普惠公司从早年“黑鸟”高空侦察机使用的J58发动机获得启发,产生了发展可重复使用高速推进技术的灵感。于是,Metacomet计划应运而生。
随着可重复使用的高超声速推进系统在美国国防部的优先事项中名列前茅,普惠公司现在证实,正在开展一项称之为Metacomet的秘密研制计划,旨在解决当前面临的技术瓶颈,生产一种低成本的高速、可重复使用的推进系统。
启动秘密计划
早在2018年6月,普惠公司为了加快新型发动机的创新和研制工作,创建了一个全新的快速原型部门,并将其命名为“鳄鱼工厂”(GatorWorks)。与洛马公司的臭鼬工厂相仿,鳄鱼工厂的主要任务是用一半的时间和成本来设计和发展新型推进技术。
在此背景下,Metacomet计划秘密启动,至今已有两年时间。标志着该公司在出售旗下的洛克达因公司(Rocketdyne)近10年后,重返3倍声速下的推进系统。
Metacomet计划得名于康涅狄格州境内俯瞰普惠研究实验室的山脉,而从历史上看,这座山脉的命名实际上源于17世纪美洲大陆印第安人万帕诺亚部落酋长的名字,中文译为梅塔科米特。
凭借洛克达因公司出售前的知识产权,普惠公司的鳄鱼工厂启动了Metacomet计划,专注于发展冲压发动机和超燃冲压推进系统的低成本替代方案,以实现高速飞行。
洛马公司曾经为美国海军研制过涡喷发动机为动力的RATTLRS验证机。
借鉴原有技术
这项研制计划充分利用了普惠公司在军用航空发动机领域的专业知识,尤其是可以追溯到数十年前的研制经验,该发动机就是为SR-71“黑鸟”高空高速侦察机研制的J58发动机。J58发动机通过将进气道的空气绕过压气机直接进入到加力燃烧室中,从而形式变化为冲压发动机,实现了3倍声速以上的持续飞行。
鳄鱼工厂高级总监戴维·斯塔涅解释说,飞机飞得越快,推进系统相对于飞机来说的比例就越大,实际上可以装载的燃料和有效载荷就越受到限制,因此,研制人员花了很多时间回到飞机推进的基本原理上,并思考如何以不同的方式解决这一问题。他还表示,美国空军希望飞机飞得更快,还希望拥有一些非常低成本的解决方案,并能够装备大量的飞机。
因此,斯塔涅表示,普惠公司正在从新的角度解决这一问题。他说:“我们认为,可以基于数十年前构建的Ma3发动机所提供的遗产来提供独特的功能,那些核心技能仍然存在,鳄鱼工厂的目标是针对一系列高马赫数的解决方案,提出一整套不同解决方案的产品组合。”
J58发动机在Ma3.2下工作示意图。
优化设计方案
普惠公司认为,这种专门针对高于Ma 3、低于Ma 5的飞行速度而优化设计的方案更加简单,并具有可负担性,因为这避免了纯粹的冲压/超燃冲压发动机循环的需要,也避免了冲压模式与涡轮喷气模式之间转换的复杂性。
斯塔涅说:“显然,需要在飞行速度、续航里程、使用成本和有效载荷之间折衷,并将其安装飞行器上,在经济上才有意义。”
这项计划似乎模糊了“高的超声速”和“高超声速”之间的区别。目前,将高超声速描述为超过Ma5飞行的飞行器,尽管有些不太严谨,但这是一个广为接受的定义。
对于飞行器设计者来说,高超声速状态是指在高于Ma5的不同速度下产生的一系列气动效应和热效应。它们取决于飞行器的设计和飞行轨迹而变化。这些效应不仅明显影响到机身的材料和形状,更重要的是影响到如何选择推进系统的型式。
具备重复使用能力
斯塔涅关于Metacomet计划的评论暗示,该计划正在研究的发动机构型可能接近或超过高超声速概念下的“任意速度定义”,但在系统级层面上却不会遭遇到特殊的气动效应和热效应。
他补充说:“我们针对整个速度范围提出了一些非常独特的解决方案,以解决该问题。我们希望提供目前尚未考虑的各种解决方案,并且每种效果的成本要低得多。这项工作特别着重于可重复使用和可扩展的结构,该结构可用于在各种尺寸、有效载荷、航程和速度的组合中,适应不同的任务优先级。
尽管该公司拒绝提供Metacomet解决方案、测试计划或潜在应用的详细信息,但斯塔涅表示,美国空军研究实验室(AFRL)提出的Mayhem验证机采用超声速、吸气式推进系统“无疑是我们正在关注的多项计划之一。”(温杰)