澳大利亚启动高超声速无人机系统计划

盖伊·诺里斯（美国科罗拉多州斯普林斯市）

高超声速发射系统公司开发的DART-AE小型高超声速无人机验证机安装了一台“斯巴达”超燃冲压发动机，飞行速度可达Ma7，为多任务航天器发射任务奠定了基础。在完成台架试验后，“斯巴达”超燃冲压发动机将开展试飞。

凭借数十年的高超声速研究和技术积淀，初创企业高超声速发射系统公司（Hypersonix Launch Systems）蓄势待发，准备在国家太空与导弹防御系统吸气式发动机研制计划中发挥核心作用。

高超声速发射系统公司位于澳大利亚昆士兰州布里斯班市，成立于2019年，致力于超燃冲压发动机技术的商业化应用，主要目标是开发一种三级航天发射系统，将重量低于49.9kg的小型卫星送入近地轨道或太阳同步轨道。如今，随着高超声速系统在澳大利亚国防战略中占据越来越重要的地位，该公司超燃冲压发动机技术吸引了众多客户的浓厚兴趣。

在技术需求牵引下，高超声速发射系统公司从2021年底开始把发展重心转向国防领域。来自国防部门的客户认为，最大的问题是项目的节奏，希望快速获得大量产品并开展发射试验，不愿意等待数年，并期待新开发的产品成为高超声速探测与防御等系统的试验手段，一是实用，性能强大；其次是产品可靠性高，能定期和频繁使用。

图1 高超声速发射系统公司研制的“斯巴达”超燃冲压发动机，其能源为高压氢气。

氢动力超燃冲压发动机开发

超燃冲压发动机是整个无人发射系统的关键设备，其比推力为2000s，超过同等尺寸常规火箭助推器的6.5倍。该型发动机采用了高强度重量比设计，具有简单、坚固、重量轻等特点，可重复、可扩展使用，没有活动部件，能自动点火，可将高超声速无人机系统的飞行速度加速到Ma5～12的范围。

台架试验

“斯巴达”（Spartan）超燃冲压发动机试验台采用3D打印技术制造而成，使用的材料是镍铬合金。一家未公开身份的德国制造商正在制造发动机试验台，该试验台虽然不是一台完整的、可正常工作的发动机，但具备所有正确的形状和开口，同时展示了发动机制造所需的技术。

在政府提供的商业资助下，高超声速发射系统公司正在与位于澳大利亚维多利亚州的3D金属材料打印专业机构阿米加工程公司（Amiga Engineering）合作，开展“斯巴达”超燃冲压发动机试验台的台架试验。

2021年，一台缩比发动机模型在澳大利亚昆士兰大学完成初期激波风洞试验。

2022年3月，台架试验在澳大利亚布里斯班市的布尔沃岛（Bulwer）完成。高超声速发射系统公司对“斯巴达”试验台进行了一些热测试，测试过程顺利，发动机满足技术要求，下一步计划对“斯巴达”验证机开展试飞。

2022年3月，在高超声速无人机系统达到Ma5以及更高马赫数等一系列飞行速度下，试验团队对发动机进气口进行测试，以确保超燃冲压发动机的氢燃料在所有飞行速度下都能正常燃烧。最近，试验团队开展了一次评估燃料系统的台架试验。超燃冲压发动机试验台由高压氢气、远程控制阀和所有其他设备组成，实现了全部预期目标。

生产型超燃冲压发动机制造

生产型超燃冲压发动机将由耐热性更高的陶瓷基复合材料（CMC）制成，高超声速发射系统公司下一步将考虑如何在生产线上制造发动机，而不是制造订制型试验台，这是该公司面临的下一个重大挑战。发动机结构件将考虑使用不同类型的陶瓷基复合材料。

高超声速无人机系统的组成与技术特点

澳大利亚开发的高超声速无人机系统以垂直发射模式升空，包含第一级火箭助推器“回旋镖”（Boomerang），第二级、第三级航天器。“回旋镖”火箭助推器安装了氢动力超燃冲压发动机，为高超声速无人机系统提供动力。在超燃冲压发动机将高超声速无人机系统的飞行速度加速到Ma5之后，“回旋镖”火箭助推器脱离系统，然后滑翔飞行，返回发射场，最终以较慢的速度摆动机翼完成水平着陆。

第二级航天器名为“德尔塔-维洛斯轨道器”（Delta Velos Orbiter），是一种锥形有翼航天器，长度12m，机身下方安装了4台并联式超燃冲压发动机。为了保证第三级航天器顺利过渡到太空，超燃冲压发动机应将“德尔塔-维洛斯轨道器”的飞行速度加速到Ma12。

在约33.5km的高度，第二级航天器“德尔塔-维洛斯轨道器”脱离系统，并以一种跳跃式飞行轨迹返回距当前位置很远的发射场。当“德尔塔-维洛斯轨道器”每次到达跳跃轨迹的底部时，超燃冲压发动机重启以维持飞行，直到“德尔塔-维洛斯轨道器”再次进入滑翔状态。最后，“德尔塔-维洛斯轨道器”在标准跑道上降落。

第三级航天器采用了火箭推进技术，头部集成了第三级火箭助推器，当第三级航天器完成任务载荷发射后，第三级火箭助推器脱离航天器，然后在大气中燃烧殆尽。

DART-AE小型无人机验证机开展试验

图2 “德尔塔-维洛斯轨道器”机身下方安装了4台串联式超燃冲压发动机。

在“斯巴达”超燃冲压发动机的初期试验计划中，一台发动机被集成到一架DART-AE小型高超声速无人验证机上。这架验证机是一种大后掠角三角翼无人机，机长2.76m，重量约300kg，整个机体采用了增材制造技术，机翼前缘由3D打印技术而制成，使用了含有钨元素的镍铬合金。在试飞中，DART-AE小型验证机的飞行速度达Ma7，航程超过499km，试验科目包括超燃发动机的起动与关闭性能验证、空气动力控制测试、航程和飞行性能验证。在试验过程中，发动机可随时点火起动，燃油系统是秘密资源之一。

DART-AE多任务无人机验证机预计2023 年首次发射

高超声速发射系统公司计划使用两级探空火箭发射DART-AE多任务验证机，发射任务由位于美国加州圣迭戈市的克拉托斯（Kratos）防务和安全解决方案公司承担，目的是让发动机将DART-AE多任务验证机的飞行速度加速到Ma7，飞行高度提升到约45km。DART-AE多任务验证机拟于2023年在位于美国弗吉尼亚州的美国国家航空航天局（NASA）沃洛普斯（Wallops）飞行基地进行首次发射。

高超声速发射系统公司计划开展三次发射任务，在美国沃洛普斯飞行基地实施前两次发射，在澳大利亚进行第三次发射。目前，该公司正与澳大利亚赤道发射（ELA）基地探讨合作的可行性，也可能在澳大利亚新建成的阿纳姆航天中心（Arnhem Space Center）进行第三次发射。阿纳姆航天中心是澳大利亚第一个商业航天基地，位于澳大利亚北领地（NT），靠近赤道。澳大利亚赤道发射基地已与NASA合作实施了一个项目，于今年6月底完成该项目的首次发射。因此，该基地是经NASA认证的载荷集成站，并拥有NASA授权的发射轨道。

图3 “德尔塔-维洛斯轨道器”验证机机长5.5m，后续将为尺寸更大的航天器开发铺平道路。

图4 当飞行速度被超燃冲压发动机加速到Ma12时，“德尔塔-维洛斯轨道器”发射第三级航天器。

图5 DART-AE 缩比验证机由单台超燃冲压发动机提供动力，瞄准了高超声速防御等多任务系统开发。

DART-AE多任务验证机发挥的作用将不止于技术验证，还将为澳大利亚未来多任务高超声速无人机系统验证机提供技术基础，更好地满足澳大利亚日益增长的产品开发与高超声速导弹防御系统试验的需求。DART-AE不仅是一架验证机，同时也代表了一种技术能力，将引领澳大利亚其他国防装备的发展。

多方加强合作

随着今年4月澳大利亚、英国和美国签订三边安全伙伴关系（AUKUS）协议，三国将合作开发高超声速武器，这意味高超声速发射系统公司迎来了前所未有的高超声速技术应用机遇。

英国、澳大利亚均与美国开展了高超声速项目双边合作，而三边安全伙伴关系协议旨在探索如何通过三方关系，加强现有合作。在该协议的推动下，英国可能会参与澳大利亚和美国合作实施的“南十字星综合飞行研究试验”（SCIFire）双边计划。SCIFire双边计划旨在开发一种飞行速度为Ma5的空射打击与反舰武器，该武器可集成到三个国家都使用的洛马公司F-35战斗机和波音公司P-8“海神”反潜机上。其他项目可能包括美国、英国和澳大利亚联合开发的滑翔段拦截器。

在SCIFire项目之前，美国和澳大利亚合作开发的“高超声速国际飞行研究试验”（HIFiRE）计划已运行数年，这为澳大利亚高超声速技术发展奠定了良好基础。HIFiRE计划具有较高的成本效益，7次发射费用仅约7000万美元，提供了真正的高超声速飞行经验，拥有如此深度和水平的飞行经验的项目并不多见。现在，高超声速发射系统公司迎来一次真正的机会，在高超声速新计划发展过程中乘势而上，积极推动澳大利亚高超声速系统向前发展。