高超声速飞行，航空航天的未来之路？
由于空气的摩擦，任何交通工具表面都会变得非常炽热,高超音速飞行器在临近空间/大气层内长时间以超过马赫数5的高速持续飞行，采用吸气式动力形势的发动机进气道、燃烧室等部位所处的热环境尤其严酷。这使相关零部件对材料的耐高温性能、结构的力学性能等有着很高要求，同时对其空间外形、自身重量等也有着苛刻要求。
当传统制造技术无法满足要求时，3D打印技术为其开辟了一条全新的道路。金属3D打印技术以其能够快速制备具有高材料性能、异形结构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器相关领域得到了愈发广泛的应用。
本期分享的是航空制造网转载的《高超声速飞行，航空航天的未来之路？》。
3D打印超音速飞机发动机
© 3D科学谷
国际上和国内活跃的超音速飞机发动机领域的企业有老牌的大型企业，也有新兴的创业企业，这其中包括GE, Aerojet Rocketdyne ，Reaction Engines（背后的投资者包括波音，劳斯莱斯等），雷神公司(Raytheon)、诺格公司(Northrop Grumman)等等。凌空天行是国内从事商业高超音速飞行产品研发和应用的高科技企业。
3D科学谷市场观察
飞行器设计和材料的挑战
高超声速飞行器是飞行速度超过5马赫的飞机、导弹、炮弹等有翼或无翼飞行器之总称。我国“两弹一星”元勋、著名空气动力学家钱学森先生是高超声速技术的最早倡导者之一。他在1945年曾发表《论高超声速相似律》论文，率先采用“Hyersonic”一词来表示高超声速，同时定义了“飞行速度大于5马赫”的标准，即每小时超过6000公里。
在高超声速飞行中，与亚音速和超音速飞行相比，空气动力学效应更加复杂。高超声速飞行器在飞行过程中会遇到多个重要的力学问题。
一项重要的力学问题是飞行器所受到的热负荷。高超声速飞行器在高速飞行中会产生巨大的气动加热。当高超声速飞行器飞行时，它会压缩和加热周围的空气，导致气体分子之间的碰撞变得更加频繁和剧烈，从而增加了气体分子的能量和温度。此外，高超声速飞行器在飞行过程中还会面临摩擦加热的问题。当飞行器以高速飞行时，与周围空气接触的表面会因为摩擦而产生热量。高超声速飞行器前部的驻点温度随马赫数的二次方增大，如果在60km海拔的高空飞行，当马赫数为10，驻点温度将是来流温度的20倍，来流温度估计为200K，此时的驻点温度约为几千K。
这种气动热问题对飞行器的设计和材料选择提出了挑战，飞行器的结构材料需要具备优异的热稳定性和强度。为了应对这个问题，研究人员通常采用一些热防护措施，如使用碳纤维复合材料和耐高温合金材料、设计冷却系统或采用隔热层等，以确保飞行器的安全运行。
第二个问题就是气动外形的设计。这类飞行器外形扁平，与长久以来人们对于火箭、导弹或飞机那种相对饱满、匀称、流线型外形的认识，有较大差别。目前世界上可见的高超声速飞行器都是扁平的，它们的机翼都比较小，下表面很平坦。这是一种被称作“乘波体”的飞行器。它不像常规飞机那样，主要靠机翼的升力漂浮在空中。乘波体的升力来源主要是依靠在飞行器头部形成的附体激波在飞行器下表面所产生的压力。它就像“骑乘”在激波上飞驰向前。
这种设计方式经过科学验证，对于提高飞行器在高超声速环境下的效能，发挥了巨大的作用。增升减阻设计是高超声速飞行器气动布局优化的主要目标之一。一方面使飞行器获得较大的升质比，提高滑翔高度，降低表面热环境，减轻防热压力，减轻防热重量；另一方面获得较大的升阻比，增大滑翔距离与射程。
高超声速飞行器还面临的巨大难题就是动力问题。正所谓“只要发动机推力足够，板砖都能上天”，然而想要获得高超声速飞行所需的推力并不是一件容易的事。作为飞机的心脏，发动机不仅是飞机飞行的动力，也是促进航空事业发展的重要推动力，人类航空史上的每一次重要变革都与航空发动机的技术进步密不可分。
喷气发动机（Jet Engine）是一种常见的航空发动机类型，它通过将空气压缩、加热、燃烧和喷出产生推力。几乎所有的喷气发动机都是依靠高速喷射推进剂，通过牛顿第三定律产生的推力来做功的。
涡喷发动机的主要组成部分包括压气机、燃烧室、涡轮和喷管。进入涡喷发动机的空气首先经过压气机进行压缩，然后进入燃烧室与燃料混合并燃烧。燃烧产生的高温高压气体通过涡轮驱动压气机和燃料喷射器，最后通过喷管喷出，产生推力。涡喷发动机适用于小马赫数超声速飞行。
涡轮喷气发动机
在超音速飞行时，在进气道前和进气道内气流速度减至亚音速，此时气流的滞止可使压力升高十几倍甚至几十倍，大大超过压气机中的压力提高倍数，因而产生了单靠速度冲压，不需压气机的冲压喷气发动机。
(a)涡轮喷气发动机，(b) 亚燃冲压发动机，(c)超燃冲压发动机
冲压发动机的技术原理并不是在现有航空发动机基础上发展而来的，而是几乎与现有航空发动机并行发展的另一条技术路线。冲压发动机在发展之初，不再使用任何涡轮风扇提高燃烧室内的空气压力，简单的设计结构也避免了增压涡轮对于提升速度的限制。因此，冲压发动机首先实现了将飞行器的速度由涡喷发动机时代的3马赫提高到了3.5-4马赫。
但是，在冲压发动机诞生之初，机身前部和进气道压缩斜板产生激波，受此影响，空气将在激波后减速至亚音速状态，形成高温高压的气团，这对结构件造成了较大的强度和温度载荷负担。这将冲压发动机性能制约在6马赫以下。
超燃冲压发动机是冲压发动机的一种变体，其中燃烧发生在超音速气流中。与冲压发动机一样，超燃冲压发动机依靠高速度在燃烧前强力压缩进入的空气，但冲压发动机在燃烧前使用冲击锥将空气减速到亚音速，而超燃冲压发动机没有冲击锥来减速空气，而是使用其点火源产生的冲击波代替冲击锥来减慢气流。这使得超燃冲压发动机能够以极高的速度高效运行。
使用超燃冲压发动机的飞行器可以大大减少从一个地方到另一个地方的旅行时间，有可能在90分钟的飞行时间内达到地球上任意一个地方，所以在未来超燃冲压发动机可以应用在超音速旅行中。
高超声速飞行器用于军事具有以下优点：
一是航速快，全球抵达。高度信息化、高度智能化是未来战争的特点，未来的空中打击主要依靠高度和速度取胜，而高超声速飞行器能在两小时内攻击全球任何地方的任何目标。
二是突防能力强，探测、拦截难。空中目标的运动速度直接决定其通过敌方防御体系作战空域的时间，对突防概率影响极大。高超声速飞行器飞行速度快，可有效缩短对目标的反应时间，回波积累数量少，常规雷达的探测能力明显降低，造成探测高超声速空中目标的难度加大。同时，现有地面防空武器系统方向转动机构的转动速度慢，不能有效跟踪瞄准目标，因此高超平台的突防概率高。
三是射程远，威力大。目前各国在研的高超声速导弹射程都有几百千米、几千千米，且高超声速飞行器飞行时动能大，若与亚声速飞行器采用同等质量的战斗部，其所能产生的破坏力更大。
进展
美国发展高超声速飞机已二十余年，近年来逐步由关键技术探索研究拓展到高超声速飞机设计及验证。目前美国在研高超声速飞机概念有：2013年洛马公司提出的SR-72高超声速侦察机项目，2018年波音公司提出的高超声速客机和“女武神”军用飞机项目，2019年赫米尔斯公司提出的“夸特马”高超声速飞机项目，2021年NASA牵头发展的“苍穹”以及2022年提出的“观星者”高超声速飞机。从项目的进展来看，美国高超声速飞机技术发展顺利。
1 维纳斯航空公司披露马赫数9高超声速飞机概念
2022年6月，维纳斯航空航天公司披露的“观星者”高超声速飞机概念是一种速度达马赫数9的高超声速飞机，可实现从美国飞往日本只需1h的愿景。
维纳斯航空航天公司称，“观星者”采用新颖的外观设计、下一代发动机技术以及先进的冷却装置。目前，已生产了一个发动机原型，并利用高超声速风洞和推进试验设施进行了多次地面试验，在休斯顿太空港也开展了一次地面试验；按照计划，将在2023年启动亚声速和超声速缩比无人飞行器的飞行试验。
马赫数 9高超声速飞机概念图
2 NASA启动高超声速飞机
2021年2月，NASA向通用电气公司授出总金额不超过1300万美元，为期5年的研发合同，为“苍穹”高超声速飞机研发TBCC和耐高温陶瓷基复合材料。
根据合同要求，通用电气公司需要研究并分析F101涡扇发动机能否适用于“苍穹”高超声速飞机。NASA认为，F101可将“苍穹”高超声速飞机加速至冲压发动机接力的速度。F101相对较高的涵道比可使大多数流动在被节流时绕过核心机，避免其压气机和涡轮的工作温度超过极限。
此外，材料研究将主要涉及由碳化硅/碳化硅（SiC/SiC）和碳/碳化硅（C/SiC）制成的耐高温、轻质陶瓷基复合材料。其中C/SiC主要用于高超声速飞机结构，如舵面、前缘、机头和飞机外壳等，SiC/SiC材料则计划用于高速涡轮发动机。
3 “夸特马”高超声速飞机
2019年5月，赫米尔斯公司公开披露“夸特马”高超声速飞机研发项目，旨在充分利用现有和短期内可实现的技术，研制一型巡航马赫数5、载客约20人、航程7400 km的高超声速飞机。
“夸特马”高超声速飞机采用大后掠三角翼布局，机体长细比较大，前机身与进气道高度融合。飞机采用的TBCC发动机由现货涡轮发动机（GE公司的J85-21）、一个自主研发的预冷装备（位于进气道出口和涡轮压气机入口之间）和冲压发动机组成。利用涡喷发动机将飞机从静止加速到马赫数3.3，冲压发动机从马赫数2.8~3.0开始工作，直至将飞机加速到马赫数5。
2020年3月，“夸特马”的TBCC缩比发动机完成静态和高速（马赫数5）试验。2020年10月，融资1600万美元，用于改进飞机设计，将其发动机原型扩大到全尺寸并进行地面试验。2021年11月，公司正式推出“夸特马”全尺寸原型机。
此前，2021年7月30日，赫米尔斯公司曾获得美空军一份总额6000万美元、为期三年的研发合同，要求完成一型涡轮基组合循环发动机（TBCC）的飞行验证和3架“夸特马”高超声速飞机验证机的研制试飞。这是美空军近十余年以来首个资助的高超声速飞机研制项目，也是美国工业部门正式获得军方投资开展的高超声速飞机验证机研制项目。2022年3月，赫米尔斯公司进行了1亿美元B轮融资，用于“夸特马”高超声速原型机设计、试验和生产，其中包括来自雷锡恩公司的资金。
各方资金的介入，保证了“夸特马”的研发进度。根据赫米尔斯公司的官网，“夸特马”高超声速飞机的首飞计划在2023年进行。
“夸特马”高超声速飞机的概念图
4 波音公司披露“女武神”高超声速飞机迭代研究成果
2018年1月，在AIAA SciTech 2018会议上波音公司公开了“女武神”高超声速飞机的概念方案，并展示了验证机模型。该飞机可用于军事和太空发射任务。
2022年1月，在圣地亚哥举行的美国航空航天学会会议上，波音公司展出了多次迭代修订后的“女武神”高超声速飞机模型。2018版的“女武神”外形与20世纪80年代“国家空天飞机计划”（NASP）的飞机非常类似，采用尖机头，机身下方有二维矩形进气道设计；而新版的机形更具“乘波体”特征，机头钝化，顶部扁平，进气道呈圆形且贯穿飞机全长。
波音公司称，在过去的数年间，他们不断改进“女武神”飞机设计方案，开发创新的集成解决方案，发展关键技术，包括推进、热、材料、制导、导航与控制以及机体/推进一体化等。
“女武神”高超声速飞机模型
美国高超声速领域的权威领军人物马克·J·刘易斯认为，虽然“女武神”采用的乘波体气动外形与其他高超声速概念一致，但曲柄箭翼面及其与机身的阶梯式连接方式具有的优势特点，可能有助于飞行器获得较好的亚声速或跨声速的控制和性能。美国大量的设计迭代表明，选择新构型最重要的驱动因素实际上并不是高超声速性能，而是跨声速性能。因为不同的高超声速（气动）外形，一旦进入高马赫范围，性能均类似，而真正的问题是，当达到马赫数1时，阻力有多大，能否使飞行器以高超声速的（气动）外形跨过马赫数1。
此外，刘易斯认为，从二维进气道变为椭圆形或圆形的三维进气道，与其他高超声速技术的工作相吻合。当流经进气道的空气量一定时，圆形比方形具有更小的表面积；且圆形进气道内壁受到的压力负载较二维进气道的小。
来源：力学科普，海鹰资讯，航空制造网
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