一小時全球抵達：中國科技的空天競速_風聞

商業化的臨近空間高超音速飛行。

作者 | 劉愛國

研究助理 | 任友善

數據支持 | 鈦禾產業研究院

變革者

No.29

2021年初，拜登政府剛剛上任不久，就面臨一個棘手的課題：美國要不要在發展臨近空間高超音速武器上加大投入，以應對中俄兩個主要競爭對手在此方面形成的優勢。

以多位軍方高級官員為代表的支持派和以一批科學家為代表的反對派形成了觀點對峙，雙方圍繞此事展開了激烈爭論，最終支持派的意見佔據了上風。美國當地時間5月28日，拜登向國會提交了2022財年（2021年10月1日至2022年9月30日）聯邦全面預算方案，其中為高超音速武器項目申請預算高達38億美元。五角大樓高超音速武器項目主管邁克·懷特對媒體興奮表示：

“2022年預算是美國高超音速武器的里程碑，但是美國尚需加快腳步，趕上中俄的步伐。”

美國雖然是最早開展高超音速技術研究的國家，但近年來由於研究目標分散和政府重視程度不夠，在該領域已經被中國和俄羅斯甩開半個身位。  為了爭取更多研究經費，政客和媒體經常表演雙簧，通過不斷炒作中俄在此方面形成的潛在軍事威脅，以此來向白宮施壓。

2021年9月，在美國空軍部長肯德爾暗示中國正在發展類似於“部分軌道轟炸系統（FOBS）”的太空武器之後，英國《金融時報》立刻發佈了一篇“獨家報道”，宣稱中國在8月試射了一枚可攜帶核彈頭的高超音速武器，不但具備環繞地球飛行的能力，還可以在重返大氣層後，憑藉極高速度突破反導系統攔截，攻擊地面目標。10月18日，外交部發言人趙立堅針對此事回應表示：

“此次試驗是一次例行的航天器試驗，用於驗證航天器可重複使用技術，對於降低航天器使用成本具有重要意義，可為人類和平利用太空提供便捷廉價的往返方式。”

通過渲染“中國威脅”來爭取更多經費預算，已經是近年來五角大樓司空見慣的手段。但是站在白宮的角度來看，發展高超音速技術還有更長遠的意義——不僅僅是要保持美國軍事能力上的優勢，更重要的是要保證戰略前沿技術上的領先。國防部所撥付高超音速領域的科研經費中，除高超音速武器系統的開發外，還包括可重複使用平台、各專業關鍵技術、試驗能力、基礎科學研究等多個子領域，這些能力對於未來科技發展具有深遠作用，由此形成的技術體系可以在眾多領域帶來持續變革和顛覆性創新。

可重複使用的臨近空間高超音速  飛行器，應用前景也不僅限於國防軍事領域。這種充滿科幻色彩的飛行器兼具航空和航天優勢，未來有望在天地往返運輸、洲際點對點高速運輸、亞軌道旅遊等民用商業市場展現巨大應用價值，甚至改變傳統航空航天產業的遊戲規則，打開一片全新的藍海市場。

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孕育顛覆性技術

作為大量尖端技術的集合體，飛行試驗是臨近空間高超音速飛行器研製過程中至關重要的一個環節。

在飛行器研製過程中，基於真實環境的飛行試驗，能夠解決無法通過地面試驗進行驗證的問題。  例如地面風洞可以做到模擬大氣密度，但是沒法完全模擬温度、濕度，一些重要的分系統（如飛行控制系統等），必須通過飛行試驗才能得到充分驗證。

一架試驗性質的高超音速飛行器，相當於一座能飛上天的“實驗室”，通過搭載各類設備在真實環境下飛行，可以對高速飛行器的氣動、動力、結構、控制、熱保護等系統或關鍵部件進行充分測試，有效收集真實環境下的一手數據，節省大量試驗成本和時間。

早在上世紀五六十年代，美國人就不斷圍繞突破飛行高度、速度極限一系列課題開展了大量基礎驗證性試驗。

其中，由 NASA 牽頭，聯合美國空軍、海軍和北美航空公司進行的X-15項目先後創造了6.72馬赫速度和108,000米升限的世界紀錄，X-15的試驗飛行幾乎涉及了高超音速研究的所有領域，三架飛行器共完成199次飛行試驗，科研人員根據其飛行數據撰寫了 765份有價值的研究報告。

冷戰黑科技——X-15高速飛機

這些報告為後來“水星”、“雙子星”、“阿波羅”等載人太空飛行計劃和航天飛機的發展提供了極其珍貴的參考資料。其中超燃衝壓發動機的研究經驗為日後美國國家航天飛機計劃奠定了基礎；阿波羅載人登月飛船所用到的大量先進技術通過X-15得到率先測試；包括登月第一人阿姆斯特朗在內的幾名美國宇航員，都曾經是駕駛過X-15的試飛員。

X-15項目歷時近15年，投入總計高達3億美元經費，但卻因此換來了美國航空航天技術在全球保持數十年領先的地位  ——其影響之深遠、涉及範圍之廣闊都遠超時人預料。眾多當時的研究成果，至今仍然為現代航空航天研究所引用。

X-15項目也讓全球科技強國紛紛意識到，重要前沿飛行試驗在關鍵技術上的牽引作用，甚至可以從百年大計的角度來考量——開展基於真實環境的臨近空間高超音速飛行試驗，有利於高效驗證空氣動力學、材料學、計算機、生物醫學等跨學科技術的工程結合成果，促進航空航天技術的融合，孵育顛覆性創新成果。

先進飛行器研發是複雜的系統工程，一種方案從概念到成熟，不是靠圖紙設計出來的，而是要靠反覆試驗打磨出來的，這個過程雖然耗時燒錢，但是對科技進步的促進意義，卻遠非金錢所能衡量。關鍵型號對人才隊伍的培養、設計經驗的積累，是不可複製的重要隱形資產。

上世紀80年代—20世紀末，美、英、德等國紛紛投入巨資開展臨近空間高超音速飛行器研製，開發出了以美國NASPX-30、英國HOTOL、德國 Sanger II等為代表的高速飛行器，但最終都因技術難度太大、預算經費過高而陸續下馬。這類飛行平台的研製大多由政府或軍方主導，由財政計劃撥款，研製過程相對保密封閉，研究成果也很難應用於其它領域和民用飛行試驗。型號投入帶來的經驗傳承與科學認知，在各類客觀條件限制下，難以充分發揮綜合效益。

進入新世紀後，隨着工業製造水平的全面提升，動力技術、材料技術的不斷突破，臨近空間高超音速飛行再次成為全球研究熱點——在這個大背景下，如何提高各類企業與科研機構在科學探索與工程突破方面的統籌協作，對航空航天產業提出了更高的要求。

隨着越來越多的空天新技術湧現，對實驗的需求不斷增加，條件要求也越來越高。一個擺在眼前的商業機會是，如果能將飛行試驗成本降低到與地面風洞試驗成本大致相當，且能做到快速響應，本身就具有巨大的商業價值。以商業價值為錨點，整個航空航天業界有望形成“資源-產出-再投入”的正向循環，憑藉產業鏈條本身獲得持續發展的動力。

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商業化的飛行試驗

2004年，在美國一場旨在鼓勵私人投資航天事業、拓展太空旅遊產業的“X獎”大賽中，一艘由加利福尼亞州私營企業Scaled Composites公司研製的亞軌道、超音速、可重複使用飛行器“太空船一號”（SpaceShipOne）奪得了大賽冠軍。

Scaled Composites公司最終瞄準的是太空飛行市場，“太空船一號”則是其開發的第一款飛行試驗平台，歷經數次飛行，驗證了多項先進技術。相對於傳統高速飛行器動輒數億美元的開發成本，“太空船一號”的研發成本僅為2500萬美元，這讓歐美航天界備受啓發——通過私營企業靈活的機制，不僅可以有效降低飛行平台的開發成本，還能通過商業化方式將這項技術應用於更廣闊的市場，爭取更多社會資本的投入，帶來效率效益的最大化。

第一架由私營企業投資建造的亞軌道飛行器“太空船一號”

國內商業航天政策破冰以來，隨着社會資本進入和技術人才外溢，中國的商業航天企業也開始進入這一領域，以空天技術科研試驗需求為突破口，瞄準亞軌道飛行試驗市場，研製低成本探空火箭和飛行平台。其中包括零壹空間、凌空天行、星途探索、火箭派等代表性民營企業——和體制內科研院所相比，這類民營企業在填補市場空白的同時，也給國家隊形成能力補充。

凌空天行是一家從事臨近空間高超音速飛行器研製的民營商業航天企業。2019年4月23日，由凌空天行和廈門大學聯合研製的 “天行Ⅰ-1”火箭完成首次飛行試驗。這枚看起來就像是“裝上了翅膀”的火箭，除了圓滿完成了廈門大學航空航天學院的空氣動力學試驗和回收重複使用技術試驗任務外，還同時搭載了西安電子科技大學研製的兩部高能粒子探測器。

這些探測器可以對穿透倉壁進入飛行器內部的多種高能粒子進行統計，通過多次飛行試驗，逐漸累積臨近空間不同高度的測量數據，對未來空天飛機的電子系統可靠性設計、人身安全劑量評估提供極具價值的參考依據——此前科學家在論證未來載人“空天飛機”的過程中，曾懷疑大氣層邊緣一些殘餘宇宙射線和高能粒子可能對人體有害，但是國際上對這段空域的實測數據十分稀少，迫切需要使用先進設備進行實地測量驗證。參與此項工作的西電教師權磊説：

“就和我們去實驗室做個測試一樣平常，這是過去不敢想象的事情。”

凌空天行“天行Ⅰ-1”火箭

首次飛行的圓滿成功，也讓這家初出茅廬的民營公司在業內一戰成名。截至2021年底，凌空天行已簽下總金額達數億元的飛行試驗訂單，客户包括軍方、中科院、軍工集團科研院所、高校研究機構在內的眾多單位。對於一家成立僅三年多的初創企業來説，這個成績取得並不容易——不是依靠融資抬高聲望和體量，而是靠實打實的訂單簽出來的。

這種從飛行試驗市場切入、滾雪球發展的商業模式，一方面讓凌空天行成為少數在初創期就擁有不錯現金流的商業航天企業。  另一方面，通過高頻次試驗任務積累的技術經驗，也讓團隊能力迅速提升，逐步具備向更高、更遠目標邁進的條件。從2021年開始，這家民營企業已經開始向下紮根，投資佈局一些生產和實驗能力。而在凌空天行的遠景規劃裏，長期目標是發展洲際高速運輸與載人太空旅遊。

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一小時全球抵達

好萊塢導演們早就在科幻電影裏構想可以任意時間起飛、高超音速飛行、自由往返天地的空天飛機。實際上半個多世紀以來，由軍事領域發端，從航天界到航空界，都在圍繞這種未來飛行器展開一系列前瞻性研究。

但是，歐美強國在發展臨近空間高超音速飛行器的過程中，卻相繼走了不同的彎路。軍用方面，由於政府在研發方向和預算投入方面的搖擺不定，雷聲大雨點小，遲遲不能研製出可用於實戰部署的飛行器。

民用方面，“太空船一號”作為一個里程碑事件，激勵了維珍銀河、藍色起源、空中客車等全球航空航天企業紛紛從不同技術路線發力，瞄準太空旅遊市場，探索商業化的空天往返飛行，但是由於技術冒進等原因，研發過程中挫折不斷。

有了前人的經驗和教訓，已經積累一定技術儲備的中國航天機構，隨後推出的方案路線更加務實穩健；在國家力量加持下，追趕超越速度明顯加快。

2017年11月12日，航天科技集團旗下的中國運載火箭技術研究院發佈《2017-2045航天運輸系統發展路線圖》，按照路線圖規劃，至2025年，研製成功可重複使用的亞軌道運載器，太空旅遊成為現實。同一年的全球航天探索大會上，航天科工集團的“騰雲工程”也正式亮相，目標是在2030年之前，設計並製造完成中國首架可水平起飛、水平着陸並可以多次重複使用的空天往返飛行器。

2021年珠海航展上的“騰雲工程”空天飛機模型

與此同時，在這場全球角逐的空天競速賽裏，中國的民營商業航天企業也作為另外一支新生力量悄悄崛起，並迅速佔據一席之地。

從飛行試驗市場切入的凌空天行，通過快速迭代的技術驗證平台積累了大量實驗數據，持續突破各項關鍵技術。截至2021年底，這家成立僅三年多的民營企業，已經成功完成9次飛行試驗。

2021年珠海航展上，凌空天行公佈了自己的高超音速飛行器發展規劃——2019-2022年，通過大規模技術驗證平台飛行進行各類關鍵技術驗證；到2023年實現亞軌道太空旅遊樣機的首飛，2025年進行首次亞軌道太空旅遊飛行器載人試飛；到2028年，實現全球高超聲速飛行器首飛，2030年完成全尺寸全球高超聲速飛行器飛行。

凌空天行未來高超音速飛機概念圖

從這張時間進度表上來看，凌空天行的計劃相對維珍銀河等國外科技公司更加穩健，也比較符合飛行器開發的客觀規律和當下中國商業航天的實際情況。2021年9月，這家初創商業航天公司完成逾億元A輪融資，聯合投資方天奇創投合夥人張斌在介紹這支團隊時評價：

“這是一羣充滿想象力，但又高度務實的理想主義者。”

隨着臨近空間高超音速飛行技術的日臻成熟並投入實用，“一小時全球抵達”這一美妙想法，已經不僅僅是某一家商業公司的願景藍圖，而正在逐步成為整個中國航天科技界奮力觸達的宏偉目標。

2020年中國航天大會上，航天科技集團科技委主任包為民院士發表了《航班化航天運輸系統的發展與思考》主題演講。包為民院士指出，我國將在全面提升新一代運載火箭性能水平的基礎上，計劃分三步走，到2045年全面實現“按需發射、每年總飛行次數達千次量級、總貨運萬噸級、總客運萬人次”這一構想：

“最終實現像飛機一樣重複使用和航班化運營，全面完成一小時全球抵達和天地往返的任務目標。”

根據已經公開的資料顯示，中國目前對於臨近空間高超音速、天地往返飛行器的研究目前已初步形成梯隊化、體系化的總體發展規劃，並正朝着遠景目標穩步推進。這場瞄準臨近空間廣袤空域展開的全球競速，中國科研機構和航天企業雖然相對後發，但卻並不居於下風，甚至在某些領域已經領先半個身位。

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彌合空天裂隙

“空天飛機”顧名思義，是將航空技術與航天技術高度結合的飛行器，既能直接進入太空成為航天器，又能像民航客機一樣在飛機場跑道上自由起降。

航空和航天兩個學科原本同出一脈，卻在日後的發展進程中出現分化。空天飛行將推動航空和航天技術的深度融合，最終彌合兩個技術學科的裂隙，為人類創造一種革命性的交通方式。

“卡門線”是目前被國際航空聯合會（FAI）所接受的航空、航天之間邊界的定義。這條位於海拔100 km（330,000英尺）處的分界線，得名自錢學森的授業導師——匈牙利裔美國物理學家、航空航天工程學家西奧多·馮·卡門。

根據馮·卡門的計算，在這條奇妙的高度線附近，因大氣太過稀薄，難以產生足夠支持航空器飛行的升力，航空器只有靠提高速度才可能獲得足夠升力來支撐自身重量。當超越這個邊界，航天學開始發揮作用，達到第一宇宙速度（7.9km/s）的飛行器可以持續軌道運行，而不會被地球引力吸向地面。

這條分界線也因此讓航空和航天兩個技術學科出現裂隙。傳統的航空器開發主要集中在海拔20km以下的大氣層內空域，而航天器開發主要瞄準海拔100km以上的外太空空域，其中20—100km的過渡地帶被學界稱為臨近空間（Near Space），這片抬頭可探星辰、俯身可觀地面的神秘區域，是目前人類尚未大規模利用的空白區域。

傳統客機集工業製造大成，可以做到安全起降數萬小時，但是卻很難達到臨近空間的飛行高度，更無法突破大氣層。而傳統航天器集尖端科學技術為一體，但大多數只能一次性使用。

可在臨近空間高超音速飛行，自由穿梭大氣層的空天飛機，是全球科學家們正在努力追求的目標  ——同時具備“自由進出空間、按需返回地面、多次重複使用”等特徵的空天往返運輸系統，是未來降低航天運輸成本、拓展人類出行邊界的理想運輸工具。

這種飛行系統又可分為無人和載人兩種形態。一次性使用的無人飛行器，主要就是當前已經逐步投入實用的高超音速導彈。而可重複使用的高超音速無人飛行器則是下一個即將實現的目標——航天運輸方面，可以部分替代現有的固定式發射火箭，以更低成本向太空發射微小衞星或者往空間站運送貨物；航空運輸方面，可以部分替代現有的飛機運輸，以更高效率的方式實現洲際點對點運輸，具有巨大的商業潛力。

可以載人的空天飛機則將成為超音速客機和航天飛機的複合體，不僅可以在極短時間內將乘客送達目的地，也有望成為未來太空旅遊的主要運載工具。

技術進步往往依賴於問題的產生。從航空工業發展角度來説，飛得更快、更高的點對點運輸工具，將極大改變人類現有的洲際運輸和空天出行方式；而從航天科技發展角度來説，廉價、機動、可重複進入太空的飛行器，將顛覆現有以運載火箭進出空間為主的運輸方式，開闢以高頻次發射和大規模空間應用為特徵的新航天時代。

可以預見的是，從無人飛行到載人飛行、從單次使用到重複往返，臨近空間高超音速飛行正在逐步顛覆航空航天的邊界定義，通過科技跨域融合創造出一種全新的空天經濟業態。而這種代表未來趨勢的技術躍遷，必將在此後數十年內，深刻改變我們的產業和生活。

參考文獻：

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