■ 劉騰躍 / 中國(guó)航發(fā) 劉金超 李明 / 中國(guó)航發(fā)研究院

近年來(lái)，超聲速客機(jī)概念回暖，雖然提出了多種方案，但確定了動(dòng)力系統(tǒng)的不多。2020年3月，有報(bào)道稱，美國(guó)加州的初創(chuàng)公司HSP（HyperSpace Propulsion）正在研發(fā)一種用于高速飛行的新型高超聲速組合發(fā)動(dòng)機(jī)，融合了超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)和磁流體動(dòng)力（MHD）等先進(jìn)技術(shù)。

近年來(lái)，超聲速客機(jī)概念重回大眾視野，雖然一直未有產(chǎn)品投入運(yùn)營(yíng)，但涌現(xiàn)出了一批方案。這些方案既有來(lái)自于洛克希德-馬丁（洛馬）公司、波音公司等傳統(tǒng)航空企業(yè)的，也有不少由艾利安、博姆等初創(chuàng)公司提出。其中較為引人矚目的是一位擁有航空航天工作背景的美國(guó)創(chuàng)業(yè)者理查德·H.盧格（Richard H.Lugg）創(chuàng)建的一系列公司，包括HMA公司（HyperMach Aerospace）、SBA公司（SonicBlue Aerospace）和HSP（HyperSpace Propulsion）公司等，主要開(kāi)展高超聲速客機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)。在不斷調(diào)整設(shè)計(jì)、改變指標(biāo)的過(guò)程中，盧格的公司提出了一系列的高超聲速客機(jī)及新概念組合動(dòng)力方案，并取得了多個(gè)核心技術(shù)專利。

SonicStar超聲速公務(wù)機(jī)

HMA的超聲速客機(jī)項(xiàng)目

HMA公司主要進(jìn)行的是超聲速和高超聲速客機(jī)的研發(fā)工作，迄今已推出了數(shù)型客機(jī)的概念。

SonicStar超聲速公務(wù)機(jī)

早在2011年，HMA公司就在巴黎航展上公布了Ma3.5的超聲速公務(wù)機(jī)概念方案SonicStar，航程11100km、飛行高度19000m，可載客10～20人，能用不到2h的時(shí)間從紐約飛到巴黎，并計(jì)劃2021年實(shí)現(xiàn)首飛。飛機(jī)采用大后掠、層流、雙三角翼，長(zhǎng)68.8m，翼展22.5m。SonicStar配裝兩臺(tái)“超聲速型先進(jìn)電磁渦輪噴氣式”（Supersonic-Magnetic Advanced Generation Jet Electric Turbine，S-MAGJET）發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)為S-MAGJET 4000-X。該項(xiàng)目得到了美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的部分資助。

SonicStar客機(jī)采用等離子體減阻技術(shù)（EDRT），以減小氣動(dòng)阻力及降低聲爆。原理是利用S-MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電力，加熱、電離來(lái)流空氣，產(chǎn)生等離子體，在飛機(jī)激波前注入等離子體，改變飛機(jī)周圍局部流場(chǎng)，將湍流變成層流，避免產(chǎn)生激波或降低激波強(qiáng)度，以減小氣動(dòng)阻力并抑制聲爆。飛機(jī)的機(jī)頭、機(jī)尾，以及機(jī)翼前緣、垂尾前緣、進(jìn)氣道唇口等主要迎風(fēng)部位都安裝了此類電離裝置，并進(jìn)行整機(jī)統(tǒng)一控制，以達(dá)到減阻降噪的最佳效果。HMA公司在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證利用EDRT進(jìn)行流動(dòng)控制時(shí)發(fā)現(xiàn)，在Ma3及更高的速度下，EDRT的控制效率高達(dá)90%。利用等離子體控制氣流，飛機(jī)還可摒棄傳統(tǒng)的襟翼等飛行舵面，以更適應(yīng)高速飛行。

HyperStar高超聲速公務(wù)機(jī)

2012年年底，HMA公司提高飛機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，速度增至Ma4.5，航程增至12000km，搭載36人。2016年，指標(biāo)被再度調(diào)高，速度為Ma5，航程為13000km。新方案被稱為HyperStar，計(jì)劃2025年首飛，2028年取得認(rèn)證并開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。

HyperStar采用更大的細(xì)長(zhǎng)機(jī)身、更大的弧形三角翼、重新設(shè)計(jì)的V形垂尾，以及一對(duì)新型“高超聲速型先進(jìn)電磁渦輪噴氣式”（Hypersonic-Magnetic Advanced Generation Jet Electric Turbine，H-MAGJET）發(fā)動(dòng)機(jī)，型號(hào)為H-MAGJET 5500-X。

SonicStar的S-MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)安裝布局

HyperStar高超聲速公務(wù)機(jī)

HMA公司新客機(jī)

HMA公司聚焦Ma6.65、可載200人、航程19630km大型高超聲速客機(jī)概念，暫定目標(biāo)是在21世紀(jì)30年代初進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)。采用4臺(tái)高超聲速混電超導(dǎo)沖壓磁流體（Hypersonic hybrid superconducting combustion ram accelerated magnetohydrodynami，Hyscram）發(fā)動(dòng)機(jī)。

MAGJET系列發(fā)動(dòng)機(jī)

MAGJET系列發(fā)動(dòng)機(jī)由SBA公司研制，目前主要包括兩種型號(hào)。

MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)原理

MAGJET基本原理

先進(jìn)電磁渦輪噴氣式（Magnetic Advanced Generation Jet Electric Turbine，MAGJET）系列發(fā)動(dòng)機(jī)是一種全新油電混合變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，集成了燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、超導(dǎo)電機(jī)、等離子燃燒室等技術(shù)。這種發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是：燃燒室產(chǎn)生的高溫燃?xì)馔ㄟ^(guò)葉片帶動(dòng)渦輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，使環(huán)形超導(dǎo)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，通過(guò)專門(mén)電源管理系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)超導(dǎo)電動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇；發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生推力的同時(shí)，為飛機(jī)其他輔助系統(tǒng)供電。

MAGJET系列發(fā)動(dòng)機(jī)的一個(gè)主要特點(diǎn)就是全電動(dòng)設(shè)計(jì)，電功率傳輸取代了傳統(tǒng)的高低壓機(jī)械軸功率傳輸，風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等旋轉(zhuǎn)件之間無(wú)硬件連接。每級(jí)渦輪驅(qū)動(dòng)獨(dú)立的環(huán)形超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，每級(jí)風(fēng)扇、壓氣機(jī)由獨(dú)立環(huán)形超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。機(jī)械解耦后的發(fā)動(dòng)機(jī)各級(jí)葉片在整個(gè)飛行過(guò)程中，能迅速響應(yīng)不斷變化的大氣環(huán)境和飛機(jī)性能的要求，分別調(diào)整至最佳轉(zhuǎn)速。由于各旋轉(zhuǎn)件能以最佳的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，各部件能達(dá)到較高的效率，進(jìn)而也能提高壓比、減少壓縮系統(tǒng)級(jí)數(shù)。

環(huán)形超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)是其中核心技術(shù)之一。電動(dòng)機(jī)由兩個(gè)同心同面的內(nèi)外圈構(gòu)成。內(nèi)圈是轉(zhuǎn)子，主要包括風(fēng)扇/壓氣機(jī)葉片、安裝環(huán)、超導(dǎo)感應(yīng)線圈，以及葉片和線圈的被動(dòng)冷卻通道，轉(zhuǎn)子的支承和定位使用了磁懸浮系統(tǒng)。外圈是定子，包括大功率超導(dǎo)電磁體、液氮極低溫冷卻系統(tǒng)，以及用于懸浮和定位的海爾貝克（Halbach）陣列，能產(chǎn)生傳統(tǒng)環(huán)形電機(jī)4～5倍的扭矩。由于取消了高低壓機(jī)械軸，MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)在中心軸的位置空出一個(gè)中心涵道。通過(guò)前端中心錐的前后移動(dòng)，控制進(jìn)氣流量及分配，在調(diào)節(jié)涵道比、改變循環(huán)參數(shù)，適應(yīng)不同飛行條件的同時(shí)，也可以冷卻燃燒室、渦輪等熱端部件。

MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)主要特征是等離子燃料燃燒。等離子燃燒室接收渦輪超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的電能，燃料經(jīng)一系列專門(mén)噴嘴噴入燃燒室，由有源等離子線圈發(fā)生器電離，后被燃燒室的電磁場(chǎng)控制，改變火焰結(jié)構(gòu)尺寸等，進(jìn)而能主動(dòng)控制和穩(wěn)定燃燒過(guò)程，使離子化燃料充分燃燒。離子化燃?xì)庠诹鹘?jīng)渦輪后，會(huì)被磁流體動(dòng)力（MHD）環(huán)加速噴出，進(jìn)一步提高推力，主要用于控制飛機(jī)在起降時(shí)的推力。

等離子體燃燒室及中心涵道

MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)分類

MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為S-MAGJET和H-MAGJET兩種型號(hào)，分別適用于超聲速和高超聲速飛機(jī)。

S-MAGJET由SBA公司針對(duì)超聲速客機(jī)研發(fā)，主要由2級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)風(fēng)扇、8級(jí)壓氣機(jī)、等離子燃燒室、8級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)渦輪（2級(jí)高壓、4級(jí)中壓、2級(jí)低壓）和集成的超導(dǎo)電機(jī)構(gòu)成。每級(jí)風(fēng)扇下游設(shè)置了擴(kuò)壓器，以降低超聲速來(lái)流的速度，減少氣流旋渦，提高壓力。由于壓氣機(jī)可以設(shè)計(jì)為負(fù)荷更高、效率也更高，因此每級(jí)葉片數(shù)量可減少15%～20%，從而減輕了質(zhì)量。發(fā)動(dòng)機(jī)總壓比高達(dá)60～70∶1，是當(dāng)前常規(guī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的2倍，提高了空氣流量和燃燒效率。

HMA公司表示，風(fēng)扇與壓氣機(jī)解耦這一項(xiàng)技術(shù)就能將發(fā)動(dòng)機(jī)整體效率提高70%。相比“協(xié)和”超聲速客機(jī)使用的奧林帕斯（Olympus）593加力渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，S-MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油效率高30%，在Ma3.5速度下，能達(dá)到0.104kg/(N·h)的低耗油率。

240kN推力量級(jí)的S-MAGJET發(fā)動(dòng)機(jī)在巡航條件下（速度Ma3.4，高度21000m），其渦輪超導(dǎo)發(fā)電機(jī)能產(chǎn)生30.5MW的電力，大部分用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇和壓氣機(jī)，其余7MW用于滿足飛機(jī)的電力需求，如飛機(jī)健康監(jiān)測(cè)、導(dǎo)航控制、電動(dòng)起落架、航電設(shè)備和飛控系統(tǒng)等。

H-MAGJET是SBA公司在S-MAGHET基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的高超聲速發(fā)動(dòng)機(jī)。核心技術(shù)仍是渦輪超導(dǎo)發(fā)電機(jī)、等離子燃燒室、超導(dǎo)電動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇。發(fā)動(dòng)機(jī)共有5級(jí)渦輪，每級(jí)都能產(chǎn)生兆瓦級(jí)功率，其中第一級(jí)可輸出功率超過(guò)10MW，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)壓氣機(jī)和風(fēng)扇。發(fā)動(dòng)機(jī)總計(jì)能產(chǎn)生65MW的電功率，推力高達(dá)340kN。

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)

最新型的Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)源于H-MAGJET，主要原理和結(jié)構(gòu)與其類似，但推力高達(dá)驚人的845kN量級(jí)，旨在為大型高超聲速飛行器從靜止起動(dòng)到加速至Ma8+飛行提供全程推力，可以用于軍民領(lǐng)域飛行器，還能承擔(dān)太空發(fā)射任務(wù)。

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)主要由進(jìn)氣系統(tǒng)、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)、排氣系統(tǒng)等4大部分組成。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)周圍布置的是9個(gè)雙模態(tài)亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)陣列，前后是進(jìn)排氣系統(tǒng)。其中，進(jìn)氣系統(tǒng)包括進(jìn)氣道和可移動(dòng)進(jìn)氣錐；渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)包括3級(jí)超導(dǎo)電動(dòng)風(fēng)扇、13級(jí)超導(dǎo)電動(dòng)壓氣機(jī)、燃燒室、3級(jí)超導(dǎo)發(fā)電渦輪和噴管；亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)包括進(jìn)氣/壓縮系統(tǒng)、隔離段、亞燃/超燃沖壓燃燒室、沖壓噴管；排氣系統(tǒng)主要指4個(gè)磁流體動(dòng)力加速環(huán)。

該發(fā)動(dòng)機(jī)有4個(gè)涵道，由內(nèi)往外，第一涵道是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的中心涵道；第二、第三涵道是渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)涵道、外涵道；最外涵道（第四涵道）是沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)通道。在不同的運(yùn)行工況下，中心錐前后移動(dòng)，調(diào)節(jié)各涵道的空氣流量，改變循環(huán)參數(shù)，優(yōu)化整體效率，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)耐屏碗娏?。使用中，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)利用地面電源起動(dòng)。當(dāng)有外界電力輸入時(shí)，感應(yīng)電機(jī)起動(dòng)，使渦輪盤(pán)旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始吸入并壓縮空氣，逐漸達(dá)到燃燒轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)。

Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)主要特點(diǎn)

就基本原理結(jié)構(gòu)而言，該發(fā)動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是并聯(lián)式渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC），內(nèi)外環(huán)布置的結(jié)構(gòu)形式避免了完全分離渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)與亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，減小了發(fā)動(dòng)機(jī)體積和質(zhì)量。

渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)外壁和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)壁之間的空間，可用于存儲(chǔ)燃油和冷卻系統(tǒng)，以及放置電磁電源系統(tǒng)和控制件。中心涵道還可用于將渦輪產(chǎn)生的電力向前傳輸?shù)斤L(fēng)扇和壓氣機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)的核心是磁懸浮的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪以及一系列超導(dǎo)電機(jī)，等離子燃燒室產(chǎn)生離子流與燃?xì)庖黄鹜ㄟ^(guò)4個(gè)磁流體動(dòng)力（MHD）加速環(huán)加速后排出。由于各級(jí)電動(dòng)壓縮系統(tǒng)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和電源上都相互獨(dú)立，可以根據(jù)飛行條件，適時(shí)調(diào)節(jié)各級(jí)的運(yùn)行。如在沖壓模式下過(guò)渡到高超聲速時(shí)，不需要前3級(jí)壓氣機(jī)，便可以方便地?cái)嚯婈P(guān)閉；而在Ma5.5左右時(shí)，超燃沖壓模式下只要3級(jí)左右的壓氣機(jī)，其他級(jí)就可獨(dú)立關(guān)閉。

燃燒室高溫高壓燃?xì)鈳?dòng)渦輪做功，同時(shí)產(chǎn)生電力和推力。渦輪產(chǎn)生的電力除用于壓縮空氣外，還用于磁流體加速排氣增強(qiáng)推力，以及為沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)中的等離子燃燒室，提供穩(wěn)定的點(diǎn)火電源，使亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)在Ma5～8速度時(shí)，所有飛行條件下都能起動(dòng)并穩(wěn)定工作，甚至用來(lái)對(duì)飛機(jī)流場(chǎng)進(jìn)行主動(dòng)控制、激波管理等。由于是無(wú)軸電動(dòng)設(shè)計(jì)，各旋轉(zhuǎn)機(jī)械都由有源永磁空氣軸承固定在適當(dāng)位置，省去了機(jī)械支撐軸、滑油系統(tǒng)或齒輪等相關(guān)零部件系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的所有負(fù)載都由發(fā)動(dòng)機(jī)的外骨架承載，因此渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)可以在很高的速度下運(yùn)行。渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作到Ma5～6的速度后，過(guò)渡到超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，再加速至Ma8+。在整個(gè)飛行包線內(nèi)，渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)都需產(chǎn)生大量電力，因此即使在Ma5～6以上的速度時(shí)，系統(tǒng)仍保持渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工作，但其主要功能轉(zhuǎn)為發(fā)電，推力則依靠沖壓/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。

后續(xù)發(fā)展

雖然此類新型發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展比預(yù)期緩慢得多，但HSP公司表示，美國(guó)國(guó)防部近期對(duì)高超聲速技術(shù)的興趣增加，為這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)注入了新的發(fā)展動(dòng)力。如果公司在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)上取得成功，可用于美國(guó)海軍武器裝備，也可用于民用超聲速客機(jī)。

根據(jù)與美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室（NRL）的合作研究與開(kāi)發(fā)協(xié)議，HSP公司將開(kāi)展單個(gè)具有代表性的混合亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的初始測(cè)試。測(cè)試計(jì)劃在2020年秋季開(kāi)始運(yùn)行的NRL高超聲速風(fēng)洞中進(jìn)行。測(cè)試計(jì)劃分為3個(gè)主要階段：最初的研究重點(diǎn)是對(duì)小型混合亞燃/超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的風(fēng)洞測(cè)試；然后是在2023年的飛行試驗(yàn)機(jī)上的演示驗(yàn)證；如果項(xiàng)目獲批的話，后續(xù)階段將測(cè)試更多的系統(tǒng)集成，以及這種高度創(chuàng)新Hyscram發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)。

新的研究測(cè)試設(shè)施建在NRL的高速空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室位于美國(guó)華盛頓州的海軍空間技術(shù)中心，是一個(gè)能夠進(jìn)行高度和速度實(shí)時(shí)變化的空氣動(dòng)力測(cè)試點(diǎn)。該測(cè)試設(shè)施利用高壓氣源和收斂—擴(kuò)張噴管能夠達(dá)到需要的測(cè)試工況，能力范圍寬泛，高度為從海平面到30000m，速度為從Ma1.3到Ma6以上。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，盧格系列公司提出的新概念動(dòng)力借用了傳統(tǒng)TBCC的原理，但同時(shí)又融合了超導(dǎo)電機(jī)、等離子主動(dòng)控制、磁流體動(dòng)力、多涵道變循環(huán)等系列先進(jìn)技術(shù)，完全改變了渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)的架構(gòu)（當(dāng)然，該“激進(jìn)”方案的理論性能也是多數(shù)動(dòng)力無(wú)法達(dá)到的）。這一系列新概念動(dòng)力經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展，針對(duì)不同裝機(jī)平臺(tái)需求，產(chǎn)生了系列方案，但基本都停留在計(jì)算仿真等階段，技術(shù)成熟度低。在后續(xù)發(fā)展中，這些動(dòng)力概念將面臨在高溫環(huán)境下超導(dǎo)電機(jī)極低溫（-250℃）冷卻、大功率（幾十兆瓦）電力管理、多涵道流量控制、多模態(tài)轉(zhuǎn)化等技術(shù)挑戰(zhàn)，在各項(xiàng)技術(shù)成熟后，還需要處理系統(tǒng)集成、工程化等諸多難題。

由于商用飛機(jī)高速、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，以及軍用飛機(jī)對(duì)高速、定向能武器的發(fā)展需求，飛機(jī)對(duì)推力、電力的需求發(fā)生階躍性提升，傳統(tǒng)動(dòng)力形式的發(fā)展?jié)摿σ褲u消失殆盡，需要尋求新的突破，而HAGJET、Hyscram等創(chuàng)新型發(fā)動(dòng)機(jī)不失為一種發(fā)展可能，值得持續(xù)關(guān)注。