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洛克希德马丁公司发布替代SR,监视和侦察

2020-01-03 19:24

[据美国商业机会网站2017年3月30日报道]2017年3月30日,美国空军发布题为“情报、监视和侦察,高超声速”的信息发布公告。该公告指出美空军装备司令部、空军生命周期管理中心、莱特帕特森空军基地依照法律规定,拟为“情报、监视和侦察”的未来研究和发展洽谈单一来源性质的合同,支持基于相关ISR任务说明的高超声速飞行器概念研究工作。该合同类型为“成本加固定基础费用”合同。 经过详细的市场考察研究,美空军决定将该合同授予GoHypersonics公司,并认为该公司有能力达到政府机构对于开展ISR未来研究和发展的各项要求。 “ISR未来”项目是一种发展规划项目,旨在研究下一代猎杀任务集,信号情报任务集和高空持久任务集的发展路径。高超声速平台则被认为是“ISR未来”项目的重要部分,其中迫切需要发展利用CREATE-AV工具进行高超声速进气道的概念设计能力。 因此该合同的目的是支持值得进一步研究和投资的高超声速平台概念发展、完善高超声速平台早期的概念设计,支持联合能力集成和发展系统,支持基于相关ISR任务说明的高超声速飞行器概念研究,研制代理模型,利用快速转变分析方法支持概念设计;该项研究将利用高保真方法确定高超声速进气道性能并通过运用“计算流体动力学”如CREATE-AV Kestrel工具和其他一流工具验证进气道的可操作性,然后CREATE-AV Kestrel将用于进行“6自由度”的研究,进一步检查与四大主要操作环境相关的概念适用性。 上述研究工作是先前“小型企业创新研发计划”第一阶段和第二阶段的延续性工作,并将继续致力于优化高超声速发动机和飞行器系统的设计。但不同的是,此次研究任务将作为2017财年的任务,以新合同的方式下达,即“成本加固定基础费用”合同。 而选择GHI公司最大的原因是因为在SBIR第一阶段和第二阶段中,该公司一直在做高超声速发动机设计和飞行器系统设计的研究工作并取得了很大的成功,因此为了不浪费政府的经费,同时避免重复劳动,美空军最终选择了GHI公司作为承包商,在先前的研究成果基础上,继续开展高超声速发动机和飞行器系统设计的研发工作。 SBIR第一阶段的研究任务始于合同#FA8650-05-M-2591——“飞行器一体化向内旋转吸气式发动机”,该合同授予了Pyrodyne公司,并由美国空军研究实验室航空航天系统部管理。后来主承包商成立了自己的公司——GHI公司,并继续承包该项合同。随后,GHI公司获得SBIR第二阶段合同,合同号为#FA8650-06-C-2676,继续第一阶段的工作内容,进行分析和试验工作。上述工作有效支持了美空军研究实验室用于研制超燃冲压发动机系统的高速推进项目,其中,发展鲁棒性超燃冲压发动机设计并与飞行器进行集成起着至关重要的作用。 先前的研究工作充分表明需要发展用于发动机设计、分析以及为飞行器制造固体表面和结构的软件工具。一般通过试验数据对这些工具进行验证。由于在高超声速系统中,以超燃冲压发动机为例,飞行器与发动机系统高度耦合,一旦完成这些部件的设计和分析,就必须协调一致地解决这些部件。实际发动机系统的试验中将涉及多个部件。一般需要进行飞行器集成后方才进行飞行试验。然而飞行试验成本极其高,且需要计划多年,因此数值方法需要做部件和集成系统的大部分初步分析工作,而在先前的SBIR合同中,已完成了大部分数值分析工作。 根据合同要求,GHI公司需完成:辨别可用工具集的优缺点,探索高保真参数几何生成方法,采用正确的CREATE-AV分析工具,开发动态稳定性导数等任务,合同期限为11个月,具体如下所示,: 任务1:研究CREATE-AV Kestrel工具集 1.1 研究最适合用于设计高超声速概念的CREATE-AV Kestrel工具集,与国家最先进的工业设计方法对比指出各个工具的优缺点; 1.2 指出应采用哪种工具集,并应该怎样应用于高超声速平台的概念设计中,并提出怎样开展整个合同工作内容的分析计划。 任务2:参数几何的几何生成和集成 2.1 在高超声速平台概念中的进气道/超燃冲压发动机设计中,集成高保真和参数几何; 2.2 在几何生成和工具集成中采用CREATE-AV DaVinci设计框架及其他CREATE-AV或/和可应用的非CREATE-AV工具。 任务3:分析工具集在高超声速飞行器设计的应用 3.1 采用CREATE-AV DaVinci/Capstone/Kestrel等工具实现高超声速、变几何进气道从亚声速到超声速时的快速分析和设计。 任务4:发展动导数 3.2 采用CREATE-AV Kestrel工具发展变参数高超声速飞行器构型从亚声速到超声速的动导数。 任务4:形成报告 4.1 GHI公司应按季度以PDF,MS Word等格式提供相应的情况报告。

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尽管空军研究实验室的X-51A高超声速发动机演示验证飞行器进行了三次试飞,其中1次取得部分成功,2次失败,但仍然计划在2013年中期实施第四次试飞。空军领导仍然致力于高超声速研究。 2010年5月,X-51A首次飞行中,烃燃料的超燃冲压发动机燃烧140秒。发动机与喷嘴之间出现泄漏导致飞行终止,但超燃冲压发动机使飞行器得到了加速。2011年6月第二次飞行时超燃冲压发动机点火期间,进气道未能开启。2011年8月第三次飞行中,由于控制舵面故障,导致飞行器翻转坠落,超燃冲压发动机未能点火。 空军对高速ISR/打击给出了清晰的定义,即飞机必须在没有太空支援的情况下生存一天,还应能够渗透到拒止区域。利用TBCC推进系统,飞机能以马赫数4+的巡航速度,从常规跑道起飞。新计划要求在2020年左右演示验证涡轮到双模冲压发动机/超燃冲压发动机过渡系统。在黑雨燕冲压发动机/超燃冲压发动机的发动机模型试验中,就遇到了TBCC与高温涡轮发动机问题,并取得了较大进步。试验工作将聚焦于亚尺寸的机身,但可能会利用半尺寸或全尺寸的流道。它将作为技术试验平台,为次级目标提供机会,包括陶瓷基复合结构、先进的电源与热管理、传感器等。 空军的这项科技研究计划关注于解决与飞行器推进系统及其与机身集成相关的重大难题,关注得其他领域还包括电源与热管理、制导与控制、结构与材料、构型与气动、以及传感器。

[据美国《航空周刊》网站2013年11月1日报道]自从洛克希德马丁公司无与伦比的SR-71“黑鸟”从美国空军退役以来,多年以来问题一直是:在它之后是否会有新一代速度更高的飞机,如果是,那会是何时出现?

现在,这个问题已有答案。在对该问题保持多年沉默之后,洛克希德马丁公司的臭鼬工厂已经向《航空周刊》独家透露了SR-71的后继机——经济可承受高超声速情报、监视和侦察和打击平台的长期发展计划,该平台预计在2018年进入验证机开发阶段。采用双发设计的SR-72巡航速度为马赫数6,是SR-71速度的两倍,并针对打击目标进行能力优化。

根据美国空军高超声速长期路线图,SR-72的设计用于替代SR-71,填补现有卫星、亚声速有人、无人平台在快速反应情报方面日益增长的能力缺口。潜在危险和不断增加的移动威胁正出现在拒止区域、对抗空域和拥有先进防空系统和反卫星知识的国家。

洛克希德马丁公司认为马赫数6是实用型吸气式高超声速飞行器的最佳设计点,以马赫数6在高空巡航的飞行器,可在隐身先进亚声速或超声速有人和无人机难于生存的空域执行穿透任务。此外,武装ISR平台也将有在目标隐藏前实施打击的能力。

尽管高速ISR能力的价值毋容置疑,但是其昂贵的成本依旧成为阻碍实施相关研制的原因。

但现在洛克希德马丁公司认为已具备条件解决这一问题。洛克希德马丁公司吸气式高超声速技术投资经理布拉德利兰表示“臭鼬工厂在过去7年中一直与航空喷气洛克达因公司合作,开发实现现有涡喷发动机与超燃冲压发动机集成的方法,从而实现飞行器从0加速至马赫数6以上。”“我们的方法是建立在HTV-3X的基础上,但是对其进行了很多扩展,并解决了一个关键性的技术问题:高速涡轮喷气发动机。HTV-3X是美国空军/美国国防先进研究计划局在2008年取消的可重复使用的高超声速验证机,可重复使用高超声速飞行器的概念是DARPA“猎鹰计划”的产物,该计划包括发展小型运载火箭、通用飞行器和高超声速巡航飞行器。由于CAV和HCV的结构和气动技术需要测试,洛克希德马丁公司获得资金,开发出一系列无动力的高超声速试验飞行器。

在这些研发工作实施期间,2004年作为重新聚焦于航天举措的一部分,NASA取消了几乎所有的高超声速研究,包括X-43C组合循环推进验证机的相关工作。DARPA的HTV工作自然拓展至包括第三种HTV,即有动力的HTV-3X,该验证机可利用涡喷发动机从跑道起飞,使用超燃冲压发动机加速至马赫数6,并可返回着陆。

利兰指出洛马公司并未对当时HTV-3X验证机“黑雨燕”概念研究所取得的关键性成果进行宣传。“所建立的飞机构型能够实现可控的起飞和亚、跨、超和高超声速段的加速。

当时的研究工作获得了很多基础性的经验,特别是关于维持跨声速段稳定性的飞控系统设计问题。洛马公司的工作证实了该公司提出的布局能在起飞过程中不发生偏离。兰利称洛马的方案能够在保持稳定性和可控的前提下降低起飞速度,并已通过一系列风洞试验证实了这一点。

同样重要的是,臭鼬工厂设计团队开发出可实用化的涡轮基组合循环推进系统的集成方法。利兰指出洛马实际开发出一种涡轮发动机和冲压发动机相互实现模态转换的方法。洛马公司利用很多试验证实该方法,其中包括第一个模态转换验证试验。臭鼬工厂在Facet项目中完成了TBCC的缩比地面试验,该TBCC系统由小型高马赫涡轮发动机和双模亚燃/超燃冲压发动机组成,两种发动机共用一个轴对称进气道和喷管。

与此同时,美国空军研究实验室并行开展的HiSTED项目并未制造出可用于TBCC,飞行速度最大可达马赫数4的小型涡喷发动机。利兰回忆高速涡轮发动机是当时遗留的一个技术问题。这就为臭鼬工厂的设计人员留下了一个熟悉的问题:如何解决现有涡喷发动机最大速度马赫数2.5与亚燃/超燃冲压发动机启动速度马赫数3-3.5之间的动力接力问题。臭鼬工厂的设计人员称之为马赫数3附近的推力鸿沟。

尽管在HTV-3X取消后,在DARPA模态转换项目的支持下,洛马公司继续开展了该问题的进一步研究,但是在2009-2010年完成TBCC发动机模型后,相关工作暂时告一段落。因此,洛马和航空喷气洛克达因两家公司就此问题展开交流,并开展了为期7年的联合研究工作

最终,两家公司获得了设计突破,使之能够开发SR-71的高超声速后继机。利兰指出公司已经开发出利用如F100/F110这类现有战斗机发动机的方法。相关的工作包括改进亚燃冲压发动机以获得更低的启动速度,这将是新一代高超声速飞机研制的关键,并将是该型飞机近期可实现,并具有较好的经济可承受性。利兰指出即使当年HiSTED项目的发动机取得成功,即使“黑雨燕”实现飞行,将当时的小型涡喷发动机大型化仍将耗资数十亿美元。

洛克希德公司不打算透露解决推力鸿沟的方法。然而,可能的几个解决概念是已知的,包括不同的射流预冷器方法,即向压气机注入大量的冷介质以提高性能。其它增加发动机功率的概念包括“高超燃烧器”,这是一个作为加力燃烧室的推力增强装置,随着马赫数增加转换至亚燃冲压发动机。今年早些时候收购了洛克达因的航空喷气公司还将火箭引射亚燃冲压发动机作为实现0至马赫数6无缝推进接力的另一种解决方案。

虽然建议推力增强概念的细节仍处于保密状态,利兰指出成功实现模态转换设计的很大一部分工作在于进气道。其原因在于必须确保亚燃冲压发动机和涡喷发动机工作问题,两发动机将并行工作。

洛克希德公司已经完成部件的缩比试验。下一步将进行一系列试验或关键性的演示验证。目前,洛马已准备好开展关键演示验证,并计划于2018年研制技术验证机。那将意味着开始制造和开展完整关键演示验证。截至目前,并无技术难题,唯一阻碍获取高超声速的仍旧是高昂的费用,以及高超声速本身的复杂性和独特性。

2018年的时间线源自高速打击武器项目的可能进度安排,该项目是由美国空军和DARPA组织的高超声速导弹项目。洛马公司认为在HSSW完成试飞前,预计将不会开展高超声速飞机的演示验证。

2018年的时间线还要配合空军高超声速路线图,该路线图要求2020年开展高超声速打击武器研制,2030年开展穿透区域ISR飞机研制。高速ISR/攻击飞机的主要要求是具备无通信和导航卫星支持下的生存力,并能够执行拒止区域的穿透任务。就TBCC推进系统而言,空军已经要求具有比2010年12月提出的马赫数4更高的速度。最新的要求据信至少要马赫数5以上的巡航速度,并可从常规跑道起飞。

SR-72的发展将以可选有人驾驶的飞行研究机为起点,该研究机长约60英尺,动力装置为单台全尺寸推进系统。验证机大小与F-22相当,采用单台发动机,并能以马赫数6飞行数分钟。设想中的实用型飞行器SR-72将是双发无人飞行器,机长超过100英尺(30.5米)。其尺寸将与SR-71相似,具备相同的航程,但是飞行速度是其2倍。FRV将在2018年开始研制,并在2023年实现首飞,预计装备型SR-72可在2030年交付部队。

臭鼬工厂工程和先进系统副总裁Al罗米格表示“速度将是新的’隐身’能力”。这意味着高超声速飞行器无需过多考虑低可探测问题。采用大的发动机进气道和气动布局显示SR-72概念基本没有考虑隐身问题。虽然表面可以喷涂雷达吸收材料,尖锐前缘的热防护要求可能是更为重要的问题。类似HTV-3X,该飞行器可能采用热金属前缘和“热/加热”金属主结构设计以处理较高热流密度载荷。

推进系统舱安装在机身靠近内侧的位置,集成有组合推进系统以及涡轮-冲压发动机的进气道。与昔日HTV-3X的设计差异在于采用了仅适用于小尺寸涡轮发动机的低阻设计。采用共用进气道和喷管的原因在于进气道的溢出阻力和喷管的底部阻力通常是占总阻力比较多的部分。

在气动布局方面,前体表现为有考虑在高速下为进气道来流提供压缩,但是并非像X-51A那样的乘波体布局。利兰表示并不主张采用乘波体布局。洛马公司研究发现乘波体的优势仅体现在对应的巡航速度状态,因此如果要利用气动优势,那么飞行器的燃料必须主要用于巡航段。但是事实上,高超声速飞行器的设计通常在加速段消耗较多燃料,因此必须让飞行器在加速段具有较高效率。

洛马公司的飞行器概念带有突出的脊背,并融合于大后掠角三角区域,延伸至机身后段。脊背和三角区域可能旨在增加方向稳定性,并在高速巡航时提供更多的升力。发动机进气道外侧,机翼前缘与向外延伸一段后,转为与机身平行的直角,经过一段过渡后,进一步延伸为具有稍小后掠角的机翼外段。机翼前缘、机翼内翼外段、进气道外侧构成了一个梯形翼面。梯形翼面所产生的涡升力将有助于低速段的飞行。

SR-72在设计时除考虑凌空ISR能力外,还同时考虑了利用导弹的打击能力。从马赫数6飞行的平台发射的武器无需助推器,将显著减少重量。拥有更高速度的SR-72将能探测和打击更加敏捷的目标。即使是马赫数3的SR-71,被侦察目标仍可提前注意到飞机的来袭,但是对于马赫数6的飞机而言,根本没有足够的时间来隐藏移动目标。这是无法规避的ISR。洛克希德设想,一旦FRV已经完成了基线验证机的作用,它可以成为开发高速ISR技术和支持SR-72的武器配置、航空电子和下行链路系统测试的试验平台。

利兰称鉴于HSSW项目已经实施,已是承认SR-72存在的时候。随着太平洋战略支点概念的出现,高速ISR概念开始获得明确的牵引。根据高超声速路线图图,飞机的发展是随导弹而展开,所以现在是时候推进关键演示验证的相关工作。”将对推进系统的各独立单元进行试验,然后将集成至完整的推进系统,用于全尺寸FSR评估。

洛马公司已在继续用公司资金推进研究工作,但是目前已经处于需要开展大规模实测的阶段,这一阶段将需要更高的投资水平,意味着必须由空军或是DARPA提供下一阶段的经费。通过FRV的研制,臭鼬工厂也将获得关于完整高超声速飞机研制费用的相关经验和知识。

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