廖孟豪 ¦ “排空驭气奔如电，升天入地求之遍”——深度解读DARPA高超声速飞机及其动力发展构想

2016年8月12日，美国国防高级研究计划局（DARPA）正式公开发布了 “先进全状态发动机”（AFRE）项目的招标预告文件（以下简称“文件”），标志着该项目正式开展实质性工作。 

DARPA在美国政府“联邦商机”网站上发布的跨部门公告文件封面（DARPA图片）

AFRE项目旨在研发和地面验证一种能够在马赫数0～5＋范围内无缝工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基冲压组合（TBCC）发动机，以支撑实现能够在拒止环境下执行情监侦（ISR）任务的高超声速飞机。AFRE项目是美军首个针对实用化高超声速飞机需求而展开的动力系统地面集成验证项目，也是当前美军在高超声速飞机领域投资最大的公开项目。文件详细阐述了DARPA对高超声速飞机及其动力系统的总体构想，值得高度关注和深入分析。

一、文件透露的项目详细情况

1. 明确了项目定位是瞄准发展高超声速飞机，而不仅是发动机地面验证

DARPA正在同步开展高超声速飞机概念设计研究，以为AFRE项目提供更加详细的飞机性能指标牵引，确保AFRE项目成果能够直接支撑未来高超飞机设计；并要求AFRE项目的竞标方应由飞机和发动机研制企业联合组成。文件反复强调AFRE项目必须最大程度支撑后续高超飞机的发展。可见，AFRE项目并不仅仅是一个发动机地面集成验证项目，而是DARPA瞄准发展高超声速飞机，在前期针对动力系统的风险降低项目，其更主要的目的是服务于后续高超声速飞机（或验证机）的发展。

2. 明确了DARPA对后续高超声速飞机的使命任务及其关键指标构想

DARPA提出应发展高生存力且经济上可承受的高超声速飞机，用于执行区域性的ISR任务，以弥补美军当前空中ISR平台生存力不足的问题，并明确要求AFRE项目必须满足以下飞机级性能指标：

——航程大于1200海里（约2200千米）；

——速度大于马赫数5；

——高度大于6万英尺（约18千米）。

美国洛马公司公布的SR-72高超声速侦察/打击飞机方案概念，图为双发的型号机想象图。按洛马公司的设想，该机型号机的飞行速度不低于马赫数6，航程可达5400千米左右（洛马公司图片）

3. 明确了TBCC发动机是高超声速飞机动力系统的最佳解决方案 

DARPA认为TBCC这类双流道设计的组合发动机是满足未来高超飞机需求的最佳解决方案。文件透露，由于最近成功拓展了双模态冲压发动机的工作速度下限，DARPA及时启动AFRE项目，利用现货涡轮发动机，在短期内以较低成本完成全尺寸TBCC发动机的地面集成验证。

美国国家航空航天局（NASA）的“组合循环发动机大尺寸进气道模态转换”试验台架。可见该台架实际上是从共用进气道之后的流路分叉点开始，上方为低速流路，通往涡轮发动机；下方为高速流路，通往双模态超燃冲压发动机（NASA图片）

4. 明确了项目中TBCC方案必须满足的性能指标

——成功在马赫数1.5～3完成模态转换；扩展涡轮发动机和双模态冲压发动机工作包线；

——在跨声速和模态转换过程中的加速度不小于0.25g；

——双模态冲压发动机在模态转换过程和最大马赫数下中的燃烧效率分别达到75～80%和85～90%；

——涡轮发动机在模拟的超声速条件下实现安全地关机并重新起动，且在各种状态下均符合相关规范要求。

5. 明确了项目指定采用的现货涡轮发动机及相关要求

DARPA将为AFRE项目指定并无偿提供一台现货涡轮发动机——F405-RR-402发动机及其射流预冷试验数据等技术资料；并明确AFRE系统以及高速流道的尺寸必须能够与指定的现货涡轮发动机相匹配。DARPA允许采用其他现货涡轮发动机，但相关费用自负。F405-RR-402是英国罗罗公司于1968年研制的无加力涡扇发动机，单台价格约300万美元（2011年美元值），发动机直径57.7厘米，最大推力约3吨，主要用于美海军T-45舰载教练机、英国“鹰”式教练机等。

“先进全状态发动机”预想的组成结构示意图。DARPA认为，尽管这已经不是第一次试图组合涡轮发动机和冲压发动机的尝试，但依托科学技术的最新进展，AFRE项目有可能取得成功。详见本号2016年7月1日报道：“奇点临近？DARPA认为涡轮基组合循环发动机技术已到突破时刻”（点击题名可直接访问）（DARPA图片）

6. 明确了项目预算、任务分解及进度安排

DARPA将选定唯一承研方（团队）。项目总预算约为6500万美元，周期约4年，预计在2020财年前完成发动机整机地面自由射流试验。项目包含两阶段，第一阶段主要完成TBCC各部件的设计、试制和试验以及整机方案设计，第二阶段则主要完成整机集成以及地面试验验证。

DARPA初步拟定的AFRE项目任务分解及进度安排（DARPA图片，中航工业经济技术研究院汉化）

二、对DARPA高超飞机及TBCC动力发展的前瞻分析

1．AFRE项目将采取射流预冷技术来扩展涡轮发动机包线

从文件信息可预测，DARPA在本项目中将采用射流预冷技术（喷水冷却）对现货涡轮发动机进行包线扩展。射流预冷技术虽然会部分牺牲发动机的比冲、寿命等性能，但能够快速有效地将现货涡轮发动机扩展到马赫数3，技术相对成熟，有利于控制项目周期和成本，目前来看是AFRE项目的最有效方案。

2. DARPA将发展可快速转化为装备的马赫数5级高超声速飞机验证机

根据DARPA此前多个项目的研发经历，一旦AFRE项目取得成功，DARPA将会立即启动后续高超声速飞机验证机项目。该验证机或采用单发设计（以控制成本和周期），起飞重量约10吨级；能够不经重大改进，快速转化为可配装侦察载荷、执行强对抗环境下区域ISR任务的装备。若采用双发设计，高超声速飞机将可携带更多载荷，适用于打击、快速太空进入等更多作战任务。

2013年11月，美国洛马公司臭鼬工厂在向美国《航空周刊》公布SR-72高超声速侦察/打击飞机方案概念时曾指出，计划在发展双发的型号飞机之前制造单发的演示验证机。图为SR-72的单发演示验证机想象图（洛马公司图片）

3．DARPA有望在2025年前后完成后续高超声速飞机验证机首飞

文件明确要求AFRE项目在2020财年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面试验。一旦成功，DARPA有望在2025年前后完成基于TBCC的高超声速飞机验证机首飞。进一步推测认为，DARPA很可能通过快速采办，在2030年前将验证机交给军方适当改装后直接投入实战使用，从而对潜在对手构成技术突袭。

美国空军研究实验室（AFRL）在2014年11月公布的高超声速技术路线图。由图可见，美国空军计划在2030年之后实现战术打击/情报监视侦察用高超声速飞机的技术就绪，用于对该价值目标的纵深打击；在2040年之后实现可重复使用/持久型高超声速飞机的技术就绪，用于突防、持久可重复的情报监视侦察与打击（详见本号2015年10月16日文章：“美国空军将实施一批大型演示验证项目，加速三大颠覆性技术成熟”，点击题名可直接访问）。综合各种情报资料判断，美国确实正在基本按照这个路线图的节点全面推进高超声速飞机和武器的发展工作（美国空军图片）

廖孟豪先生此前曾为《空天防务观察》撰写4篇专栏文章，如下表：

序号	篇名	发表日期
1		2015年3月2日
2		3月16日
3		6月29日
4		2016年4月20日

有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。

（中航工业经济技术研究院  廖孟豪）

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