廖孟豪 ¦ 述评：美初创公司Hermeus披露的马赫数5级高超声速飞机概念方案细节
2019年5月21日，美国《航空周刊与空间技术》网站报道称，美国初创企业——Hermeus公司近期披露要研制一型最大巡航速度马赫数5、载客20人左右、航程4000海里（约合7400千米）的高超声速民用飞机，并初步计划在2020年代末投入商业运营。Hermeus公司认为现有和短期内可实现的技术已经足以支撑实现这一目标。
Hermeus公司表示，将速度限制在马赫数5是该项目在短期内具备可实现性的关键。Hermeus公司首席技术官格伦·凯斯（Glenn Case）表示，“一旦超过马赫数5，燃烧室内的驻点温度、前缘部件的温度等等将过高。现有材料将可以支撑马赫数5的飞行速度，一旦超出轻质材料的承受范围，就必须采用镍基高温合金材料，而再超过高温合金极限的话，就必须要采用了陶瓷基复合材料了。这些材料已经超出我们现在能够熟练应用的技术范畴了。我们还是要聚焦于做工程师的工作，而不是科学家的工作。”以实际飞行过的X-15试验机为例，X-15在马赫数5的真实飞行环境下，在机鼻和翼根处记录到的温度分别是600℃和718℃。而根据预测分析，一旦飞行速度达到马赫数8，这两处部位的平衡温度将分别飙升至2200℃和1700℃。
Hermeus公司在其官方网站上公布的疑似高超声速民用飞机以及疑似技术验证机想象图（Hermeus公司图片）
另外一个将速度限定在马赫数5的重要因素就是动力。Hermeus计划通过将涡轮发动机（涡喷或涡扇）与亚燃冲压发动机组合成一台涡轮基冲压组合（TBCC）发动机，来实现马赫数5的飞行速度。这其中很关键的一点在于不需要采用超燃冲压发动机。Hermeus公司首席运营官斯凯勒·舒福德（Skyler Shuford）表示，“超燃冲压发动机已开展过大量的研究，但我们认为要达到实用还得需要20年左右的时间。超燃冲压发动机要真正（安装在飞机上）达到实用程度，必须依靠国家级的投入才行，而亚燃冲压发动机要在飞机上实用则完全可以通过商业资本来实现。因此，我们将明确定位于采用亚燃冲压发动机。在马赫数5的条件下，亚燃冲压发动机仍然具有较高的比冲。我们切实认为，研制马赫数5级飞机的技术是基本成熟的。其中的关键技术点在于实现涡轮与冲压模态的转换。我们采用的推进系统基线方案目前仍处于初步研究阶段，总体上我们可以肯定，会采用涡喷或涡扇发动机。目前更倾向于涡扇发动机，主要是因为涡扇发动机在马赫数0～3的低速段具有更高的涵道比。洛马公司SR-71高空高速侦察机采用的普惠J58涡轮冲压发动机给了我们很多的经验参考，但我们需要重新学习和认识它，毕竟我们还没有研制过一型适合商业运营的高速发动机。”
该公司首席技术官格伦·凯斯还透露，“公司已经在涡轮机械部件方面启动了合同谈判签署工作，我们正在积极解除该领域的潜在合作对象。虽然目前还不能敲定，但这些潜在合作伙伴都通过自主投入和承担美国政府项目的途径在高速涡轮领域具有丰富的研发经验。当前的研发工作主要是由美国政府在推动，工业部门自主投入相对较少。这对于我们的客户来说是一个非常利好的环境，而且国家也希望培育该领域的工业能力。”比如，美空军研究实验室就正在实施一个名为“面向经济可承受任务能力的先进涡轮技术”（ATTAM）项目，旨在推动一系列下一代小、中、大型涡轮发动机的技术研究。该项目目前已经向通用电气、霍尼韦尔、普惠和罗罗等发动机公司以及洛马、诺格等飞机公司授出了第一阶段合同。
Hermeus公司在其官方网站上公布的高超声速飞机想象图（Hermeus公司图片）
Hermeus公司目前披露的飞机概念图显示采用了大后掠机翼加下反翼尖、双垂尾、二元乘波式进气道等设计。但凯斯表示，最终的方案可能会大不一样。“这张图只是目前阶段的设计，距离实际飞行还有8～10年的时间。我们将对比研究一系列气动外形方案，然后通过计算流体力学反复打磨优化，最终找到最优构型。”
首席运营官舒福德表示，“公司创立仅有半年左右时间，因此还有大量的决策要论证和敲定。但其中至关重要的一点是，我们将立足于兼容现有的航空基础设施，包括现有的机场跑道、现有的航空燃油。我们不希望我们的高超飞机产品必须使用全新的运营设施。”
Hermeus公司首席产品官麦克·斯美达（Mike Smayda）表示，公司瞄准的是高端商务人士和团体的客运市场，“我们的产品将定位在20人载客量、3800～4000海里（约合7000～7400千米）跨大西洋的航线市场。与马赫数2级的‘协和’相比，马赫数5级高超声速飞机的好处是航空公司可以用规模更小的机队满足同样规模的客运需求。”
【廖孟豪先生简评】：
——关于指标。当前披露的是马赫数5、20座级和7400千米航程。最核心的速度指标，选择限制在不超过马赫数5，与波音公司去年6月公布的高超声速民用飞机方案一致。目前亚声速、20座级、7400千米航程的湾流G350公务机起飞总重约32吨，考虑到高速带来的复杂结构等代价，Hermeus高超声速飞机总重将显著大于32吨，将接近或达到737支线客机的体量。
——关于动力。Hermeus的高超声速民用飞机动力选用涡轮基冲压组合发动机（TBCC）方案，且明确采用亚燃冲压而不是超燃冲压，也与波音公司的高超声速民用飞机方案一致。这也再次印证了采用TBCC作为动力来研制高超声速民用飞机的合理性和可行性。实际上，目前为止，美空军、美国防部国防高级研究计划局（DARPA）、洛马公司、波音公司等公布的军用高超声速飞机方案也都全部明确采用TBCC作为动力。
——关于进度。Hermeus再次确认计划用10年左右时间实现商业飞行，扣除4-5年的取证时间，实际研制周期仅剩5-6年。尽管公司技术官员强调现有材料满足要求、动力仅采用相对成熟的亚燃冲压而不是不够成熟的超燃冲压，但很难想象在5～6年时间内全新研制一型支线客机体量的民用飞机，这对于波音、空客这样的巨头都有难度，何况是一家初创公司。另外，亚燃冲压发动机虽然成熟，但目前主要在超声速导弹上应用，尺寸小、时间短，而且最关键的是仅一次性使用，距离研制适合在飞机上使用的大尺寸长寿命可重复使用亚燃冲压发动机还有一段不小的距离。因此，综合判断，该进度实现的可能性微乎其微。
——关于公司前景。该公司创业团队集体来自美国时代轨道发射服务公司（Generation Orbit）正在承研的美空军X-60A高超声速飞行试验平台研发团队，具有扎实的高超声速飞行器研制经验、技术和基础。最关键的是，Hermeus高超声速民用飞机明确采用普通的航空燃油，而不是其他欧日等企业提出的氢燃料。这就在事实上扫除了该飞机可改型为军用的最大障碍，完全具备军事应用的潜力。加上创始人团队与美空军的合作经历，该项目后期很有希望得到美国军方的支持。因此，尽管进度计划明显有些浮夸，但方案可行性高、团队基础较扎实、有军用前景、有军方合作经验，该公司发展前景不可小觑。
廖孟豪先生已为《空天防务观察》提供43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 | |
30 | 7月18日 | |
31 | 8月15日 | |
32 | 8月16日 | |
33 | 9月28日 | |
34 | 10月8日 | |
35 | 高超攻防4：美国海陆空高超声速助推滑翔导弹披露更多重要细节；DARPA顺利推进高超声速飞机TBCC发动机地面验证；MDA授出21份高超声速防御系统概念研究合同 | 10月24日 |
36 | 11月20日 | |
37 | 12月10日 | |
38 | 2019年1月2日 | |
39 | 2月25日 | |
40 | 3月19日 | |
41 | 4月8日 | |
42 | 5月17日 | |
43 | 述评：美初创公司Hermeus披露的马赫数5级高超声速飞机概念方案细节（即本篇） | 5月23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）
关注本公众号有以下三种方式：
1、点击本文顶部蓝色“空天防务观察”字样，点击“关注”；
2、在微信的“通讯录”-“公众号”中，点击右上角的“＋”号，输入“AerospaceWatch”查到到本公众号之后点击，再点击“关注”；
3、长按下面的图片，选择“识别图中二维码”，关注本号：
您还可以关注我中心“民机战略观察”公众号，掌握和深入了解民用航空领域动向和进展！
本篇供稿：系统工程研究所
运 营：李沅栩