美国空军已经与Leidos签订合同，开发一种被称为“Mayhem”的高超音速飞行器，该飞行器的设计目的是携带各种有效载荷以支持打击和情报、监视和侦察任务的能力，并可能成为一个作战平台。

这架飞机听上去很像是《壮志凌云》中的“DarkStar”（暗星）高超音速飞行器，美军要是研发成功，能在全世界来去自如吗？我们有没有更好的应对手段？

Mayhem高超音速飞行器：究竟是什么技术

根据五角大楼一份在12月16日公开的信息，美军与Leidos的新合同由空军研究实验室 (AFRL) 授予，是一项“单一授予、无限期交付/无限期数量”的交易，上限为 3.34 亿美元，最早和2020年出现的先进高速喷气发动机有一些关系。并且这一系统还包括高超音速多任务ISR和另一个打击项目。

据Leidos的一份新闻稿称，Mayhem系统将使用超燃冲压发动机产生推力，以超过5马赫的速度推动飞行器长距离飞行。Leidos的任务是设计和开发一个大型版本，该版本在范围和有效载荷能力方面都将超过当前的吸气式高超音速系统。

Leidos的Dynetics总裁史蒂夫库克表示，“为了提供下一代吸气式高超音速系统，我们将利用在高超音速领域多年的积累以确保成功”。

美军和Leidos的合同到底包含了什么？

从简短的新闻稿中可以分析出多个相关元素，第一个就是Leidos此前已经在这个行业浸淫多年，笔者查到Leidos的业务涉及美国国防、航空、信息技术( Lockheed Martin IS&GS ) 和生物医学等跨领域的研究公司，在其主页还挂着与诺斯罗普·格鲁曼竞争的月球载人着陆系统。

与Northrop Grumman 合作竞标 NASA 载人着陆系统

Dynetics是Leidos的全资子公司，主要从事高科技相关产业，比如制造业、汽车、网络与IT以及定向能（激光或者电磁波），高超音速等等业务：

其中与本文相关的超音速领域尤其深入，在该公司网站的首页上作出了如下介绍：

• 1、滑翔高超音速飞行器研发；
• 2、远程高超音速飞行器研发；
• 3、助推器的研发；
• 4、高超音速雷达、通信相关研发；
• 5、.........

目前为美军开发的高超音速滑翔飞行器为C-HGB，该飞行器使用助推火箭发动机加速到远高于音速的速度，然后抛弃耗尽的火箭助推器进行滑翔，Dynetics为美国海军与陆军以及导弹防御局提供滑翔体。

开发的另一种高超音速飞行器为LRHW，这是一种可以从地面平台发射新型的超快、机动、远程导弹，其系统包括新的C-HGB、以及通讯与电源和发射车等。

美国防部计划到2025年至少要部署三个不同的HGV项目，总耗资约100亿美元。空军的AGM-183A是ARRW项目、陆军的远程高超音速武器 (LRHW)和海军的中程常规快速打击 (Intermediate-Range Conventional Prompt Strike) IRCPS）。其中陆军的项目就是Dynetics主导的，该公司实力相当雄厚。

Dynetics似乎没有超燃冲压发动机业务

笔者搜了很久，但没有找到Dynetics的超燃冲压发动机业务，但Leidos名下子公司众多，与洛克希德以及Aerojet Rocketdyne甚至DARPA等之间都有错综复杂的关系。并且从美军与Leidos之间的合同表明，此前的高超音速飞行器只是小型化武器上使用的，而此次的高超音速飞行器则是比较大型，很可能是无人大型高超音速甚至是载人高超音速飞行器。

多个媒体在报道时也有意无意的提及了“Dark Star”（暗星）飞机，表示此前是想象中的飞行器，而这次要成真了。

Leidos可能的超燃冲压发动机：应该是什么原理？

超燃冲压发动机有个问题，它需要额外的动力将其加速到4~5倍音速后才能启动，在导弹等小型武器上一般用的是火箭加速的，这技术门槛相对比较低，毕竟美国能制造火箭的公司就海了去。

但如果将其“移植”到大型飞行器上时就不行了，需要将其改成涡轮机组合的TBCC模式，也就是涡轮喷气发动机+超燃冲压发动机，启动时用的是涡轮发动机不断加速，一直突破到4-5倍音速时再启动超燃冲压发动机。

听起来很容易，但涡轮发动机在3~4倍音速时是一个超级大问题，因为涡轮发动机在此时也到了强弩之末，很难突破，有两个办法可以解决，一个是使用亚燃-超燃一体式冲压发动机，但速度上限受到限制，可能速度无法超过5~6马赫，因为超燃冲压发动机燃烧室固定后气流速度是有区间的。

另一个则是挖掘涡轮喷气式发动机潜力，比如对进气进行制冷或者将压气级的气流引出注入加力燃烧室等，由于都存在相当的难度，到目前为止突破的公司寥寥。

Hermeus的TBCC，涡轮冲压切换成功

2022年11月17日，Hermeus（高超音速飞行器研发独立企业，与Leidos的子公司Dynetics有业务往来） 展示了Chimera（奇美拉）发动机在圣母大学涡轮机械实验室的超音速风洞中测试的视频，这个实验室的风洞可以加热空气以模拟高马赫数的温度和压力，测试动图如下：

左侧面板指示表示涡喷工作，右侧面板指示表示冲压工作

各位能看到中间有一个简短的切换过程，开始时空燃比相当低的涡轮发动机模式，此时火焰为淡蓝色，之后发动机蓝色火焰消失，尾喷口变成暗红状态，同时推力减小，但很快冲压模式启动，矩形尾喷口喷出耀眼的黄色火焰，发动成功工作在了冲压模式下。

Chimera发动机的结构具有典型性，它的中心是一台GEJ85-21小型单轴涡轮喷气发动机，曾是F-5E/F战斗机的动力，生产量超过1.2万台。在发动机的尾部是一个冲压燃烧室，启动时涡喷发动机工作，高速时涡喷关闭，气流绕过涡喷发动机在后半部分的冲压燃烧室内启动再次工作。

启动时候涡喷一直将飞行器加速达到2马赫。此时Chimera发动机的进气端预冷启动，这个设备工作后将减少进入发动机的空气体积，在不增加发动机压缩级数以及尺寸的情况下，变相增加了涡喷的流量，这会让涡喷的发动机更加强劲，一直推动超过3马赫。

达到3马赫后，涡喷前方锥形冲压进气封闭，气流将通过涡喷外部的进气道进行压缩，被旁路到后半部分的冲压燃烧室，在途中将混入燃料，在燃烧室点燃后从尾喷口排出形成动力，这就是Chimera发动机工作的大致过程。

涡轮与冲压模式切换

Chimera属于“轴对称串联一体式”冲压发动机，除此以外还有“并联分体式”冲压发动机，就是一台涡轮发动机，一台冲压发动机先后工作，这种组合式TBCC是未来大型高超音速飞行器的主要动力。

不过大家还是得了解下，Chimera发动机目前只是亚燃冲压发动机，还没有到超燃的级别，但Chimera发动机的核心涡轮发动机换成流量更大的类型，再加上预冷式技术的发展，点燃超燃冲压发动机可能性是非常高的。

鉴于目前还不确定Leidos的高超发动机构型，但从超燃冲压这个大方向来看，应该数属于TBCC这一类的，因为能与超燃结合的涡轮发动机比较适合大型飞行器。而根据涡轮与超燃切换的模式特点，与《壮志凌云》中的“Dark Star”非常相似，因此有媒体说Leidos要造真的暗星高超音速飞行器还是有些道理的。

我国有没有更好的应对手段？

高超音速飞行器的概念提出已经很久了，但早期是因为宇宙飞船再入要求进行的高超音速测试，后来NASA也造了多款X系列验证飞行器来测试飞，有滑翔高超音速，也有吸气式超燃冲压发动机等模式，但都和上文说的那样，属于火箭动力加速后才能点燃的超燃冲压发动机。

除了超燃冲压外：有不需要其他动力启动的发动机吗？

超燃冲压发动机很优秀，但这个4-5马赫也让科学家相当绝望，不过也有能达到高超音速的发动机却可以零速度启动的，脉冲爆震与旋转爆震就是，这两种的原理是一致的，都是利用等容燃烧（近似爆炸）的超高速喷气流获得动力。

爆震发动机的自持燃烧是最难理解的，比如爆震发动机的进气，燃烧室内爆轰燃烧后的气流为什么只会冲向尾喷口而不会反冲到进气口？其实这个用气流的引射作用即可解决，高温废气经过时会被带入大量新鲜空气，但要反冲却很困难。

脉冲爆震就是单个燃烧室，而旋转爆震则是环形燃烧室但以某个范围为起点环绕燃烧室循环起爆，后者空气流量更大，最终获得的速度也更高，就目前了解到的性能，多管（多个脉冲爆震燃烧室）组合成一台脉冲爆震发动机能达到5-6倍音速，而旋转爆震这个达到7倍以上。

比较优秀的是两者均可以零速度启动，我国在这方面进展相当不错，旋转爆震发动机属于等容燃烧，其节油性能非常优秀，而且结构相当简单，是目前最有前途的高超音速动力之一。

预冷式组合循环发动机也能达到零速度启动，但这种发动机实在太过复杂，而且还需要使用低温燃料，不太适合作战飞行器使用，不过很适合作为大型空天飞机的动力。

我国的TBCC发展如何？

如上文所示，TBCC是涡轮发动机和超燃冲压发动机的组合，我国在高超音速的超燃冲压发动机上的建树颇多，但涡轮发动机是个短板，特别是大流量的核心机，这是TBCC的关键，因为TBCC只需要适合高速的涡喷，不需要外涵道推力更大但极速偏低的涡扇，核心机的流量高表示它能达到的最高速度更高。

另一个则是涡轮前能达到的最高温度，这与材料以及高温涡轮的工艺与散热方式相关，在这方面我国与美国还存在不少差距，而据2020的一项超燃冲压发动机测试中我们首先突破的也是RBCC，TBCC上暂时还没有更多的信息。

延伸阅读：美国的吸气式高超音速发动机计划

很多朋友都觉得中国在高超音速领域是领先的，笔者也是这样认为，但当笔者看到美国从1970年代就开始计划的高超音速发动机，看起来美国在高超音速发动机上的沉淀是相当雄厚的：

从上图中可以看到各位熟悉的方案比如Hyper-X是DAPRA的氢燃料双模态超燃冲压发动机的飞行器X-43，HAWC则是美国空军的吸气式碳氢燃料超燃冲压发动机高超音速导弹等。还有大量各位不熟悉的方案。

除了武器动力外还有飞行器的动力，上图中也有各位熟悉的方案，比如SR-72和AFRE等，当然还有更多的则是大家不了的但美国曾大量研究过的方案。

这张图概括出了美国高超音速动力技术的发展脉络，很清楚的分成武器和飞行器两种，历经50多年技术沉淀，虽然我们不能说发展得早就技术零线，起个大早赶个晚集也是有可能的，但我们也知道，美国的DARPA以及NASA和波音以及洛克希德等这些结构与企业在动力技术领域造诣相当深，千万不可小看了他们。

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