DARPA披露AFRE高超声速飞机组合发动机项目更多详情

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作者：北京海鹰科技情报研究所  胡冬冬

2016年8月12日，美国国防高级研究计划局（DARPA）战术技术办公室（TTO）在美国政府联邦商机（fbo）网站上发布了先进全速域发动机（AFRE）项目的广泛机构通告（BAA）（DARPA-BAA-16-45），较为详细地介绍了AFRE项目的提出背景、发展目标、计划安排、性能需求等。

“先进全速域发动机”（AFRE）项目是DARPA在2016年2月新披露的一个项目（DARPA已在其公布的2017财年预算申请提案中为该项目编列了900万美元，用来启动初步的设计工作），旨在利用现货涡轮发动机完成全尺寸涡轮基组合发动机（TBCC）模态转换的地面集成验证，研究确立高超声速飞机TBCC推进系统工程化的可行性。

1  项目背景及目标

“先进全速域发动机”（AFRE）项目以未来高超声速情报监视与侦察（ISR）飞机为应用背景。DARPA指出，随着多国装有先进空空导弹的五代机进入部署、高性能一体化防空系统（IDAS）大幅扩散以及其它远程打击能力的发展，美国在与实力匹敌的竞争对手进行作战时，其传统空中平台已无法进入更具对抗性的作战空域，导致无法及时获取机载ISR信息，从而对美军的信息能力优势构成挑战。与此同时，太空也变得更具对抗性，天基ISR能力变得更加脆弱，导致美军在作战中所依赖的“观察-定位-决策-行动”（OODA）决策环相对于对手的独特能力优势正在丧失。如果没有生存能力强的空基ISR平台来弥补天基ISR能力，未来美国遂行进攻性作战的有效性将受到极大制约。

为满足未来强对抗环境下的作战需求，DARPA设想的生存能力强、经济可承受的高超声速ISR飞机具有以下特性：

◆航程大于2200千米（1200海里）；

◆速度大于马赫数5；

◆18.3千米（6万英尺）以上高度飞行。

AFRE是未来高超声速ISR飞机的关键使能技术之一。AFRE项目的基本目标是开发一种可重复使用的全尺寸碳氢燃料推进系统并对其进行地面演示验证，该推进系统可在马赫数0到5+之间的全速域范围实现连续无缝运行，以确保快速响应的高超声速飞机在拒止环境下完成ISR任务。

2 项目通告的主要内容

基于政府和工业界长期以来在高超声速技术领域的持续研发活动，DARPA认为，TBCC这类双流道发动机可为未来高超声速飞行器提供最佳解决方案。TBCC发动机是工作于低速范围的涡轮喷气发动机和工作于高速范围的亚燃/超燃双模态冲压发动机的组合，两者共用进气道和尾喷管。通过前期AFRL/DARPA开展的X-51A超燃冲压发动机飞行演示验证项目以及DARPA开展的“猎鹰飞行器组合循环发动机技术”（FaCET）项目，为这一设计概念的可行性奠定了基础。特别是近年来，DARPA开展的相关研究和工业界的独立研究与开发（IRAD）活动表明，TBCC发动机的高速工作部分——亚燃/超燃双模冲压发动机在降低起动速度、扩展工作包线上取得了较大进展。这一进展有助于将高速和低速流道进行有效集成，从而确保短期内以经济可承受的方式在现有涡轮发动机技术基础上实现演示验证目标。

AFRE项目主要聚焦在从低速到超声速再到高超声速的全速域范围内可实现连续无缝转换/过渡的全尺寸推进系统。“全尺寸”是指AFRE演示验证系统中高速流道可与所选的现货涡轮发动机匹配，具有进一步开发为飞行演示验证发动机的潜力。

关于选择哪一型现货涡轮发动机以集成到AFRE演示验证系统中，DARPA指出，将倾向于选用罗·罗公司的F-405-RR-402涡轮发动机（但也不排除其它适用的备选涡轮发动机）。

F405-RR-402发动机在AEDC测试（该发动机用于BAE系统公司的Hawk飞机和T-45 Goshawk军用教练机）

同时DARPA也指出，尽管政府认为TBCC是高超声速飞机最好的技术实现途径，但投标企业仍可建议其它形式的推进系统方案，只要这些方案具有足够的技术成熟度，并且满足技术性能需求和演示验证进度要求。另外，DARPA强调仅关注全系统解决方案，不关注较低马赫数解决方案（如涡轮-亚燃冲压发动机方案）。

基于前期高超声速飞行器和推进系统的分析研究，DARPA指出，AFRE性能必须与下列系统级能力需求匹配：

AFRE性能需求

考虑到高超声速机体与推进系统具有高度一体化的特性，DARPA希望AFRE项目由推进系统承包商与飞行器机体承包商联合开展，以便又好又快地实现项目目标。DARPA还指出，在此BAA范围以外，DARPA正在开展一项为期6个月的飞行器概念设计研究（预计在2017年第一季度完成）。这些研究将为本项目的实施团队进行AFRE演示验证系统的需求开发提供额外的输入，确保AFRE地面演示验证系统与未来高超声速ISR飞行器设计具有更好的匹配性。

3  项目计划安排

AFRE项目分两个阶段实施，只选择一个团队来执行。第一阶段为基础（Base）阶段，第二阶段为选型（Option）阶段。DARPA计划为两个阶段共计投入6500万美元。第一阶段结束后，视结果是否满意再决定是否继续进入第二阶段。

DARPA初步拟定的项目进度表如下：

DARPA初步拟定的项目进度表

第一阶段主要开展缩比尺寸和全尺寸部件的地面试验，逐步推动组部件技术成熟。

第二阶段将以渐进的方式开展全尺寸系统集成与测试，并完成全系统地面自由射流试验。

评述

美国空军研究实验室在2014年公布的路线图中，明确提出了2030年实现有限可重复使用高超声速飞机技术准备就绪、2040年实现完全可重复使用高超声速飞机技术准备就绪的发展目标。但囿于关键技术成熟度不足，迄今美国军方尚未正式启动高超声速飞机的系统级演示验证项目（洛·马公司的SR-72项目仍属于企业自筹资金开展的项目），可重复使用的高超声速推进系统技术成熟度不足是其中最为关键的制约因素。

长期以来，TBCC是美国发展高超声速飞机的主要动力形式之一。涡轮发动机和冲压发动机能否在速度上实现有效接力是研制TBCC必须解决的首要问题。目前大多数超燃冲压发动机无法在马赫数4.0以下点火，而现货涡轮发动机的最高工作速度通常在马赫数2.5以下。美国前期已通过FaCET、MoTr等项目围绕速度接力这一核心问题开展了大量的预研工作，DARPA此次新启动的AFRE项目虽然仍属于预先研究的范畴，但是扩展到了全尺寸、全系统解决方案，同时涡轮发动机由高速涡轮改为采用常规的现货涡轮发动机，实用性更强，面向工程应用转化的针对性更高。

尽管美国先后通过“高速涡轮发动机验证机”（HiSTED）、“远程超声速涡轮发动机”（STELR）等项目致力于发展高速涡轮发动机，提升其接力速度，但是在AFRE项目中，DARPA明确提出将采取“现货涡轮发动机＋宽速域双模冲压发动机”方案对全尺寸TBCC发动机进行演示验证，并指出这一技术途径在短期内具有更好的技术可行性和经济可承受性，表明当前美国已在低起动速度的宽速域双模冲压发动机技术方面取得重要突破。

需要指出的是，DARPA在此次BAA中还提到，尽管政府认为TBCC是高超声速飞机最好的技术实现途径，但投标企业仍可建议其它形式的推进系统方案。事实上，DARPA前期曾开展了采用“涡轮+定容燃烧（CVC）”这一技术途径的Vulcan(火神)发动机项目，可为高速巡航飞行器（Ma=0~4+）提供动力，若与超燃冲压发动机组合使用，亦可执行可重复使用高超声速飞行等任务。此外，美国空军研究实验室（AFRL）正与英国反应发动机公司（REL）积极开展合作，研究带有预冷却器的组合发动机——“佩刀”（协同吸气式火箭发动机）在高超声速飞机等领域的应用潜力。因此，也不排除AFRE项目可能选用TBCC之外的其它动力形式这种可能性。关于AFRE项目的后续发展走向如何，尚需予以持续跟踪和观察。

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