将比“黑鸟”更快！夸特马高超声速飞机有哪些创新？

快些，再 快些，人类 对于速度的追求从来没有止境。

从运动速度上说，今天最快的交通工具是飞机，虽然飞机可以超越声速，但达到高超声速水平还是相当困难。工程师们不会轻易放下追求速度的执念——美国赫墨斯（ Hermeus ）公司正在积极研制高超声速飞机验证平台，绰号“夸特马”。如今代号 Mk 0 的“夸特马”动力版“铁鸟”试验原型机正在接受各种地面测试；这些工作全部完成后，无人版 Mk 1 会上天测试； Mk 2 将实现自动超声速飞行； Mk 3 将冲击比当年 SR-71 “黑鸟”更快的高超声速飞行。

赫墨斯冲击高超声速飞机，是与美国空军签下研发协议的主要内容。这份合同金额据说只有6000万美元，按说不算多，这一金额本身也说明赫墨斯需要采取某些非常规方法。事实上，“夸特马”使用的“嵌合体”发动机就是这种非常规方法的应用实例。

赫墨斯“夸特马”Mk 0“铁鸟”试验平台

要让飞机以经济便捷的方式实现高超声 速飞行，首 要解决的关键问题就是动力系统。“嵌合体”发动机是赫墨斯专为该项目打造的动力装置，它并不是标新立异的全新概念，在航空动力分类中属于涡轮冲压组合发动机（ TBCC ），它实际上是一台涡轮喷气发动机和一台冲压喷气发动机的组合体，涡轮喷气发动机处在中央核心部位，包覆在冲压喷气发动机流道内部。在低速状态下，“嵌合体”会以涡喷模式工作，与普通的涡喷动力飞机没什么不同。但是随着进气温度和速度不断提高，涡喷发动机就会达到性能极限，此时马赫数大约为 2 。此时“嵌合体”会利用预冷却器来降低进入涡喷发动机的空气温度，尽最大可能榨取涡喷发动机最后一点儿剩余价值。在马赫数达到 3 时，“嵌合体”会打开进气旁路，让进来的空气从涡喷发动机周围直接向后流去，在冲压燃烧室点火，转入冲压工作模式。

与过去研制TBCC的路数不同，赫墨斯公司选择使用成熟的涡轮喷气发动机直接整合进TBCC，仅为其研制特殊的冲压系统。在早期“嵌合体”上，赫墨斯选择的是通用电气的J85涡喷发动机。2022年6月“嵌合体”进行了成功的全功率地面测试，证明了该方案的可行性。

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在“夸特马”验证平台成功后，赫墨斯将继续为美军打造实用型高超声速飞机，代号“黑马”。“黑马”将安装“嵌合体”II发动机，这次赫墨斯选择的涡轮机是普惠公司的招牌产品F100。赫墨斯在公开发布的消息中，认为已经服役50年、总飞行时间超过3000万小时的F100表现出超群的性能和高度可靠性，足以作为更强悍的TBCC的组成部分。现在赫墨斯已经接收了普惠交付的F100，正在将其整合进“嵌合体”II。不过，赫墨斯并没有在公开资料中透露具体的整合细节，特别是F100作为一款优秀的涡轮风扇发动机，其原本的外涵道部分是予以保留，还是干脆取消，只使用其内涵部分。在整个研发过程中，真正值得关注的，是赫墨斯的工作方式。研制一架高超声速飞机最大的挑战，在于不断在各种设计方案中选择最优，然后再通过复杂的供应链去获得所需要的零部件和分系统，单单这一个过程就相当复杂和漫长，天文级的研发经费也在这一过程中支出。

进行台架试车的“嵌合体”发动机

如果原型机测试出现问题，需要做出重大设计变更，那么这套供应链的可怕“蠕动”过程还得重来一遍，研制费用会继续水涨船高。这样的传统研发过程在时间和资金上都难以接受。赫墨斯这次改弦更张，第一是使用成熟的高性能货架产品，无论是J85还是F100都是如此，直接应用航空工业界先进且成熟的涡轮动力成果；第二是通过大量使用3D打印增材制造工艺直接制造所需关键部件，一方面缩短了制造时间，一方面规避了管理复杂供应链的风险——在后疫情时代的航空工业，这已经成为一个非常重要的风险因素。这种做法的结果是，赫墨斯只用了21个月和1800万美元就完成了“嵌合体”原型机的设计、制造和测试，考虑到整个技术研发团队规模并不大，预算和时间却控制在相对合理的水平，这样的效率确属可圈可点。

赫墨斯肯定不是高超声速飞机领域最厉害的研发企业，但它设定的目标却值得关注：过去的高超声速飞机多是试验平台，并不是瞄准量产化实用化，更不在意经济性问题，如今赫墨斯打算把高昂的价格标签从高超声速飞行技术上撕下来，为这一技术走向军事和商业应用铺平道路。除了不能明说的军事应用，赫墨斯也展望了商用高超声速飞行的未来：如果飞机能够飞到马赫数5——相当于当年“协和”客机的两倍还多，人们只需要90分钟就能飞越大西洋，从洛杉矶飞到夏威夷也只需要一个小时。所有商用飞机目前的飞行时间，都可以直接除以5来计算，旅行可能再无疲劳问题。

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