“祥瑞”來了，中國再次邁入她忠誠的星辰大海_風聞

今天早上，一則消息吸引了我的注意力：“我國在酒泉衞星發射中心成功發射的可重複使用試驗航天器，在軌飛行276天后，於5月8日成功返回預定着陸場。”

這則消息讓我想起了2020年的一則舊聞，當時中國科學院院士、航天科技集團科技委主任包為民在接受央視採訪的時候説：到2045年······（中國航天發射）能夠按需發射，我們每年發射的次數，從現在的幾十次，達到成百上千次，運貨總的運載能力可以達到萬噸級，運客可以達到萬人次。

這一則採訪背後是我國超越空叉（SpaceX）乃至反超整個美國航天事業，將人類文明帶到新的宇宙高度的雄心。

而這一切一切，都要落在今天回到地面上的小航天器和它背後的巨大計劃上。

這次降落的可複用飛行器，英文縮寫是CSSHQ，是我國在2022年8月發射的。這也是我國這類可複用航天器的第二次發射。

而它的第一次發射是在2020年 9 月 6 日，發射兩天後它降落到了中國原子彈第一次爆炸的地方——新疆馬蘭基地。

9月7日美國商業衞星偵察公司Planet Labs發佈了衞星照片，由此世人得以對我國第一架可複用航天器驚鴻一瞥。

根據飛羽社對於相關公開資料的總結和估算，CSSHQ的外形與美國的X-37B類似，尺寸明顯大於美國的X-37B。

有人可能會説，這個有什麼了不起，美國人航天飛機都退役了，X-37B都在天上好幾年了。CSSHQ這個普普通通的航天飛機縮小版憑什麼超越航天飛機，超越星艦成為未來人類航天的希望呢？

確實，在飛行中只驗證了幾次大速度增量點火變軌、釋放小衞星、太空編隊飛行等技術的CSSHQ距離X-37B還有一點距離。

但是我們的可複用航天器背後的計劃——騰雲工程，走的是一條美國需要用他們的上限追趕我們下限的路線——空天飛機。

01

長期以來，全世界科學家都在希望實現低成本進入太空。

而實現這個目標的方式一般有三條：第一條是馬斯克率先實現的火箭一級乃至二級的可複用；第二條是製造完成空天飛機，讓航天器像飛機一樣在跑道上起飛進入太空然後降落；第三條路是太空電梯。

在冷戰期間，蘇聯和美國都推進了相關方案的試飛，各自也都發展出了各種驗證機和航天飛機。

但是航天飛機並不是空天飛機。

由於無法實現大氣層內高超音速飛行，所以航天飛機不得不使用火箭把它推上太空而不是直接飛上太空。而返回的時候航天飛機還不能在大氣層內進行大過載機動。事實證明，航天飛機不僅很難實現航班化航天夢想，其成本甚至遠高於普通火箭發射。

根據美國在2008年的評估，如果將所有設計和維護成本都考慮在內，航天飛機計劃的最終成本每次發射 15 億美元，或每公斤 60,000 美元。這可是2008年的美元啊，比現在值錢多了。

所以美國人放棄了航天飛機。

同時在2010年代的前五年，美國人由於始終無法攻克高超音速飛行器的耐熱等問題，凍結了相關技術的發展。

但這個時候，我們並沒有放棄高超音速和空天飛機。

最近這十多年，我們天空常常出現“祥瑞”。

其中的一部分就是我們高超音速飛行器進行實驗的航跡。

正是在這一道道“祥瑞”中，我們實現了對美國在高超音速領域實力的反超。

就這樣，隨着我國乘波體高超音速武器逐漸實用化，2016年，著名的“五朵雲”正式啓動。而“騰雲工程”作為其中平平無奇的一員，可能正在改變人類歷史。

2019年10月21日是騰雲工程發展史上里程碑的一天，中國航天空氣動力技術研究院在其微信公眾號上表示，該所圓滿完成未來兩級入軌空天飛行器的技術探索實驗：兩級入軌空天飛行器風洞自由分離試驗。

自此騰雲工程的野心世人皆知：我們中國人要製造世界上第一架真正的空天飛機，把航天飛行價格打下去！讓航天飛行、高超音速洲際飛行像普通民航一樣簡單便宜！

02

騰雲工程是一個人類歷史上前所未有的技術嘗試，它的整個空天飛機分為兩級。預計起飛重量在180噸。其中第一級140噸，第二級也就是我們可複用航天器重量為40噸左右。

它的起降方式將像人們夢想的那樣，從機場起飛到機場降落，不需要專門的火箭發射台，甚至不需要特別的廠房。

有人也許就要説了，運輸機都能射彈道導彈，戰鬥就都能帶着改造導彈打衞星，造一個飛機平台發射一個航天飛機有什麼難的？波音747都帶着航天飛機飛了無數次了，維珍航空的飛機都能帶着太空飛船發射了，不是顛覆性技術。

這就是整個騰雲項目最玄妙的地方了。我們不僅要發射一個可回收的航天器上天，同時為了降低發射成本和提高發射載荷，我們還要讓它在3萬多米的高空以七倍音速（2000米每秒級）的速度發射出去。然後第一級飛回機場。經過簡單的，類似民航飛機起飛前的檢查後，重新加註燃料，12小時後再搭載一個新的航天器發射出去。

這是不是聽着很玄幻？

要實現這種級別的飛行，首先需要的是一種大多數人從未聽説過的，我國已經領先美國的發動機技術：組合動力技術。

組合動力技術，顧名思義，就是把幾種不同的發動機組合到一台發動機上。

採用這種發動機設計的原因很簡單，任何一種發動機工作都有它對應的工作速度範圍，沒有一種量產發動機能夠實現從0到7倍音速的速度全覆蓋。

所以騰雲工程採用了一種叫渦輪-火箭-衝壓組合循環發動機（TRRE發動機）的技術路線。

在起飛的時候，空天飛機將會使用發動機的渦輪通道，從0向3倍音速衝刺。但渦輪發動機有個問題，將飛機推到2.5之後，發動機就將無法進一步加速。

這是因為空氣進氣速度太快了，超過了壓氣機的處理能力。就像小風可以助長火勢，大風會導致火的温度被帶走一樣，高速下渦輪發動機效率會進一步下降最終停車。

所以在進入2.5-3馬赫的高速後，發動機必須逐步切換到衝壓模式，利用高速迎面氣流進入發動機後減速使空氣增壓升温，然後加入燃料燃燒產生推力。

這時候為了進一步加快提速能力，發動機內部的引射火箭就將開始工作，幫助飛機加速到3馬赫以上，並且過渡到5馬赫，達到高超音速水平。

通過不斷地加速，即使是衝壓發動機也將迎來一個質變點。那就是發動機的進氣速度會從亞音速轉化到超音速狀態。這就到了愛好者們經常説的“超音速下點火柴”的時候了。

在這個過程中發動機通過模態轉換，完成從亞燃衝壓發動機向超燃衝壓發動機的轉變，然後再關閉整個引射火箭。

這個過程，發動機會變得不穩定，整個發動機的燃燒室裏面無論是流動的空氣還是燃燒的空氣，都會以超音速的速度流動着，控制不好，整個發動機就毀了或者停車了。這也是這個過程最難的一關。

三種截然不同的發動機要集成在一起，好難啊！

如果成功了，最終空天飛機將在35000米左右高空以7馬赫的速度實現一二級分離。二級也就是我們現在看到的可回收航天器的完整版，將使用火箭發動機飛向太空。自由翱翔直到任務結束，飛回機場。而一級將直接返回機場，進入檢修和重新發射程序。

在一個小小的一級平台上，這麼多的模態轉換，難度之高我們隨便想一想都能知道。那麼有沒有什麼公開證據能證明我們已經取得了一定成績呢？

有！而且還有更加高級的組合發動機實驗。

早在2017年和2018年9月，騰雲工程就分步實現了從渦輪模態向引射火箭模態切換和引射火箭向壓燃衝壓模態切換的。

而到了在2020年9月22日“西安航天動力研究所”公眾號就發表文章宣佈該所研製的組合動力發動機首飛成功。該項目總師張蒙正還賦詩一首：

“賀首飛”

東方欲明賀蘭橫，無邊戈壁起東風。

一道彩虹拔地起，組合動力長空鳴。

啓動順利流道暢，點火迅速室壓高。

模轉巧調增益大，伸縮自由結構強。

他真的，我哭死，他把能説的都説了。

到了2022年的7月5日，由西北工業大學、北京動力機械研究所、陝西空天動力研究院聯合研製的驗證飛行器“飛天一號”同樣首飛成功。

這次實驗也是人類歷史上的首次全流程組合動力實驗。它“首次驗證了煤油燃料火箭衝壓組合循環發動機火箭/亞燃、亞燃、超燃、火箭/超燃的多模態平穩過渡和寬域綜合能力，突破了熱力喉道調節、超寬包線高效燃燒組織等關鍵技術”。

這意味着我國在組合動力，尤其是在最難的衝壓發動機模態調整方面取得了決定性實驗突破。

我們的科研人們，在騰雲工程最難的高超音速組合循環發動機部分上為我們打開了一道缺口。現在美國人已經被甩得看不到我們的車尾燈了！

03

可能我們中很多人還是不信，未來騰雲工程最終可能會顛覆整個航天市場。

畢竟馬斯克的可複用火箭發射價格已經低到2800美元每公斤這一人類史無前例的低價。騰雲難不成能比這個還低嗎？

我相信它能做到。畢竟它的一級甚至不需要帶低温氧化劑。

書歸正傳，騰雲工程本質上是一個高超音速飛行器與一架航天飛機的組合。

由於騰雲工程的一級高超音速飛行器在起飛和降落的全過程都不會脱離大氣層，它甚至只需要帶滿足引射火箭工作所需要的少量氧化劑就可以實現從地面0速度到3萬米7倍音速的發射過程。這可以省下了各種複雜機械管線和保養維護的需求。

而且由於發射過程經過優化，整個發射加速度都將在3g以內。很多原件價格可以大幅度降低，而且易於批量採購。

作為航班化航天發射的一部分，騰雲工程未來更是會受益於每年成千上萬次的發射規模和幾十上百次的重複使用，成本大幅下降。畢竟即使是馬斯克的發射價格如此之低，到現在為止也沒有一發火箭重複使用超過20次。

在2020年的中國航天大會上，包為民院士介紹了他的野心。2035年，我國將初步建成航班化航天。屆時，航天器每公斤發射成本將降低50%以上，飛行器可重複使用次數將達到50-100次，一週內可以實現同一航天器重複發射。

到2045年，航天器可重複使用次數將達到100次以上，單位發射成本可能達到幾百乃至幾十美元每公斤，一天理論上可以發射兩次，貨運能力達到每年萬噸級。

這就是我們未來打算建設的航班化商業航天運輸系統！也是人類有史以來最雄心勃勃的航班化航天運輸系統。

沒有它人類就不可能建設太空電梯，因為太空電梯重量不會低於10萬噸，用火箭運輸建設太空電梯幾乎不可能。

當然這樣的好東西，其軍用價值同樣是不可估量的。

騰雲工程的空天飛行器一級本身就是一個巨大的一級助推器。

以米格31搭載匕首高超聲速導彈為例。匕首導彈很多人將其視為空射型伊斯坎德爾。但是相比於陸基型伊斯坎德爾公開的500km射程，空射的匕首在米格31的高空高速性能的幫助下可以飛行超過1000km。

同樣的，搭載在轟6N下腹的某陸基中程高超音速導彈的射程也被認為可能會增加上千公里。

這意味着，如果是一架高超音速飛機在本土投放中遠程導彈，它甚至能打到地球的另一面，實現洲際打擊的效果。像騰雲這種高超音速平台，一架少説也可以帶兩枚中遠程導彈。

它只需要在本土起飛，就可以實現對超遠距離目標的打擊，完全不用擔心被對面的防空武器打擊。

如果是一隊騰雲排隊發射中遠程導彈的話，那畫面太美我都不敢想。

尾聲

還有7年，我們就能看到兩級入軌空天飛行器技術驗證試飛了。

這七年可能會發生很多事，可能會是一個國際秩序的終結和新的國際秩序的開始，也有可能是舊的國際秩序繼續縫縫補補地過下去。

但是不管怎麼樣，科技發展的腳步並沒有停歇。

這一次我們的科技站在了潮頭，而不是看着他人進行太空競賽的旁觀者。

受益於我們在高超音速領域的領先，我們的後人將慶幸於科技掌握在文明手中，我們可能領先於美國率先打開人類真正的低成本航天之門。

我相信我們能把握住機會，讓全人類走入深空，讓人類真正進入太空時代。

參考資料：

飛羽社，“25馬赫再入：中國可複用飛行器發射背後****有着怎樣的故事？”；

“中國空天飛機發展計劃——“騰雲工程”到底是什麼？”；

“全球首次，西工大飛天一號全流程模態轉換成功！“