廖孟豪 ¦ 美国波音公司公布高超声速飞机计划，开启双雄争霸新局面
《空天防务观察》导读：2018年1月11日和12日，廖孟豪先生曾向本号连续提供重要动向：“关注！美国洛马公司高管透露已完成某型高超声速飞机研制”和“美国波音公司首次公开披露高超声速飞机验证机概念方案和部分信息”（点击题名可直接访问）。本期，廖孟豪先生特地为我们撰写专栏文章，分析波音公司的方案，并与洛马公司此前公布的方案对比。
2018年1月10日，美国波音公司在美国航空航天学会2018年度科技研讨及展览会（AIAA SciTech 2018）上，首次公开展出了高超声速飞机模型，波音公司高超专业首席科学家和首席设计师等在展会现场披露了相关概念方案及研制计划等信息。这是继2013年美国洛克希德·马丁公司（简称洛马公司）公布其SR-72高超声速飞机项目之后，美国第二家军工企业高调公开披露其高超声速飞机概念方案及研制计划。这意味着美国两大军工巨头在高超声速飞机领域已经积累了相当的科研成果，而且竞争态势也上升到了“正面交锋”的程度。不难预见，两大巨头的大力投入和相互竞争，必将助推美国高超声速飞机进入高速发展阶段。
波音公司在AIAA SciTech 2018展会现场拍摄的高超声速飞机方案模型（美国《航空周刊与空间技术》照片）
一、波音公司高超声速飞机科研背景
1. 具有丰富的高超声速飞行器及大型高速飞机的研制试飞经验
波音公司是最早介入美国高超声速技术研发的军工企业之一，在上世纪就成功研制了X-15试验机（有人驾驶、火箭动力、载机放飞、滑翔着陆，最大速度马赫数6.7）、XB-70“女武神”轰炸机验证机（总重240吨，涡轮动力，水平起降，最大速度马赫数3.2）等高马赫数飞机，并成功试飞了数百架次。进入21世纪后，波音公司又成功完成了X-43A（2007年实现最大飞行马赫数9.8）和X-51A（2013年实现最大飞行马赫数5.1）等高超声速飞行器的研制和试飞，分别成功验证了氢燃料和碳氢燃料超燃冲压发动机技术，获取了大量宝贵的吸气式高超声速飞行试验数据和工程经验。虽然这些都不是严格意义上的高超声速飞机（水平起降、吸气式动力、最大速度马赫数5以上），但无疑为波音公司研发高超声速飞机奠定了坚实深厚的技术和工程基础。
波音公司1960年代研制的马赫数3级XB-70轰炸机验证机（美空军图片）
2. 至少在2009年以前便已形成了一轮高超声速飞机方案
此前，波音公司从未主动公开披露过其开展高超声速飞机研究的信息。但从美空军2010年归档的一份公开研究报告成果中我们发现，波音公司至少在2009年以前便已经完成了一轮高超声速飞机概念方案，该方案被波音公司称为Manta 2025方案。
波音公司Manta 2025高超声速飞机概念方案三视图（美国波音公司图片）
Manta 2025方案充分体现飞发高度融合的设计理念和外形特征，采用了典型的大后掠三角翼乘波体布局，将飞机前体与进气道、后体与尾喷管合二为一，整个推进系统与机身高度一体化。机身扁平，机翼后掠角极大，翼展及襟副翼尺寸都较小，垂尾内倾且明显截短。推进系统采用并联式涡轮基冲压组合发动机（TBCC），并采用了独特的左右并联式紧密布置方式。该方案设计上明显偏向高速性能，牺牲了低速性能，且飞控难度较大。该方案的关键指标包括：最大速度马赫数7，总重84吨，空重34吨，载荷2.3吨。
二、波音公司本次公布的概念方案及研制计划
波音公司最初完全依靠自筹资金启动了高超声速飞机概念方案研究项目，但在后续科研过程中获得了2014年起美国防部国防高级研究计划局（DARPA）“先进全状态发动机”（AFRE）项目和2016年起美空军涡轮基冲压组合发动机（TBCC）飞行验证机概念研究项目的经费支持。本次公开披露的高超声速飞机概念方案就是该项目的研究成果。
1. 概念方案
采用大后掠双三角翼无尾加双垂尾布局，机身有明显的细长型突起脊背，机腹平坦，两侧有明显的大后掠边条。该设计既可以在高超声速段获得乘波升力，又可以在起飞降落等低速段依靠前部边条产生的涡流获得涡升力。机身背部高高隆起的脊背既平滑了跨声速面积律，又大大提高了机身容量，为布置任务载荷、燃油等留下了充足空间。
波音公司在AIAA SciTech 2018展会现场拍摄的高超声速飞机方案模型（《航空周刊与空间技术》照片）
飞机采用涡轮基冲压组合（TBCC）发动机，包含常规涡轮发动机和双模态亚燃／超燃冲压发动机，二者共用进气道和尾喷管。两台TBCC发动机并排紧密布置在机腹中央，每台TBCC内部则采用了涡轮发动机和冲压发动机左右并联的布置方式，而不是上下并联。内转式进气道采用了突出的中间隔板设计，进气道的位置刚好可以捕获前机身在机鼻处产生的激波，尾喷管也采用了突出的船尾型分隔尾椎设计。总体而言，新方案明显借鉴了XB-70轰炸机的布局特征，显示出两者间密切的技术渊源。
此外，从模型外观上看，该方案没有座舱，应该是一个无人驾驶方案，也未见起落架、载荷舱等细节。波音公司未披露该方案的任何指标，只透露最大飞行速度达到马赫数5以上，并特别强调了飞发一体化设计技术在开展高超声速飞机概念方案研究中的重要性。
2. 研制计划
波音公司披露，该方案瞄准的背景型号是未来高速打击和侦察飞机。波音公司计划以该方案为基础，第一步先研制一型F-16战斗机大小、采用单台发动机的验证机，主要用于开展飞行试验；第二步再研制一型SR-71侦察机大小、采用两台发动机的作战飞机。波音计划在2020年代末完成型号研制，打造出一型SR-71“黑鸟”侦察机的后继机。
三、启示与分析
1. 波音公司新方案相比老方案发生了重大变化，显著降低了速度指标要求
除了标志性的TBCC发动机左右并联紧密布置方式外，波音公司的新方案基本完全颠覆了2009年以前提出的Manta 2025方案，主要体现在：三角翼变成双三角翼、主翼后掠角减小，内倾截短垂尾变为外倾正常垂尾，还有最显著的是，将扁平机身与进排气系统高度融合的典型乘波体布局改为大长细比高脊背机身和机腹进气的局部乘波式常规布局。新方案明显降低了高速性能需求，更好地兼顾了低速性能和任务需求特性。这表明，波音公司显著降低了高超声速飞机速度指标的总体要求。波音公司在AIAA SciTech 2018展会现场也表示，新方案的速度指标为马赫数5及以上，显著低于Manta 2025方案时提出的马赫数7。
2. 波音公司的发展构想与洛马公司高度趋同，在顶层设计上已经形成了基本共识
不但与Manta2025方案大相径庭，波音公司的新方案及发展构想更是和洛马公司公布的SR-72高超声速飞机方案及构想呈现出十分显著的趋同倾向，包括：
洛马公司（左）2013年底和波音公司（右）2018年初公布的高超声速飞机方案（《航空周刊与空间技术》照片）
——任务定位趋同：使命任务都定位为高速／高超声速侦察和打击，并且都明确提出SR-71“黑鸟”侦察机后继机的型号定位。
——总体方案趋同：气动布局上均采用大后掠三角翼无尾布局设计，机身均采用了高脊背、大容量和平面机腹的设计，推进系统上均采用并联式TBCC方案且均布置在机腹下方。二者仅在垂尾、发动机舱间距等局部存在差异。
——发展思路趋同：均为两步走，第一步均为研制战斗机大小的单发验证机，第二部均为SR-71大小的双发飞机型号。且均瞄准2030年前形成装备。
两家竞争企业的总体方案趋同，可以视为对彼此方案和思路的印证，也表明美国工业界对高超声速飞机研究取得的共识远大于分歧，在任务定位、总体方案、发展思路等顶层设计上已经实现较大程度的收敛。同时这也可能反映出，对于高超声速飞机这种设计要求极端复杂和苛刻的尖端装备来说，本身能够允许的设计空间和选择余地并不大。
3. 美军或将在近期启动高超声速飞机重大科研项目，速度指标应为马赫数5-6级
根据多年来对美空军高超声速飞机发展的密切观察和分析，美空军将在2025年前后实现一型高超声速飞机验证机的首飞，在2035年前后率先完成一型高超声速飞机的型号研制。按照该进度，美空军极可能在近期启动高超声速飞机集成演示验证项目，利用六七年时间完成验证机研制试飞。该进度稍晚于波音公司和洛马公司各自提出的计划构想（2023年验证机、2030年型号），但恰好能够形成相互印证和支撑（通常企业在立项论证阶段更倾向于提出相对激进的进度计划，尤其是在有竞争的形势下）。
从技术可行性上看，经过多年来在气动、推进、材料和结构等瓶颈技术上的持续探索和攻关，美国已经积累了足够的技术储备，初步具备了开展高超声速飞机集成验证的条件。目前DARPA正在开展马赫数5级涡轮基冲压组合发动机（TBCC）地面集成验证，计划2020年完成地面验证，初步解决制约高超声速飞机发展最关键的技术瓶颈。综合1）美空军2011年高速飞机发展路线图提出的速度指标为马赫数5，2）DARPA在研的TBCC地面验证项目提出的速度指标为马赫数5，3）洛马公司SR-72项目提出的速度指标为马赫数6，4）波音公司提出高超声速飞机概念方案速度指标为马赫数5等信息，分析认为，美军很可能会在近期率先启动一型高超声速飞机演示验证项目，其中核心的速度指标应为马赫数5～6级，且更偏向于马赫数5。这可能是综合权衡了当前技术基础、技术验证需求和未来任务需求、以及周期和成本等因素的结果。
无论军方态度如何，以洛马、波音为首的美国工业界已经合力率先吹响了高超声速飞机“总攻”的号角。美国军方将如何响应，竞争态势如何发展，我们拭目以待。
廖孟豪先生已为《空天防务观察》提供23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 | |
15 | 2月27日 | |
16 | 4月21日 | |
17 | 4月26日 | |
18 | 7月21日 | |
19 | 7月23日 | |
20 | 11月10日 | |
21 | 11月29日 | |
22 | 2018年1月11日 | |
23 | 美国波音公司公布高超声速飞机计划，开启双雄争霸新局面（即本篇） | 1月15日 |
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（中国航空工业发展研究中心 廖孟豪）
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