看，達(dá)到實(shí)用化仍需較長(zhǎng)時(shí)間。

基于深度預(yù)冷技術(shù)的SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)采用的技術(shù)途徑與超燃發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這種發(fā)動(dòng)機(jī)采用特殊的快速冷卻裝置，可以在0.05秒的時(shí)間內(nèi)將流入的空氣溫度迅速降低，進(jìn)而流入發(fā)動(dòng)機(jī)與燃料混合燃燒，產(chǎn)生有效的推力。該方案是英國專注發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的初創(chuàng)公司“反應(yīng)引擎（Reaction Engines）”公司的主攻方向，并于2019年就成功完成了地面試驗(yàn)。歐洲航天局（ESA）、NASA都曾對(duì)該公司大幅注資。

SABRE發(fā)動(dòng)機(jī)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(yīng)引擎公司于2024年10月份正式宣告破產(chǎn)，200多名員工也隨之被遣散。雖然具體破產(chǎn)原因并沒有披露，但一般的猜想是這條途徑可能存在較大的障礙，短期內(nèi)難以解決，從而導(dǎo)致投資者失去信心。值得一提的是，“夸特馬”所采用的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)仍是這條途徑。據(jù)稱，赫爾墨斯公司目前正在開發(fā)其自己的預(yù)冷系統(tǒng)，并將與美國著名的普拉特·惠特尼公司所生產(chǎn)的F100發(fā)動(dòng)機(jī)集成，作為其高超聲速飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。但后續(xù)發(fā)展具體如何尚有待時(shí)間檢驗(yàn)。

即便發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)獲得突破，并依托技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)實(shí)現(xiàn)完整的飛行過程，高超聲速飛機(jī)的實(shí)用化也面臨諸多問題，其中最突出的一個(gè)就是有效的裝載空間。技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)一般僅僅用于飛行測(cè)試，飛行距離相對(duì)較短，無需裝載人員和貨物等，燃料消耗也相對(duì)較少，因此其內(nèi)部空間需求相對(duì)較小。而對(duì)于實(shí)用化飛機(jī)而言，足夠的裝載空間則是必須考慮的。協(xié)和式飛機(jī)被乘客詬病的重要一點(diǎn)，就是狹小的內(nèi)部空間導(dǎo)致乘坐舒適性大幅降低。從現(xiàn)在已有方案來看，計(jì)劃研制的高超聲速飛機(jī)內(nèi)部空間將比協(xié)和式飛機(jī)更小。這是由于較扁平的內(nèi)部空間一般有利于航程的增加。因此，如何在保證有效航程的條件下提高內(nèi)部裝載空間，將是后續(xù)實(shí)用化高超聲速飛機(jī)研發(fā)中不可回避的問題，這可能需要對(duì)飛機(jī)的外形進(jìn)行大幅改進(jìn)。此外，高速飛行所導(dǎo)致的噪音、排放、安全性，以及乘客心理畏懼性反應(yīng)等一系列技術(shù)和社會(huì)問題等，也是實(shí)際應(yīng)用中所必需考慮和解決的。

高超聲速飛機(jī)一定是無人機(jī)么？

“夸特馬”集成“星鏈”通信模塊并進(jìn)行測(cè)試，這表明這架技術(shù)驗(yàn)證飛機(jī)未來一定會(huì)以無人機(jī)的形態(tài)出現(xiàn)。不過，這并不意味著無人機(jī)形態(tài)會(huì)是高超聲速飛機(jī)的唯一選擇。實(shí)際上，赫爾墨斯公司已明確提出其發(fā)展計(jì)劃，在“夸特馬”試驗(yàn)飛機(jī)的基礎(chǔ)上，未來將以14座的高超聲速公務(wù)機(jī)“翡翠鳥（Halcyon）”為主要發(fā)展愿景。對(duì)于一架有乘客的飛機(jī)而言，如果沒有駕駛員，會(huì)讓乘客產(chǎn)生極為強(qiáng)烈的安全感缺失，因此，采用有人機(jī)的形態(tài)可能性更大。

未來的高超聲速飛機(jī)到底采用何種形態(tài)，目前仍無定論，從目前推出的各個(gè)項(xiàng)目來看，飛機(jī)的形態(tài)主要取決于其任務(wù)模式。例如，對(duì)于SR-72和“女武神II”這樣的軍用飛機(jī)，其未來使用模式主要是遠(yuǎn)程快速偵察和打擊，采用無人機(jī)形態(tài)將會(huì)有效降低飛行員損失的風(fēng)險(xiǎn)，這是美軍一直以來的發(fā)展目標(biāo)。因此，在相關(guān)機(jī)構(gòu)披露這些項(xiàng)目的有關(guān)信息時(shí)已明確指出，會(huì)采用無人駕駛的方式。而對(duì)于其他用途的飛機(jī)，在一定意義上仍取決于未來無人駕駛技術(shù)的發(fā)展情況，以及乘客的心理接受程度。

不過，“夸特馬”與“星鏈”集成并開展測(cè)試，這標(biāo)志著SpaceX公司的“星鏈”系統(tǒng)已經(jīng)開始真正用于在全球范圍內(nèi)對(duì)各類無人飛行器實(shí)施遠(yuǎn)程控制。實(shí)際上，在“夸特馬”集成“星鏈”通信模塊的同時(shí)，另一家美國初創(chuàng)公司，Boom超聲速公司也在其超聲速無人試驗(yàn)飛機(jī)XB-1上完成了類似的工作。這意味著未來的無人飛機(jī)可能會(huì)以更大的規(guī)模部署“星鏈”通信模塊。試想未來有一天，數(shù)架不明意圖的無人機(jī)悄然出現(xiàn)在我們頭頂，而其“飛手”則遠(yuǎn)在數(shù)千里外遙控操作，這無疑是一件令人煩擾的事情，或許這更應(yīng)該引起我們的警覺和關(guān)注。

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