【军事文摘】美国“黑鸟之子”SR-72高超声速飞行器发展与“推力鸿沟”问题解决途径
美国洛马公司旗下的臭鼬工厂宣布其将研制SR-71黑鸟后继机——黑鸟之子SR-72高超声速飞行器。该飞行器集情报、监视、侦察与打击功能为一体，若服役将显著提升美军情报、侦察与打击能力。
★主要性能
根据美国空军高超声速长期路线图，发展SR-72飞行器可替代SR-71高空侦察机，填补现有卫星、亚声速有人、无人飞行平台在快速反应情报方面日益增长的能力缺口。SR-72是一种双发高超声速飞行器，机长超过30.5m，其尺寸将与SR-71相似，作战半径约5400km。SR-72飞行器能够从常规跑道水平起飞和降落，以涡轮基组合循环发动机（TBCC）为动力系统，利用涡轮发动机从零速度起飞，到达一定速度后利用双模态超燃冲压发动机加速到巡航速度，其巡航速度可达到马赫6（SR-71两倍）。与SR-71不同，SR-72增加了打击的功能。据《简氏防务周刊》报道，SR-72飞行器具备有人驾驶、无人自主飞行的两种飞行模式，在马赫数0~3采用有人驾驶方式执行飞行试验、作战等任务，在马赫数0~6采用无人驾驶方式执行情报、侦察、监视和打击等任务。洛•马公司考虑到了研发和使用的经济可承受性，演示验证用样机的造价不超过10亿美元。
★研制工作的基础
自2006年以来，美国洛马公司臭鼬工厂一直与航空喷气洛克达因公司合作，开发利用现有涡喷发动机与超燃冲压发动机集成的方法，从而实现飞行器从0加速至马赫数6以上。SR-72飞行器以HTV-3X黑雨燕研究为基础，HTV-3X研究获得了很多基础性的经验，特别是维持跨声速段稳定性的飞控系统设计问题。臭鼬工厂设计团队还开发了涡轮发动机和冲压发动机间实现相互模态转换的方法，并利用一系列试验证实了该方法的有效性，其中包括首次进行了模态转换验证试验，即在FACET项目（猎鹰计划的组合循环发动机技术子项目）下完成了TBCC的缩比地面试验，试验使用的TBCC系统由小型高马赫涡轮发动机和双模态超燃冲压发动机组成，两种发动机共用一个轴对称进气道和尾喷管。
SR-72使用的涡轮基组合循环发动机
研制TBCC面临着一个难题，即如何解决现有涡喷发动机最大速度马赫数2.5，与亚燃/超燃冲压发动机启动速度马赫数3~3.5之间的动力接力问题。臭鼬工厂的设计人员将加速至马赫数3称作“推进鸿沟”。洛马公司称已经掌握解决“推力鸿沟”的方法，指出“进气道设计是成功完成一体化模态转捩的关键”、“必须使亚燃冲压发动机压缩系统和涡轮发动机压缩系统共同稳定工作，两发动机将采用并行方式运行”，但并不愿透露解决“推进鸿沟”问题的细节。
☆美国SR-72高超声速飞行器关键技术解析
★推进技术
SR-72飞行器将使用TBCC推进系统，该系统将高马赫数涡轮与冲压发动机相结合。根据设想，推进系统舱将安装在机身靠近内侧，采用上下组合式循环式发动机布局以及内旋式发动机进气道。与HTV-3X的设计差异在于SR-72采用了仅适用于小型涡轮发动机（战斗机发动机级）设计。采用共用进气道和喷管的原因在于进气道的溢出阻力和喷管的底部阻力是主要的阻力来源。
★气动布局
在气动布局方面，SR-72整体采用了突出脊背+三角翼+单垂尾的气动布局，而非像X-51A那样的乘波体布局。SR-72飞行器设计有突出的脊背，并与大后掠角三角翼相融合，延伸至机身后段。脊背和三角翼旨在增加方向稳定性，并在高速巡航时提供更多的升力。在发动机进气道外侧，机翼前缘向外延伸一段后，转为与机身平行，经过一段过渡后，进一步延伸为具有稍小后掠角的机翼外段。机翼前缘、机翼内翼外段、进气道外侧构成了一个梯形翼面。梯形翼面所产生的涡升力将有助于低速段的飞行。
SR-72高超声速飞行器气动布局示意图
★材料与热防护
臭鼬工厂工程与先进系统副主管阿尔•罗米格称，速度将是新的隐身方法。这意味着高超声速飞行器无需过多考虑隐身问题。采用大型发动机进气道和低隐身性气动布局表明SR-72概念基本没有考虑隐身问题。尖锐前缘的热防护要求可能是更为重要的问题。类似HTV-3X，该飞行器可能采用热金属前缘和“热/加热”金属主结构设计以处理较高热流密度载荷。
★武器系统
在设计SR-72时，除考虑情报、监视、侦察能力外，还考虑了携带导弹的打击能力。从马赫数6飞行的平台发射的导弹无需助推器，将显著减少导弹重量。更高速度的SR-72将能探测和打击机动性更强的目标。即使是马赫数3的SR-71，被侦察目标仍可提前注意到飞机的来袭，但是对于马赫数6的飞机而言，根本没有足够的时间来隐藏移动目标。
★试验技术
根据洛马公司的设想，SR-72试验工作将以有人驾驶的飞行研究机（FRV）为起点，该研究机长约18.3m，动力装置为单台全尺寸推进系统。FRV大小与F-22相当，采用单台发动机，并能以马赫数6飞行数分钟。在FRV完成了基线验证机的作用后，它可以成为一个开发高速ISR技术和支持SR-72武器配置、航空电子和下行链路系统测试的试验平台。
SR-72 的单发型演示验证研究机
★未来发展
洛马公司已经完成部件的缩比试验，下一步将进行一系列试验或关键性的演示验证。洛•马公司计划在2018年开始研制用于演示验证关键技术的验证机，2023年实现首飞，预计SR-72可在2030年交付部队。一旦SR-72飞机获得美国政府和军方投资、研发成功并交付部队使用，将显著提升美国空军实力，该高超声速飞机可在一小时内到达全球任何地点，凭借其速度优势突破敌防空系统，执行情报、侦察、监视、打击等多样化作战任务。
☆臭鼬工厂解决“推力鸿沟”问题采用技术途径的分析
美国研究人员认为研发TBCC面临着一个关键难题就是：如何解决现有涡喷发动机最大推进速度为马赫数2.5，与亚燃/超燃冲压发动机启动速度马赫数3-3.5之间的动力接力问题，研究人员称加速至马赫数3为“推进鸿沟”。为研发TBCC，美国曾并行开展了两个研究项目，即美国空军研究实验室负责的高速涡喷发动机演示项目（HiSTED）和高级研究计划局（DARPA）负责的FaCET项目，根据美国航空周刊报道，空军负责的HiSTED项目已经下马，而DARPA负责的FaCET项目取得了一定进展。在近期有关SR-72飞行器的报道中，臭鼬工厂研究人员称已经找到了解决“推进鸿沟”问题的办法，但并不愿透露解决的技术途径与方案。
美国《航空周刊》的研究人员认为臭鼬工厂解决“推进鸿沟”的概念可能包括：
（1）采用喷流预冷却TBCC 发动机概念，该概念的方法是喷射流体到进气道,蒸发冷却进气道中的气流, 使空气温度下降, 密度增加, 这样就增大了通过发动机的空气流量, 也就增大了推力；
（2）高速燃烧器（hyperburner），即在涡轮发动机后设置一个加力燃烧室的推力增强装置；
（3）使用火箭引射亚燃冲压发动机，实现飞行器0至6马赫无缝推进接力。
综合分析SR-72飞行器相关信息，并结合已掌握的美国TBCC发动机技术发展情况，我们分析认为：将涡轮发动机、火箭引射亚燃冲压发动机和双模态超燃冲压发动机三种发动机组合到一起，形成名为Trijet的新型TBCC发动机，是臭鼬工厂解决“推进鸿沟”的技术方案。火箭引射亚燃冲压发动机在马赫数0~4区间工作，可弥补涡轮发动机在向双模态超燃冲压发动机转换时推力不足的问题，进而填补“推进鸿沟”。主要有以下几点论据：
☆洛马公司收购的喷气推进公司重点发展Trijet发动机
近期，洛马公司获得了高速打击武器（HSSW）项目0阶段的合同，并高调公布了其SR-72高超声速飞行器概念，表明洛马公司希望全面进入高超声速飞行器研发领域，这与其在2013年6月收购喷气推进公司具有一定关系，而喷气推进公司在高超声速推进系统领域重点发展的就是Trijet发动机。此外，SR-72飞行器用的动力系统概念由臭鼬工厂和喷气推进公司共同合作开发完成，很可能使用的就是喷气推进公司极力推崇的Trijet发动机概念。
Trijet项目设计的组合循环发动机同时集成了涡轮、火箭与双模态冲压组合
☆SR-72概念图与2011年喷气推进公司在报道其Trijet发动机使用的飞行器概念图极为相近
根据报道，早在2006年臭鼬工厂和喷气推进公司开始合作开发集成涡轮发动机和双模态超燃冲压发动机的方法，而2011年喷气推进公司在报道其Trijet发动机研究进展时，就无意中使用了与洛马公司近期公布的SR-72极为相近的图片，喷气推进公司在报道中只字未提洛马公司，但使用的确是洛马公司绘制的飞行器概念图。
☆多个技术细节符合Trijet发动机技术方案
采用战斗机发动机级别（臭鼬工厂以F100/F110发动机为例）的小型涡轮发动机和内旋式进气道是SR-72动力系统的突出特点。喷气推进公司提出Trijet发动机理念也是采用内旋式进气道，而小型涡轮发动机很难符合预冷涡轮发动机和“高速燃烧器”的要求，且“高速燃烧器”并未使用的是传统涡扇发动机进气道，而非内旋式进气道。显然，Trijet发动机技术方案与SR-72采用的动力系统方案概念更加相符。
Trijet发动机图片与SR-72使用的TBBC发动机极为相近
综上所述，我们认为，采用Trijet发动机技术方案是臭鼬工厂解决“推力鸿沟”的技术途径，并且通过与喷气推进公司的合作，Trijet发动机研究已经取得一定进展。该发动机是新型发动机概念，需要进一步加强跟踪研究。
（来源：海鹰资讯，作者：陈敬一）
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