“5倍声速”搭上星链,高超声速无人机时代拉开序幕?(图)

美国防务新闻网等多家媒体报道，2024年11月，一家名为赫尔墨斯（Hermeus）的美国民营航空航天和国防技术公司，将大名鼎鼎的SpaceX公司的“星链”（Starlink）通信系统模块集成到其研制的“夸特马”（Quarterhorse）Mk1高超声速飞行器上并开展了测试。 据称，对于像“夸特马”这样的高超声速飞行器而言，在进入高速、高海拔环境时，保持稳定的通信连接至关重要，而此次集成任务的首要目标就是利用“星链”实现稳健的超视距（BVLOS）指挥与控制。报道称这次工作迭代十分快速，在赫尔墨斯公司决定使用“星链”系统的仅仅两天后，SpaceX公司就向其交付了通信终端。在第9天，赫尔墨斯对Mk1和“星链”进行了模拟；第15天完成了“星链”通信系统模块在Mk1上的集成；第17天，赫尔墨斯公司通过“星链”连接控制Mk1成功实现滑行。整个流程仅用17天就全部完成。 对于此事，赫尔墨斯公司首席执行官皮普利卡（Piplica）称，“这是向高超声速航空的未来迈出了大胆的一步。这一突破凸显了高超声速技术与先进卫星通信之间的协同作用，为航空领域的革命性发展铺平了道路。”那么，这是否意味着无人机已经开始进入高超声速时代了呢？


集成了“星链”通信系统模块的“夸特马”高超声速飞机。图源：资料 一、什么是高超声速飞机？ 高超声速飞机是指飞行速度达到或者超过五倍声速（即5马赫）的飞机，其速度大概是现有战斗机的两至三倍，以及民航飞机的五至六倍。由于速度成倍提升，高超声速飞机在军事和民用领域均具有广阔的应用前景，甚至被美国空军实验室（AFRL）前司令官认为是“改变未来战争规则”的颠覆性技术之一。 更快的速度一直是飞机的主要追求目标，这一努力曾经在上世纪六十至七十年代达到过一次峰值。在军事方面，美国当时研制了SR-71“黑鸟”高空高速侦察机，最快速度超过3马赫，当其在前苏联上空执行侦察任务时，可以完全躲避当时的导弹或者拦截机的攻击，如入无人之境。在民航领域，英国和法国联合研制了协和式超音速飞机，最大飞行速度可超过2倍音速，截至2003年全部退役，其在全球总飞行时长超过25万小时，被称为“航空史上的传奇”。


美国SR-71“黑鸟”侦察机


协和式超音速飞机 随着时间的推移，这两种飞机最终都黯然离场，而且也没有合适的替代产品出现。究其原因，主要并不在于其技术能力，而在于其用途过于单一或经济性太差。例如，协和式飞机退役前每年的亏损金额超过四千万美元，只能依靠政府补贴续命，但如此沉重的负担最终导致政府也无法承担。 虽然超声速飞机的市场表现不佳，但有关的新型技术研发一直没有中断。近期，以美国X-59和XB-1为代表的新一代低音爆飞机相继推出，或许超声速飞机在不久的将来可以重回蓝天。 令人感到意外的是，自上世纪九十年代以来，随着相关技术的快速发展，高超声速飞机的研发在世界范围内开始得到重视，并迅速成为热门领域。在市场预判方面，2021年德勤公司受美国国家航空航天局（NASA）委托，对未来高速运输市场前景开展了广泛调研和细化分析，结果表明，作为一种远程快速输运工具，高超声速飞机将在未来低成本空天往返、远程快速侦察、更快速供应链的打造，以及高速电子商务的物流体系构建等应用场景中扮演主要角色。此外，伴随近年来商业航天的崛起，也有大批资金涌入这一领域，在一定程度上助推了这个行业的快速发展。 二、高超声速飞机的发展现状 目前，世界各国已经披露的高超声速飞机及相关集成技术的主要在研项目如下表所示。


基于上述公开发表的信息不难看出，目前在这一领域投入最多、进展相对最快的国家仍属美国。而且，除了像波音和洛克希德·马丁这样的大型传统武器承包商以外，相当多的项目均由新兴的商业航天公司提出并承担。由此不难看出，社会商业资本对这一领域的兴趣在不断提升，这也从一个侧面表明，该领域在未来将会更加具有活力。 就发展目标而言，目前正在推动的项目主要围绕三个不同层次的应用。第一层次的项目主要面向开展高超声速阶段的相关空中试验，虽然所开展的飞行试验内容可以直接支撑高超声速飞机的研制，但所研制的飞行器在严格意义上尚不能称其为高超声速飞机。该类项目以美国国防部国防创新单元（DIU）委托澳大利亚Hypersonix发射系统公司开发的“飞镖AE”项目为典型代表。该飞行器长仅为9.8英尺（约3米）、重量仅为660磅（约300公斤）。


“飞镖AE”飞行器效果图。图源：澳大利亚Hypersonix公司 第二层次的项目为研发高超声速技术验证机，如美国莱多斯公司的“混乱（Mayhem）”项目和赫尔墨斯公司的“夸特马”均属此类。这类飞机一般为实际飞机的一定尺寸缩比样机，虽然本身不具有任何实际应用价值，但可以完整地演示高超声速飞机的整个飞行轨迹，包括滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆等一系列动作。如果验证飞机能够成功实现飞行，则标志着相关的关键技术已经基本突破，并已具备开展实用化飞行器研发的基本条件。


“混乱”飞行器效果图。图源：美国莱多斯公司 第三个层次的项目则是研发真正用于实际的高超声速飞机。如洛克希德·马丁公司提出的SR-72飞机和波音公司提出的“女武神II（ValkyrieⅡ）”飞机等，这两个项目的目标都是发展侦察/打击一体化的军用高速飞机。其中SR-72又被称为“黑鸟之子”，即SR-71“黑鸟”飞机的更先进替代者。SR-72于2013年首次对外发布，后续则鲜有关于此项目的信息。有报道称，该项目的研制经费一度危急，并直接影响了该项目的实际进展。


SR-72高超声速飞机效果图。图源：美国洛克希德·马丁公司 相比之下，“女武神II（ValkyrieⅡ）”高超声速飞机的发布时间比SR-72晚了5年，于2018年发布。不过仅仅在发布四年后的2022年，就在美国航空航天学会（AIAA）的年度科技论坛和博览会上给出了几乎完全不同的新一轮飞机外形，这表明该项目的进展明显更快一些，在一定程度上也表明似乎该项目的进展相较于SR-72项目更顺利一些。


波音公司2018年公布的“女武神II”高超声速飞机效果图。图源：波音公司


波音公司2022年公布的“女武神II”高超声速飞机效果图。图源：波音公司 三、高超声速飞机何时能够出现？ 仅从大量的高超声速飞机项目在较短时期内爆发性涌现这一现象，就不难判断，高超声速飞机及其相关技术研发已经成为当下的国际大热门。然而，这并不意味着高超声速飞机能够很快投入实用，这是因为无论是对于技术验证飞行器还是实用化飞机而言，都尚有一系列关键技术问题乃至后续的社会性问题需要解决。 对于技术验证飞行器而言，最大的技术障碍仍在飞机的动力系统。在高超声速飞行环境和条件下，现有的涡轮发动机无法产生推力，这要求必须研发全新的动力系统。目前主要的技术途径有两条，一是采用基于超声速燃烧冲压发动机的组合动力系统，二是采用基于深度预冷技术的协同吸气式火箭发动机（SABRE）。 超声速燃烧冲压发动机（简称“超燃发动机”），是一种全新的动力系统，也被认为是未来各类高超声速飞行器最可能采用的发动机。该发动机在本世纪初就已经成功开展过多次飞行演示试验。不过这种发动机仅在高速情况下才能产生推力，无法用于较低的飞行速度。为了解决这一问题，可以将超燃发动机与其他现有发动机有机结合，在不同的速度范围内采用不同的发动机形式。按照这一思路，将超燃发动机与涡轮发动机组合，可以形成涡轮基组合循环发动机（简称TBCC）；与火箭发动机组合使用，可以形成火箭基组合循环发动机（简称RBCC）等。美国SR-72飞机和“女武神II”飞机的现阶段方案都采用了TBCC动力装置。


SR-72飞机采用的TBCC动力系统概念图。图源：洛克希德·马丁公司 虽然基于超燃发动机的动力方案在思路上并不复杂，但在工程实现上仍面临“推力陷阱”、燃烧有效组织、宽速域进排气系统研发、热管理等一系列问题。因此基于目前的技术发展现状看，达到实用化仍需较长时间。 基于深度预冷技术的SABRE发动机采用的技术途径与超燃发动机不同，这种发动机采用特殊的快速冷却装置，可以在0.05秒的时间内将流入的空气温度迅速降低，进而流入发动机与燃料混合燃烧，产生有效的推力。该方案是英国专注发动机研发的初创公司“反应引擎（Reaction Engines）”公司的主攻方向，并于2019年就成功完成了地面试验。欧洲航天局（ESA）、NASA都曾对该公司大幅注资。


SABRE发动机工作原理图。图源：NASA，Reaction Engines公司 令人感到十分突然和意外的是，反应引擎公司于2024年10月份正式宣告破产，200多名员工也随之被遣散。虽然具体破产原因并没有披露，但一般的猜想是这条途径可能存在较大的障碍，短期内难以解决，从而导致投资者失去信心。值得一提的是，“夸特马”所采用的发动机系统仍是这条途径。据称，赫尔墨斯公司目前正在开发其自己的预冷系统，并将与美国著名的普拉特·惠特尼公司所生产的F100发动机集成，作为其高超声速飞机的发动机。但后续发展具体如何尚有待时间检验。 即便发动机技术获得突破，并依托技术验证飞机实现完整的飞行过程，高超声速飞机的实用化也面临诸多问题，其中最突出的一个就是有效的装载空间。技术验证飞机一般仅仅用于飞行测试，飞行距离相对较短，无需装载人员和货物等，燃料消耗也相对较少，因此其内部空间需求相对较小。而对于实用化飞机而言，足够的装载空间则是必须考虑的。协和式飞机被乘客诟病的重要一点，就是狭小的内部空间导致乘坐舒适性大幅降低。从现在已有方案来看，计划研制的高超声速飞机内部空间将比协和式飞机更小。这是由于较扁平的内部空间一般有利于航程的增加。因此，如何在保证有效航程的条件下提高内部装载空间，将是后续实用化高超声速飞机研发中不可回避的问题，这可能需要对飞机的外形进行大幅改进。此外，高速飞行所导致的噪音、排放、安全性，以及乘客心理畏惧性反应等一系列技术和社会问题等，也是实际应用中所必需考虑和解决的。 四、高超声速飞机一定是无人机么？ “夸特马”集成“星链”通信模块并进行测试，这表明这架技术验证飞机未来一定会以无人机的形态出现。不过，这并不意味着无人机形态会是高超声速飞机的唯一选择。实际上，赫尔墨斯公司已明确提出其发展计划，在“夸特马”试验飞机的基础上，未来将以14座的高超声速公务机“翡翠鸟（Halcyon）”为主要发展愿景。对于一架有乘客的飞机而言，如果没有驾驶员，会让乘客产生极为强烈的安全感缺失，因此，采用有人机的形态可能性更大。 未来的高超声速飞机到底采用何种形态，目前仍无定论，从目前推出的各个项目来看，飞机的形态主要取决于其任务模式。例如，对于SR-72和“女武神II”这样的军用飞机，其未来使用模式主要是远程快速侦察和打击，采用无人机形态将会有效降低飞行员损失的风险，这是美军一直以来的发展目标。因此，在相关机构披露这些项目的有关信息时已明确指出，会采用无人驾驶的方式。而对于其他用途的飞机，在一定意义上仍取决于未来无人驾驶技术的发展情况，以及乘客的心理接受程度。 不过，“夸特马”与“星链”集成并开展测试，这标志着SpaceX公司的“星链”系统已经开始真正用于在全球范围内对各类无人飞行器实施远程控制。实际上，在“夸特马”集成“星链”通信模块的同时，另一家美国初创公司，Boom超声速公司也在其超声速无人试验飞机XB-1上完成了类似的工作。这意味着未来的无人飞机可能会以更大的规模部署“星链”通信模块。试想未来有一天，数架不明意图的无人机悄然出现在我们头顶，而其“飞手”则远在数千里外遥控操作，这无疑是一件令人烦扰的事情，或许这更应该引起我们的警觉和关注。