廖孟豪 ¦ 颠覆性创新：英国新私企推出马赫数5级混合动力高超声速飞机概念
英国科技创新企业——HyperMach宇航公司在2011年巴黎航展上首次公布了速度马赫数3.6、可载20人、以全新油电混合动力技术为标志的 “超声速星”超声速公务机概念方案及研制计划，目标为2021年实现飞机首飞。此后的五年时间内，方案一改再改，相关指标也随之一再提高。2017年年初，美国《航空周刊》等知名航空媒体的多次报道表明，HyperMach公司的最新方案已经将速度指标提升到了马赫数5，正式跨入了高超声速领域。新方案重新命名为“超级星”，总体沿用了公司创新提出的油电混合动力技术和等离子体主动流动控制技术等一系列先进技术，在各国纷纷关注冲压组合、预冷涡轮、乘波布局等主流路线时，为世界高超声速飞机发展开辟了一条全新的技术路线。
一、总体方案
“超级星”飞机全长约260英尺（约80米），可载36人，航程7000海里（约1,2800千米）；全机呈细长型总体布局，采用大后掠角双三角翼机翼和后掠鸭翼的气动布局，两台巨大的发动机位于后机身背部两片V型垂尾中间位置，垂尾同时起到了屏蔽发动机噪声的功能。
“超级星”高超声速飞机概念图（HyperMach公司网站图片）
动力系统为H-Magjet 5500-X型发动机，是一种采用超导发电机／电动机和航空涡轮发动机原理的全新油电混合推进系统，可产生76000磅（约34.5吨）推力和65兆瓦的电功率。其中，实际维持飞行只需要50～55兆瓦电功率，还有7～10兆瓦剩余用于其它机载系统，如驱动等离子发生装备来减小机身阻力和声爆强度。发动机可以使用生物燃料，也可以使用JP-7等常规军用航空燃油。
公司首席执行官（CEO）透露，该机具备军民两用潜力，并且已经得到了美空军的关注和资助。
二、技术创新点
1. 吸气式油电混合动力推进技术
动力系统采用了被HyperMach公司称为“非布雷顿电力循环”的全新动力循环原理；包含有三大核心部件：动力涡轮环形超导发电机、环形超导电动机、对转涵道风扇。基本工作原理为：涡轮燃烧室产生的高温燃气通过叶片驱动超导体叶盘旋转，进一步驱动环形超导发电机产生电力，电力通过中心管路传输用于驱动电动压气机和对转风扇。两级对转风扇相互之间没有硬连接，也与压气机完全独立，能够以更优化的速度运转。HyperMach公司宣称这种有效分离的设计使得发电机效率提高了70%。
此外，该涡轮发动机没有中心轴，而是留出一个空心管道，可用于流通空气从而进一步用于调节涵道比，以适应不同马赫数条件下的最佳循环要求。该发动机采用的另一项创新就是采用了等离子体燃烧室设计，可实现电气化控制燃烧火焰，提升燃烧效率和推力性能。
核心机部分的等离子体（注入）燃烧室和空心管道（HyperMach公司网站图片）
2. 等离子体主动流动控制技术
飞机机鼻前方和机尾后方均安装有尺寸较大的细长尖锥型装置，该装置可电动控制伸缩，主要用于来管理高马赫数飞行时产生的激波形状和位置，可以有效稀释和削弱激波压力、改变激波结构，从而获得更好的气动效率；同时该装置可利用机载大功率电源来加热和电离来流空气，产生等离子体，通过等离子体加热来改变局部流场和当地马赫数，进一步降低激波强度，从而达到气动减阻和降低声爆的目的。
马赫数3条件下有无等离子体注入引起的流场分布变化（HyperMach公司网站图片）
除了机鼻和机尾外，飞机机翼前缘、垂尾前缘、进气道唇口前方等主要迎风部位都安装有此类装置。所有这些装置通过统一控制，可达到全机气动减阻和降低声爆的最优效果。
三、计划及进展
HyperMach公司目前已经开始制造涡轮核心机的首个叶片级试验件，预计2017年年初将完成制造，2017年第一季度后期开始启动测试工作。预计2018年下半年将完成全部五个叶片级的制造，同时启动整个核心机的测试工作。首台全尺寸发动机预计将在2019年开始整机测试。
在研制实用型飞机之前，公司将首先研制一型缩比验证机来验证电磁减阻等关键技术。缩比验证机约为全尺寸飞机的44%，采用无人驾驶，目前正在逐步冻结设计方案，计划在2019年实现首飞。为此，公司将在2017年第二季度敲定机身制造商合作伙伴，并完成合作谈判。
全尺寸“超级星”高超声速公务机预计将在2025年完成首飞。
“超级星”高超声速飞机概念图（HyperMach公司网站图片）
四、前景与挑战
相比采用吸气式冲压组合动力和常规及乘波混合布局的主流技术路线，HyperMach公司基于油电混合动力和等离子体主动流动控制的新概念方案可以算是一种“脑洞大开”的非主流创新方案。为了追求创新，“超级星”方案中大胆采用了很多成熟度很低的全新技术，其面临的技术挑战包括但不限于：在发动机高温环境下实现超导体发电／电动、对转涵道风扇要适应从零速到马赫数5的极宽工作范围、数十兆瓦级电功率的供配电管理、兼容极端高低温部件需求的全机综合热管理，等等。这些技术本身成熟度低，即使逐步成熟，也将面临巨大的工程实践问题。
然而，风险往往是颠覆者的武器。HyperMach公司的创业思路很容易让人想起英国反作用发动机公司（REL）的“云霄塔”水平起降单级入轨飞行器及其“佩刀”发动机概念。对比发现：
（1）REL公司：成立于1989年，创始人为几个原“霍托尔”（HOTOL）空天飞机技术骨干，具有深厚的技术积累；2012年完成其核心技术——预冷却器的地面验证；获得了欧洲航天局、英国航天局、美空军研究实验室等权威机构的技术认可和资金支持，至今累计筹集了2.1亿美元投资。
（2）HyperMach公司：成立于2008年，创始人具有高超声速技术背景，但上一个履职经历为某咨询公司；研究进展目前主要集中在设计、仿真计算等纸面研究水平；所涉及的大功率超导发电技术已经获得了美空军研究实验室关注和资助，但数额不明；公司最初计划进行六轮融资，2013年时已经完成了四轮，并计划在2014年底完成第五轮，但数额及后续进展未见报道。
虽然比REL起步晚、技术底子薄，也缺乏里程碑式成果，但毫无疑问，HyperMach公司正在沿着REL公司的创业路径在前进，以颠覆性的创新概念作为旗帜，一边推进技术攻关，一边筹措资金支持，一边还要获取权威机构的认证。根据公司计划，2017年将完成首个涡轮叶片级的试制和测试等重要进展。这也是公司成立以来的首个重大里程碑成果，其成败将极大影响公司及其“超级星”项目的发展前景。HyperMach公司能不能在2017年啃下首个硬骨头，将是其方案甚至公司能否继续前行的关键要素。
廖孟豪先生此前已为《空天防务观察》撰写14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 | |
5 | 8月16日 | |
6 | 9月19日 | |
7 | 9月21日 | |
8 | 9月23日 | |
9 | 9月25日 | |
10 | 9月27日 | |
11 | 12月2日 | |
12 | 12月5日 | |
13 | 2017年2月17日 | |
14 | 2月20日 |
有兴趣的读者，可点击相关文章的“篇名”阅读原文。
（中国航空工业发展研究中心 廖孟豪）
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