空天競速:中國局部領先

劉暢

2021年初，美國拜登政府上任不久，面臨一個棘手課題：美國要不要在發(fā)展臨近空間高超音速武器上加大投入。美國雖然是最早開展高超音速技術研究的國家，但近年來由于研究目標分散和政府重視程度不夠，在該領域已被中國和俄羅斯“甩開半個身位”。

相關資料顯示，美國國防部撥付的高超音速領域科研經(jīng)費中，除高超音速武器系統(tǒng)開發(fā)外，還包括可重復使用平臺、各專業(yè)關鍵技術、試驗能力、基礎科學研究等多個子領域。這些對于未來科技發(fā)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(xù)變革和顛覆性創(chuàng)新。相對于歐美強國，中國航天機構在此領域的探索更加務實穩(wěn)健，近年來的追趕超越速度明顯加快。

飛行試驗商業(yè)化

美國國防部網(wǎng)站2021年2月27日發(fā)表《美國防部官員透露高超音速武器研發(fā)戰(zhàn)略》稱，美國國防部已將高超音速武器列為優(yōu)先級別最高的武器裝備現(xiàn)代化項目之一。該戰(zhàn)略將分四階段實施，以加快這種武器系統(tǒng)的研發(fā)和部署。

作為大量尖端技術集合體，飛行試驗是臨近空間高超音速飛行器研制過程中至關重要的環(huán)節(jié)。2004年，在美國一場旨在鼓勵私人投資航天事業(yè)、拓展太空旅游產業(yè)的“X獎”大賽中，一艘由加利福尼亞州私營企業(yè)Scaled Composites公司研制的亞軌道、超音速、可重復使用飛行器“太空船一號”奪得冠軍。

相對于傳統(tǒng)高速飛行器動輒數(shù)億美元的開發(fā)成本，“太空船一號”研發(fā)成本僅為2500萬美元，這讓歐美航天界備受啟發(fā)。通過私營企業(yè)的靈活機制，不僅可以有效降低飛行平臺開發(fā)成本，還能通過商業(yè)化方式將這項技術應用于更廣闊市場，爭取更多社會資本投入，帶來效率效益最大化。

國內商業(yè)航天政策破冰以來，中國民營商業(yè)航天企業(yè)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，研制低成本探空火箭和飛行平臺。這些企業(yè)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制的民營商業(yè)航天企業(yè)。2019年4月23日，由其和廈門大學聯(lián)合研制的“天行I-1”火箭完成首次飛行試驗。這枚看起來像是裝上了翅膀的火箭，除了圓滿完成廈門大學航空航天學院空氣動力學試驗和回收重復使用技術試驗任務外，還搭載了西安電子科技大學研制的兩部高能粒子探測器。這些探測器可以對穿透艙壁進入飛行器內部的多種高能粒子進行統(tǒng)計，通過多次飛行試驗，逐漸積累臨近空間不同高度的測量數(shù)據(jù)，對未來空天飛機電子系統(tǒng)可靠性設計、人身安全劑量評估提供極具價值的參考依據(jù)。

在飛行器研制過程中，基于真實環(huán)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，但無法完全模擬溫度、濕度。一些重要分系統(tǒng)（如氣動、動力、結構、控制、熱保護等），必須通過飛行試驗才能得到充分驗證。

從飛行試驗市場切入、滾雪球式發(fā)展的商業(yè)模式，讓部分民營商業(yè)航天企業(yè)在初創(chuàng)期擁有不錯現(xiàn)金流。通過高頻次試驗任務積累的技術經(jīng)驗，民營商業(yè)航天企業(yè)能力迅速提升，逐步具備向更高、更遠目標邁進的條件。

某些領域“領先半個身位”

好萊塢導演早在科幻電影里，構想了可以任意時間起飛、高超音速飛行、自由往返天地的空天飛機。半個多世紀以來，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。相對于歐美強國，中國航天機構在此領域的探索更加務實穩(wěn)健，近年來趕超速度明顯加快。

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(fā)布《2017—2045航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》。按照規(guī)劃，至2025年研制成功可重復使用的亞軌道運載器，讓太空旅游變?yōu)楝F(xiàn)實。同一年的全球航天探索大會上，航天科工集團“騰云工程”正式亮相，目標在2030年之前，設計制造完成中國首架可水平起飛、水平著陸并可多次重復使用的空天往返飛行器。

與此同時，這場全球角逐的空天競速賽里，中國民營商業(yè)航天企業(yè)作為另外一支新生力量悄悄崛起，并迅速占據(jù)一席之地。

隨著臨近空間高超音速飛行技術的日臻成熟并投入使用，“一小時全球抵達”這一美妙想法，已不僅是某一家商業(yè)公司的愿景藍圖，而正在逐步成為整個中國航天科技界奮斗努力的宏偉目標。

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指出，中國將計劃分三步走，到2045年全面實現(xiàn)“按需發(fā)射、每年總飛行次數(shù)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(xiàn)像飛機一樣重復使用和航班化運營，全面完成“一小時全球抵達”和天地往返的任務目標。

公開資料顯示，中國目前對于臨近空間高超音速、天地往返飛行器的研究，已初步形成梯隊化、體系化總體發(fā)展規(guī)劃，并朝著遠景目標穩(wěn)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(yè)雖相對后發(fā)，但并不居于下風，甚至在某些領域已“領先半個身位”。

彌合航空航天裂隙

“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，卻在日后發(fā)展進程中出現(xiàn)分化?？仗祜w行將推動航空和航天技術深度融合，最終彌合兩個技術學科裂隙，為人類創(chuàng)造一種革命性的交通方式。

“卡門線”是目前被國際航空聯(lián)合會（FAI）所接受的航空、航天之間邊界定義，得名自錢學森授業(yè)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(jù)馮·卡門的計算，在位于海拔100km（330000英尺）處的高度線附近，因大氣太過稀薄，難以產生足夠支持航空器飛行的升力。當超越這個邊界，航天學開始發(fā)揮作用，達到第一宇宙速度（7.9km/s）的飛行器可以持續(xù)軌道運行，而不會被地球引力吸向地面。這條分界線，讓航空和航天兩個技術學科出現(xiàn)裂隙。

傳統(tǒng)客機集工業(yè)制造大成，但飛行高度主要集中在海拔20km以下的大氣層內空域，可以做到安全起降數(shù)萬小時，但難以突破大氣層。而傳統(tǒng)航天器集尖端科學技術于一體，大多數(shù)只能一次性使用。因此，可在20km～100km臨近空間高超音速飛行。自由穿梭大氣層的空天飛機，成為全球科學家們正在努力追求的目標。該飛機具備“自由進出空間、按需返回地面、多次重復使用”等特征的空天往返運輸系統(tǒng)，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。

同時，這種飛行系統(tǒng)可分為無人和載人兩種形態(tài)。航天運輸方面，可以部分替代現(xiàn)有固定式發(fā)射火箭，以更低成本向太空發(fā)射微小衛(wèi)星或前往空間站運送貨物，還可部分替代現(xiàn)有飛機運輸，以更高效率實現(xiàn)洲際點對點運輸，具有巨大商業(yè)潛力。未來，可以載人的空天飛機將成為超音速客機和航天飛機的復合體，不僅可在極短時間內將乘客送達目的地，也有望成為未來太空旅游的主要運載工具。

可以預見，從無人飛行到載人飛行、從單次使用到重復往返，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(chuàng)造出一種全新的空天經(jīng)濟業(yè)態(tài)。而這種代表未來趨勢的技術躍遷，必將在此后數(shù)十年內，深刻改變我們的產業(yè)和生活。

（作者系鈦禾智庫研究員）

（責編 王茜 美編 趙佳）