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波音高超声速客机概念将亮相范堡罗航展

日期:2018-07-11 来源:中国航空报 护眼模式:

  

  

  

  

  一年前的巴黎航展上,波音公司CEO丹尼斯·穆伦伯格曾经对媒体表示:“未来的10~20年间,波音公司的高超声速客机有望成为现实并投入商业运营。”这番话在当时曾引起巨大反响,媒体纷纷将其解读为波音公司开展高超声速客机研制的宣言,并认为波音将很快公开其相关研制计划。波音公司此后一直也没有对外宣布关于高超声速客机的任何信息,只在今年1月对外展示了一个无人版的高超声速飞机模型,并且明确表示这个模型的背景是高超声速侦察打击和侦察机。

  高超声速客机概念终揭面纱

  然而,时隔一年之后,波音公司在范堡罗航展前夕终于对外公布了其超声速客机研制计划。6月26日,在美国航空航天学会(AIAA)2018年度航空峰会上,波音公司对外发布了一个高超声速飞行器概念图,与半年前发布的模型不同的是,这个概念图明显是一款民用客机。波音公司还表示将在今年的范堡罗航展上,正式对外公布这个设计概念。

  波音公司在今年1月展出的模型采用了大后掠双三角翼无尾加双垂尾布局设计,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保证了优良的气动外形,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。

  而波音当时公布的细节显示,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。

  而从波音公司本次公布的概念图来看,这款未来民用高超声速客机很显然与今年1月发布的军用高超声速飞行器同根同源。前者采用了与后者类似的总体气动外形,只是机头部分进行了加长并修型变细,机头增加了座舱设计;此外原有的比较明显的细长型脊背设计被取消,代之以接近半圆柱形的整体式机身设计,这也与传统的商用飞机更为相似;垂尾根部进行了修型,尾喷口设计的更为扁平。

 

  波音的技术和布局

  高超声速飞行器的飞行速度要求是在马赫数5.0以上,这个速度是绝大多数民航现役飞机巡航速度的8倍。在AIAA2018年度航空峰会上,波音公司高层对媒体表示,他们公布的这个新概念有望在未来20~30年间投入商业运营,最大飞行速度为马赫数5.0。

  除此之外,波音公司没有就公布的概念图透露更多的细节,包括飞机未来的载客量以及航程等。由此可见,波音公司公布的这个概念还处于一个发展的过程中,概念方面的细节将会根据未来的需求改变和完善。用波音高层的话说,在将概念图变为现实之前,他们还面临很多技术和管理方面的挑战;更长远地看,还有市场开拓方面的问题,以及说服航空公司放心地运营高超声速客机,此外还要考虑到民众对高超声速飞行安全性、高额票价的承受力,等等。

  按照波音公司长期以来研制商用飞机的传统,每发布一个新概念之后都会广泛征求航空公司和民众的意见,同时也会激励公司内部的年轻人勇挑重担,参与到新项目的研制中。相信在新的高超声速客机研制方面同样如此。波音公司高超声速技术高级研究员兼首席科学家凯文·波克特说:“我们很高兴高超声速技术能够比以往更快地连接世界,波音公司正在建立未来60年里设计,开发和测试高超声速飞行器的基础,这将使我们能够引领未来。”

  在过去的几十年里,波音公司一直没有间断关于高超声速飞行技术的研究。而在最近的15年里,波音公司先后制造了并试飞成功了氢动力高超声速飞行器X-43,最大飞行速度马赫数9.8;此外波音还研制了采用喷气式发动机推进的试验型导弹X-51,最大速度马赫数达到5.1。

  最近几年,波音公司高超声速飞行器研制方面也是动作频频,除了参与美国-澳大利亚联合的HiFire高超声速导弹研制计划之外,公司下属的风险投资部门HorizonX(地平线X风投) 于2017年成立之后不久,就宣布将入股英国反作用力发动机公司(Reaction Engines),这家英国公司当前正在研制可用于飞行速度达到马赫数5的高超声速客机的新型发动机。今年4月,波音公司对外发布消息,与英国BAE、罗罗联合参与了发作用力发动机公司的新一轮融资,三家的投资总额达到3730万美元。

  反应力发动机公司目前研制的新型发动机称作“组合式吸气火箭发动机”(SABRE,也译作“佩刀”)。SABRE发动机的一项关键技术就是轻质热交换器技术,该技术能够防止发动机部件在高速飞行状态下过热,从而提升高超声速飞行能力。因而,波音公司也明确表态其入股反应力发动机公司并非是单纯的投资行为,波音HorizonX总裁曾表示:“反应发动机公司开启了将改变未来航空和太空飞行的先进动力技术,我们希望能够利用它们的颠覆性技术,以支持波音对高超声速飞行的追求。”

 

  发动机是难点

  就目前的技术而言,研制高超声速飞行器最大的难点还是发动机,即使对于波音、洛马之类的世界航空巨头而言依然如此。由于波音公司新公布的高超声速客机与之前的高超声速军用飞机系出同源,所以不出意外的话,两者都将采用TBCC动力系统,而美国国防预先研究计划局(DARPA)经过长期的预研和论证,于2016年时正式明确了TBCC发动机是高超声速飞机动力系统的最佳解决方案。

  TBCC组合发动机是一种通过涡轮发动机和冲压发动机组合形成的新型动力,涉及涡轮发动机、冲压发动机和TBCC集成(核心是实现涡轮与冲压模态的相互转换)三大方面的技术研发工作,其难度和复杂性由此可见。两年前,美国宣布启动“先进全状态发动机”(AFRE)项目,旨在研发和地面验证一种能够在马赫数0~5+范围内无缝工作的可重复使用、碳氢燃料、全尺寸涡轮基冲压组合(TBCC)发动机,以支撑未来高超声速飞机的研制。尽管AFRE项目旨在满足军方的需求,但是对民用领域有一定的参考意义。

  DARPA在AFRE项目中提出的要求是,未来的TBCC发动机将能够满足航程大于1200海里(约2200千米),速度大于马赫数5,且飞行高度大于6万英尺(约18千米)的高超声速飞行器的要求。DARPA曾表示AFRE项目将在2020财年前后完成全尺寸TBCC模态转换地面试验,并有望在2025年前后完成基于TBCC的高超声速飞机验证机首飞。

  尽管AFRE项目给出了关于TBCC发动机从研制到投入应用的明确时间表,但是需要明确的是,DARPA主导研制的TBCC是为了满足10吨级军用平台的需求,对于商用客机来说其仍然无法满足需要。就波音公司发布的新概念来说,如果其采用50座级布局,即使在设计制造过程中机身采用大量新材料和新技术,其最大起飞重量也仍将达到20吨左右,如果采用两台发动机,对发动机的推力性能都将提出更高的要求。

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