制造载人喷气式飞机的技术(这家初创公司想研发高超音速载人飞机，它能成功吗？)

Hermeus公司的大胆计划是建造一架能够以5倍音速飞行的载人飞机，这个计划没那么容易实现，但它已经赢得了五角大楼的支持。

原文标题：《这家初创公司想研发高超音速载人飞机，它能成功吗？》

文｜JeremyBogaisky

本月早些时候，一架40英尺长的弧形铝制骨架静静地停在Hermeus公司位于亚特兰大洞穴般的工厂里。这是一架名为“夸特马”（Quarterhorse）的无人机原型，它永远不会起飞。相反，它计划于9月开始进行地面测试。Hermeus的首席执行官皮普利卡（AJPiplica）和他的联合创始人认为，这是通往一个大胆目标的漫长道路上的第一步，而他们的终极目标是：建造一架能够以高超音速运载20名乘客的飞机（具体来说也就是5马赫，即五倍音速，每小时3850英尺（约6196公里））

想象一下，从纽约到巴黎只需90分钟。与今天商业航班的7个半小时相比，这是一个相当大的进步。

此前，实现了超音速飞行的协和超音速喷气式客机极具开创性，但在商业上亏损惨重。目前，距离它最后一次飞行已过去了20年，一大批试图复兴超音速旅行的初创公司却无一成功。普利卡承认，Hermeus公司正面临更艰巨的技术挑战，即要制造出一架能够在超音速飞行产生的高热和奇怪动力状态下长时间飞行的客机，而且飞机飞得越快，这种高热和动力扭曲就越明显。但他表示，这还不是最大的问题。35岁的皮普利卡在接受《福布斯》采访时表示：“商业挑战才是真正的难题。你不可能随随便便就募集到数十亿美元来开发一架客机。”

皮普利卡的解决方案是：利用美国政府急于追赶俄罗斯和中国研制可机动高超音速导弹的迫切心情，由五角大楼出资，研制小型高超音速无人机，以此来验证这项技术。

“夸特马”存在的目的是作为一个可重复使用的测试平台，让材料和设备在高速条件下进行试验。迄今为止，Hermeus已经从美国空军赢得了一份价值3000万美元的合同，用于制造和试飞三种版本的飞机。皮普利卡表示，他预计首飞时间为2024年，总开发成本将低于1亿美元。

按照Hermeus公司的计划，它将于2026年开始对第二架更大的无人机“黑马”（Darkhorse）进行飞行测试，它也计划被用作测试飞行器，以及用于远程监视和军事打击。

皮普利卡说，如果这一计划成功，到Hermeus开始建造计划中的载人客机“翡翠鸟”（Halcyon）时，他们将已经陆续建造了6到10架“夸特马”和“黑马”的原型机，并为高速飞行的许多技术难题找到了解决方案。皮普利卡称，毕竟，人类对4马赫的飞行速度只是通过所谓的进气式飞机（air-breathingaircraft）有过大约30分钟的经验。这种飞机利用周围的氧气进行燃料燃烧，而不是像火箭那样携带氧气，这样就能给乘客等有效载荷留下更多空间。当所有的测试完成后，皮普利卡预计公司将拥有一支高超音速无人机舰队，通过执行美国国防部的任务赚取稳定的收入。

他说，到那时，Hermeus将已经建立起了一个足够强大的财务基础，可以在没有大量私募资本的情况下也向“翡翠鸟”过渡。

凭借这一商业计划，Hermeus已融资1.19亿美元，并于2022年3月完成了B轮融资，估值为4亿美元。该公司的勃勃野心使其登上了《福布斯》今年的“美国准独角兽企业”（NextBillion-DollarStartups）榜单，榜上的25家公司都是我们认为最有可能达到10亿美元估值的、由风险投资支持的初创公司。

奇奇怪怪的科学

专家告诉《福布斯》，Hermeus的目标是在21世纪30年代中期让高超音速客机投入使用，这是一项极其艰巨的任务。

挑战不在于实现高超音速——毕竟导弹和太空飞行器经常做到这一点。得克萨斯大学阿灵顿分校的高超音速研究人员卢卡·马达莱纳（LucaMaddalena）说，难点在于制造出能够维持这种速度和压力并可重复使用的飞行器。

随着飞机加速，它与空气的摩擦将逐渐产生更多的热量。为了适应这种情况，1976年以3.3马赫的速度创下最快喷气式载人飞机记录的SR-71黑鸟间谍飞机，其铝制机翼部分呈波纹状，可以在机身表面升温时膨胀。该飞机还会在跑道上漏油，因为它的金属油箱只有在在飞行中受热膨胀时才会密封。

当飞机的速度超过音速，也就是1马赫时，就会达到超音速，但高超音速领域的起始速度并不明确。这是由其独特的动力学特性决定的。当飞行速度超过5马赫，热量开始在飞行器周围的空气中引起化学反应，氧气和氮气会分裂成单个原子，并与飞机的表皮发生反应。环绕飞机的空气成分不再像是跑道上的空气。“这是一锅由不同气体组成的大杂烩。”马达莱纳说，“而且由于温度和压力的变化，很可能机身的每个点上的气体组成都是不同的。”在更高的速度下，一些气体会变成等离子体。预测飞机的性能需要将化学、量子力学与空气动力学结合起来。在这方面，科学家们还有很多工作要做。

使高超音速客机可行的一个关键要求是它的耐久性。美国国家航空航天局（NASA）高超音速技术项目负责人玛丽·乔·朗-戴维斯（MaryJoLong-Davis）说：“它的寿命不能只有现在亚音速飞行器的一半。那不会使其成为一个成熟的商业模式。”

皮普利卡也坦率地承认，目前还没有办法预测“翡翠鸟”的使用寿命或维护计划。“数据尚不存在。”他说。Hermeus的目标是通过“夸特马”和“黑马”获得这方面的信息，而鉴于美国政府目前正热衷于发展高超音速武器，它可能会有机会成功。

首选武器

美国国会在2023财年为五角大楼提供了58亿美元的拨款，用于大约70个高超音速项目，而在2016年，这一数字还不到5亿美元。但项目的进展缓慢，部分原因是能够模拟高超音速条件的风洞数量不足，以及飞行测试的速度缓慢。许多项目每年只进行几次飞行试验。

这就是为什么Hermeus的目标首先是制造可用于部件飞行测试的无人机。

当然，也有其他公司在追逐这些机会。由已故微软亿万富豪保罗·艾伦（PaulAllen）资助的Stratolaunch公司正在开发一种以火箭为动力的自主高超音速测试飞行器，该飞行器将从其世界上最大的"大鹏"（Roc）飞机上发射升空。今年春天，美国国防创新部门还授予了澳大利亚公司Hypersonix和加州Fenix太空与火箭实验室开发高超音速试验台的合同。

皮普利卡和他的联合创始人——包括首席技术官格伦·凯斯（GlennCase）、首席运营斯凯勒·舒福德（SkylerShuford）和首席产品官迈克·斯梅达（MikeSmayda）——都有航天行业的背景，并曾在GenerationOrbit公司共事，该公司正在开发一种用于高超音速飞行测试的空气发射液体火箭。他们认为，可以通过模仿太空初创公司制造一系列逐步解决高超音速飞行问题的飞机来降低成本。

例如，“夸特马”只会以3马赫以上的速度飞行几分钟，所以Hermeus不需要解决飞行时间更长的高超音速无人机的热管理问题，更不用说保证乘客的生命安全了。“夸特马”还将测试进气式推进系统，该系统的设计相对便宜。

“夸特马”和“黑马”在起飞时都将由一个现成的战斗机喷气发动机提供动力，该发动机将推动飞机达到接近3马赫的速度，足以点燃冲压喷气发动机，后者没有运动部件，依靠向前运动来压缩空气，从而有效地燃烧燃料。皮普利卡表示，冲压喷气发动机已经研发了几十年，是一项相对成熟的技术。

去年，该公司展示了一种名为Chimera的推进系统，可以在高速风洞中点燃冲压发动机。

按照计划，"黑马"的长度将比“夸特马”长大约50%，能够以5马赫的速度飞行超过1000英里。由于雷达技术的进步有可能使F-35战斗机等美国飞机的隐形性能失效，皮普利卡认为，"黑马"的速度将使美国空军有能力继续在像中国这样拥有先进防空系统的对手的空域开展行动。

其他高超音速客机初创公司的目标则是使用更小众的技术实现比Hermeus更快的速度。

总部位于休斯顿的维纳斯航空航天公司（VenusAerospace）正在努力完善一种旋转爆炸火箭发动机，该公司计划用这种发动机驱动一架可在太空边缘以9马赫速度飞行的12人客机。PitchBook的数据显示，包括空客公司（Airbus）的风险投资部门在内的投资者已向该公司注资了4800万美元。

瑞士初创公司Destinus正在研发一种氢燃料飞机，设计速度为15马赫。根据PitchBook的数据，该公司获得了3900万美元的融资。

速度的代价

NASA的朗-戴维斯说，马赫数越高，需要的特殊材料就越多，维护成本也就越高。据NASA在过去四年中资助的几项关于高速航空运输经济学的研究显示，燃料成本和机票价格也会随着速度的增加而增加。虽然这些研究的假设条件较多，但研究表明，市场潜力最大的是速度在2到3马赫之间、可搭载20到30名乘客的飞机。

根据SpaceWorks的一项研究，一架理论上航程为4000英里、20座5马赫的飞机，其票价可能超过1万美元。

皮普利卡说，他们的Chimera推进系统将把飞行器的速度范围将优化为3到5马赫，这为Hermeus提供了灵活性。皮普利卡还认为，即使1到2马赫的速度在客运服务方面有更大的潜力，超音速飞机初创公司也面临着对军方吸引力较小的不利因素，也没有销售中间产品以实现最终目标的前景，而Hermeus公司希望通过研发其计划中的无人机做到这一点。

但五角大楼以试验新技术然后改变方向而闻名。在特朗普政府大幅增加高超音速武器研发支出后，批评人士对这些支出是否物有所值提出了质疑。美国国会预算办公室在1月份的一份报告中得出的结论是，它们可能比同等射程的弹道导弹贵三分之一，而且生存能力更差。

事实证明，制造一种执行单向爆炸任务的可操纵高超音速飞行器已经足够困难了，所以在这一点上谈论高超音速运输是一个“科幻故事”，航空航天咨询公司AeroDynamicAdvisory的理查德·阿布拉菲亚（RichardAboulafia）表示。“一家小型初创公司可以在长达百年的发展进程中发挥重要作用，这种想法有点奇怪。”

马达莱纳则表示，像Hermeus这样的初创公司以其令人兴奋的飞机设计吸引了人们的注意力和资本，这是件好事，但在聚光灯之外，其他公司和学者也在悄悄地研究能够实现高超音速飞行的构件。“我们高超音速计划的成功并不完全取决于几家初创公司。”

译自

https://www.forbes.com/sites/jeremybogaisky/2023/08/22/new-york-to-paris-in-90-minutes-can-this-startup-make-it-h