波音推出高超音速無人飛行器概念 與洛馬競爭黑鳥之子

上周在美國佛羅里達州奧蘭多舉辦的2018航空航天科學技術論壇（2018 AIAA SciTech）上，波音公司首次公布了一款5馬赫高超音速打擊和偵察無人飛行器概念模型。該飛行器的最大特點就是圍繞渦輪基聯合循環發動機（Turbine-Based Combined Cycle,TBCC）展開設計，這種發動機把渦輪噴氣發動機和衝壓/超燃雙模衝壓發動機有機結合起來，在不同速度範圍內使用不同的循環模式。

SR-72

很明顯，波音高超音速無人飛行器針對的是洛克希德·馬丁公司研製中的SR-72「黑鳥之子」，想要競爭SR-71「黑鳥」戰略偵察機後繼機項目。波音無人機在氣動布局上與SR-72有諸多雷同之處，同是小展弦比高度後掠的無尾三角翼，同樣是機腹進氣，只是把SR-72的單垂尾改為了外傾雙垂尾。

波音打算分兩步研製該機，第一步先製造一個F-16大小的單發動機縮比驗證機，用於驗證高超音速氣動布局和TBCC發動機的可行性。第二部製造全一架尺寸原型機，將採用雙發動機構型，長度達33米，和SR-71差不多。

波音公司在研究超燃衝壓發動機上已經積累了豐富經驗，研製過X-43和X-51「乘波者」無人高超音速驗證機。其中X-51打破了吸氣式飛行器的速度記錄，2013年5月1日該機在超燃衝壓發動機的推進下以5.1馬赫飛行了三分半鐘，耗盡燃料後墜入太平洋。

但是X-51隻是一種小型驗證機，距離實用化相去甚遠。該機的超然衝壓發動機需要在火箭助推器的推進下達到4.8馬赫後才能啟動，然後拋掉助推器，啟動超燃衝壓發動機加速到5馬赫。而且X-51需要有B-52掛載升空發射，這種寄生概念顯然無法用於SR-71後繼機，因為該機需要具備自主起降能力，還需要自行加速到超音速再啟動衝壓發動機進入5馬赫巡航，最後在返航中減速自主降落。

唯一的解決方案就是渦輪基聯合循環（TBCC）發動機，波音公司和洛克希德·馬丁公司分別與航天大拿軌道ATK公司和Aerojet Rocketdyne公司合作研究這種先進發動機。

TBCC發動機是波音高超音速無人機和洛馬SR-72的技術核心，被稱為黑科技一點也不為過。TBCC發動機是指由燃氣渦輪發動機（渦噴/渦扇）與其它類型發動機（如衝壓發動機）組合而成的動力裝置，是高超聲速飛行器實現自加速、帶動力水平著陸及重複使用的關鍵動力系統。TBCC發動機的聯合循環可實現變循環工作過程，使飛行器在不同的飛行條件(亞音速、超音速、高超音速)下都能得到良好的推進性能。

TBCC發動機的渦輪發動機和雙模衝壓發動機共用進氣口和尾噴管，具有各自獨立的進氣道。在起飛狀態下，進氣道內隔板（尾噴管內也有類似隔板）會封住雙模衝壓發動機進氣道，飛機在渦輪發動機的推進下起飛並加速到3馬赫。此時進氣口隔板開放雙模衝壓發動機的進氣道，開啟衝壓發動機把飛機推進到5馬赫。這個進氣道其實也就是一根直通的管子，內部沒有任何旋轉部件。

衝壓發動機是雙模的，在衝壓模式下，超音速進氣被減速到亞音速，再增壓，燃燒膨脹做工；超音速燃燒衝壓模式不再對超音速進氣進行減速增壓，而是直接燃燒膨脹進入擴張噴管加速噴出。這種特殊設計的雙模式衝壓發動機速度適應範圍更廣，在高超音速下推進效率更高。

返航時，飛機會減速到3馬赫以下，再次切換回渦輪發動機，像普通噴氣式飛機那樣減速和降落。

無論是波音的高超音速無人機還是洛馬的「黑鳥之子」，目前都還處於研究初期階段，由NASA和美國空軍研究實驗室資助的TBCC發動機項目，以及類似的由DARPA資助的先進全程發動機（AFRE）項目也都處於初級研究階段，要想實用化至少還需10年。

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