【科技动向】专家述评：波音公司公布马赫数5级高超声速民用飞机概念方案
廖孟豪先生为《空天防务观察》撰写的导读：
波音公司在目前正在美国亚特兰大召开的美国航空航天学会（AIAA）会议上公布了这一概念方案，并由美国长期跟踪报道高超声速飞机的著名航空专业媒体《航空周刊与空间技术》进行了详细的刊发报道。这篇报道篇幅很长，其中多半篇幅都是对波音高超声速首席科学家鲍卡特的口头采访，但这些访谈中却包含了大量波音公司对于军用和民用高超声速飞机的研究细节和结论，非常值得仔细研读。因此本文原封不动地全文翻译了该报道，供专业人士详细参阅。
同时，为方便快速阅读，总结本文的核心要点如下：
1）在顶层战略上，波音公司已经将高超声速飞机视为了公司发展的战略方向，在军机和民机两大核心业务领域上都大力投入了研发力量和科研经费（包括军费和自筹）。
2）在发展思路上，采用了军民融合发展的理念，在气动、动力等关键技术领域都尽量共用相关设计和技术，并明确要采用同一型验证机来验证二者共用的技术，以便最大化前期科研攻关的效益。
3）在核心指标上，波音公司认为马赫数5是一个分水岭，其中民机控制在马赫数5，军机则为马赫数5＋。
4）在技术路线上，气动布局类似，动力都采用涡轮与冲压组合的路线，但在组合方式及冲压部分存在细微差别，其中马赫数5的民机采用的是涡轮与冲压在空气流路上并联、在燃烧室布置上串联的方式（更像串联式TBCC），而马赫数5+的军机则空气流路与燃烧室布置都并联的方式（即并联式TBCC），且前者采用亚燃冲压发动机，后者采用亚燃／超燃双模态冲压发动机。此外，波音创新性地提出了液体甲烷和航空煤油构成的双燃料体制，以兼顾热管理和动力需求。
波音公司明确可在2023或2024年实现验证机首飞，10年内完成情监侦飞机研制，与此前表态形成印证，也与洛马公司的进度计划高度一致，展现出了较高的可信度。
因此，综合来看，美国高超声速飞机技术实力比我们预期的要强大得多。
2018年6月26日，据美国《航空周刊与空间技术》网站报道称，在正在美国亚特兰大召开的美国航空航天学会（AIAA）2018年航空学术大会上，波音公司首次披露了其一种高超声速客运飞机的初始概念方案。该概念方案由波音商用飞机公司（BCA）联合波音研究与技术部（BR&T）共同研究，是一型能够2小时跨越大西洋或3小时跨越太平洋的、马赫数5级的客运飞机。
该方案的远期目标是实现商用和军用。尽管未给出详细数据，但该方案看上去像是瞄准一型载客量介于远程公务机和波音737之间的客运飞机，投入运营的时间点大概是在2030年代末以后。该方案巡航速度为马赫数5，巡航高度约29260米，都远超2003年退役的“协和”号超声速科技。
波音公司在2018年6月AIAA航空学术会议上公布的马赫数5级高超声速民用飞机概念方案构想图（美国波音公司图片）
波音公司在美国防部国防高级研究计划局（DARPA）和美空军研究实验室（AFRL）资助的部分资金支持下，正在公司内部开展一个高速／高超声速飞机研究项目，其中成果之一就是波音公司曾在2018年1月AIAA科技会议上首次公布的高超声速军用飞机（用于情监侦和打击）概念方案（详情请见本文末尾廖孟豪先生原创文章列表中的相关文章）。波音公司的这个高超声速民机方案也是该内部研究项目的一项成果。同时，波音公司还应该正在开展一个更大的高超声速飞机项目，该项目可能包含了要在近期研制一型高超声速飞机验证机的相关工作。该公司高超声速首席科学家凯文·鲍卡特（Kevin Bowcutt）表示，一旦获批，该验证机可用来验证满足军用和民用等应用要求的机体、系统和推进等一系列（高超声速飞机）技术，预计最早可在2023或2024年实现首飞——“你现在必须要去做这些研究，以便能够找到我们要重点推动的技术方向以及该做哪些工作。技术上来说，我们已经具备了能够在10年之类研制出一型（军用）高超声速飞机的能力，比如情监侦飞机。但要实现商用运营，则还有更长的路要走，比如市场、法规、环保要求等。必须要等到这些要素都齐备了，商用飞机才可能成为现实。”
波音公司研究认为，马赫数5是高超声速飞机在民用和非运输类军用之间的速度分水岭。“对于从全世界任何一点A到另一点B这个问题而言，核心在于你究竟想要多快完成这段旅途，并且到底多快才算快？超声速并不算真正的快，因为超声速还实现不了一天之内完成跨洋往返飞行。而对于商务出行或者军用而言，时间是一个非常重要的要素。而马赫数5则刚好可以做到这一点。你可以在2小时左右完成跨大西洋飞行，或者3小时跨太平洋。”在波音商用飞机公司设计师们的联合协助下，波音研究与技术部完成了当前空运网络下更高巡航速度带来的潜在优势研究。“你可以仔细关注一下时间这个要素，你会发现确实能够在一天内实现往返。这一点对于民航班机来说非常重要，因为相比一天只能飞单程而言，一天内往返你就可以实现两倍收入。”
波音这次发布的商用高超声速飞机概念方案在外形上明显借鉴了此前2018年1月公布的军用飞机方案特点，同时也借鉴了波音公司在20世纪60年代开发的2707超声速民机方案、90年代开展“高速民用运输飞机”（HSCT）项目成果以及21世纪初开发的“声速巡航者”（Sonic Cruiser）跨声速概念方案。其他还包括波音公司各种低声爆和超声速公务机等研究项目的成果。鲍卡特说，“数月前，我们与波音商用飞机公司分享了这个新公布的方案，然后问他们是否有兴趣开展进一步的研究。他们说有兴趣，因此我们在这个公布给大家看的方案的基础上，又迭代开展了大量的深化研究工作。我们不会公布迭代深化后的成果，但我们还是公开分享这个起始方案的相关信息。”波音商用飞机公司负责产品战略与未来飞机发展的副总裁麦克·辛奈特（Mike Sinnett）表示，“我们分享了我们对商用飞机市场的深度分析、后续发展方向、以及未来发展需求等，包括乘客诉求、法律法规等。”
波音公司在2018年1月AIAA科技会展上公布的马赫数5级高超声速军用飞机概念方案（美国《航空周刊与空间技术》图片）
鲍卡特表示，联合团队目前正在研究需求和飞行架次数等，“我们正在试图建立一个适合我们共同开展密切协作的基准概念方案，然后我们才能够开始细化研究市场以及诸如声爆、起飞噪声等细节问题。”然而，从技术挑战的角度看，速度指标是决定性因素。“（单从数字上看，）从马赫数0.8到马赫数5是一个6倍的提升，从马赫数5到马赫数6则只提升了20%。但是从马赫数5以后，速度提升带来边际收益在减小，而边际成本则在增加。因此我们要在这中间找到一个技术台阶，或者叫拐点。一旦速度超过这个拐点，你将在推进或材料上碰到台阶。”“协和”客机巡航速度只稍高于马赫数2，铝合金就够用了，而波音认为马赫数5的巡航速度下飞机必须使用先进的钛合金机身结构。
鲍卡特表示，选择马赫数5也简化了推进系统。“我们认为不需要使用超燃冲压发动机，只需要用到涡轮冲压发动机就够了，即一种能够在马赫数5下转换成亚燃冲压模态的涡扇发动机。”对比之下，马赫数5+的情监侦飞机则需要采用更加复杂的涡轮基冲压组合循环发动机（TBCC），这种发动机包含涡轮发动机和亚燃／超燃双模态冲压发动机（DMRJ）。其中，涡轮发动机要求能够工作到足够高的速度，以便能够转换到冲压模态。两者共用同一套进气道和尾喷管，而涡轮发动机将在完成模态转换后封闭起来，然后在速度降下来以后再空中重启，直到飞机着陆。
而另一方面，用于这种高超声速商用飞机的涡轮冲压发动机则更类似于洛马公司马赫数3级SR-71“黑鸟”采用的普惠J58发动机，但在其基础上进一步在高速状态下彻底关闭了涡轮部件。波音公司提出了一种环形涡轮冲压发动机概念，其中涡轮发动机由现役商用涡扇发动机核心机改进而来，负责将飞机加速到可以转换成冲压模态的速度，然后由冲压发动机继续推进，而涡轮发动机则部分或全部封闭起来。这种发动机也只有一套进气道和尾喷管，在涡轮发动机外围集成有一个轴对称的环形外涵道。来流空气通过这个外涵道绕过涡轮发动机，直接进入位于发动机后部的加力燃烧室，或者叫冲压燃烧室。这有点像GE和普惠早前研制的三流路、自适应循环XA100/101军用发动机的方案。“这不是什么新概念，但不同点在于，J58的马赫数上不去，因为它还是有部分空气必须通过涡轮部件。而当速度达到马赫数5时，这是行不通的。你必须要（对涡轮发动机）进行封闭，可能还需要对流经涡轮发动机的部分空气进行冷却。”
鲍卡特表示，先进的冷却技术对于控制客舱、机载系统和推进系统的热环境来说都将是一个关键。这其中可能会用到英国反作用发动机公司（REL）在“佩刀”（SABRE）发动机上开发的热交换器技术。波音表示反作用发动机公司也正在“支撑我们的这项研究”。 鲍卡特认为REL的热交换器技术将“是一个很好的助力，很可能发挥非常重要的作用。”
英国反作用发动机公司展出的“佩刀”发动机验证机模型，其中最左侧白色部件即为该发动机的核心部件——热交换器（英国反作用发动机公司图片）
对于整套推进系统，波音公司也将可能需要商发三巨头（通用电气、普惠和罗罗）以外其他工业企业的帮助。目前，波音公司正在持续开发军用的高超声速飞机概念，并获得了来自DARPA“先进全状态发动机”（AFRE）项目和美空军研究实验室TBCC飞行验证机概念研究项目的资助。其中，负责动力系统的子承包商是诺格创新系统公司（即原轨道ATK公司）。
波音公司同时也在研究使用液体甲烷来作为冷却系统的重要组成部分，同时研究将液体甲烷与Jet A型常规航空燃油整合成涡轮发动机的双燃油体制。“甲烷的好处是既可以用作冷却剂又可以用作燃料。甲烷的热值比Jet A高，因此比冲也更高，但是甲烷密度低，需要付出更大的体积代价。因此如何优化两者的配比是一项非常重要的研究内容。甲烷占比也可能是100%，也可能只是一部分，我们目前还没有答案。”
波音公司的这个概念方案在气动方面具有更坚实的基础。该公司曾开展过大量高超声速乘波体布局的研究和试验。“我们正在开展大量气动研究工作，不断探索高超声速巡航升阻比的理论极限。我们确实掌握了不少关键要素，来使得乘波体布局获得比较好的升阻比，同时又能够与推进系统集成后获得比较高的性能。”对于低速飞行段和起飞噪声降低等问题，波音公司正在“研究采用流动控制等办法来提升机翼升力，研究降低发动机的噪声水平等。我们在这些方面采用了一些创新的技术，但我不能透露具体信息。我们确实还有大量工作要做，但我们已经有了很多非常精妙的设计思路。”
本条动向的提供者廖孟豪先生已为《空天防务观察》提供29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 | 1月15日 | |
24 | 1月31日 | |
25 | 3月6日 | |
26 | 3月8日 | |
27 | 3月23日 | |
28 | 4月12日 | |
29 | 6月12日 |
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（中国航空工业发展研究中心 廖孟豪）
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本篇供稿：系统工程所
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