一小时全球抵达：中国科技的空天竞速

商业化的临近空间高超音速飞行。

作者 | 刘爱国

研究助理 | 任友善

数据支持 | 钛禾产业研究院

变革者

No.29

2021年初，拜登政府刚刚上任不久，就面临一个棘手的课题：美国要不要在发展临近空间高超音速武器上加大投入，以应对中俄两个主要竞争对手在此方面形成的优势。

以多位军方高级官员为代表的支持派和以一批科学家为代表的反对派形成了观点对峙，双方围绕此事展开了激烈争论，最终支持派的意见占据了上风。美国当地时间5月28日，拜登向国会提交了2022财年（2021年10月1日至2022年9月30日）联邦全面预算方案，其中为高超音速武器项目申请预算高达38亿美元。五角大楼高超音速武器项目主管迈克·怀特对媒体兴奋表示：

“2022年预算是美国高超音速武器的里程碑，但是美国尚需加快脚步，赶上中俄的步伐。”

美国虽然是最早开展高超音速技术研究的国家，但近年来由于研究目标分散和政府重视程度不够，在该领域已经被中国和俄罗斯甩开半个身位。  为了争取更多研究经费，政客和媒体经常表演双簧，通过不断炒作中俄在此方面形成的潜在军事威胁，以此来向白宫施压。

2021年9月，在美国空军部长肯德尔暗示中国正在发展类似于“部分轨道轰炸系统（FOBS）”的太空武器之后，英国《金融时报》立刻发布了一篇“独家报道”，宣称中国在8月试射了一枚可携带核弹头的高超音速武器，不但具备环绕地球飞行的能力，还可以在重返大气层后，凭借极高速度突破反导系统拦截，攻击地面目标。10月18日，外交部发言人赵立坚针对此事回应表示：

“此次试验是一次例行的航天器试验，用于验证航天器可重复使用技术，对于降低航天器使用成本具有重要意义，可为人类和平利用太空提供便捷廉价的往返方式。”

通过渲染“中国威胁”来争取更多经费预算，已经是近年来五角大楼司空见惯的手段。但是站在白宫的角度来看，发展高超音速技术还有更长远的意义——不仅仅是要保持美国军事能力上的优势，更重要的是要保证战略前沿技术上的领先。国防部所拨付高超音速领域的科研经费中，除高超音速武器系统的开发外，还包括可重复使用平台、各专业关键技术、试验能力、基础科学研究等多个子领域，这些能力对于未来科技发展具有深远作用，由此形成的技术体系可以在众多领域带来持续变革和颠覆性创新。

可重复使用的临近空间高超音速  飞行器，应用前景也不仅限于国防军事领域。这种充满科幻色彩的飞行器兼具航空和航天优势，未来有望在天地往返运输、洲际点对点高速运输、亚轨道旅游等民用商业市场展现巨大应用价值，甚至改变传统航空航天产业的游戏规则，打开一片全新的蓝海市场。

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孕育颠覆性技术

作为大量尖端技术的集合体，飞行试验是临近空间高超音速飞行器研制过程中至关重要的一个环节。

在飞行器研制过程中，基于真实环境的飞行试验，能够解决无法通过地面试验进行验证的问题。  例如地面风洞可以做到模拟大气密度，但是没法完全模拟温度、湿度，一些重要的分系统（如飞行控制系统等），必须通过飞行试验才能得到充分验证。

一架试验性质的高超音速飞行器，相当于一座能飞上天的“实验室”，通过搭载各类设备在真实环境下飞行，可以对高速飞行器的气动、动力、结构、控制、热保护等系统或关键部件进行充分测试，有效收集真实环境下的一手数据，节省大量试验成本和时间。

早在上世纪五六十年代，美国人就不断围绕突破飞行高度、速度极限一系列课题开展了大量基础验证性试验。

其中，由 NASA 牵头，联合美国空军、海军和北美航空公司进行的X-15项目先后创造了6.72马赫速度和108,000米升限的世界纪录，X-15的试验飞行几乎涉及了高超音速研究的所有领域，三架飞行器共完成199次飞行试验，科研人员根据其飞行数据撰写了 765份有价值的研究报告。

冷战黑科技——X-15高速飞机

这些报告为后来“水星”、“双子星”、“阿波罗”等载人太空飞行计划和航天飞机的发展提供了极其珍贵的参考资料。其中超燃冲压发动机的研究经验为日后美国国家航天飞机计划奠定了基础；阿波罗载人登月飞船所用到的大量先进技术通过X-15得到率先测试；包括登月第一人阿姆斯特朗在内的几名美国宇航员，都曾经是驾驶过X-15的试飞员。

X-15项目历时近15年，投入总计高达3亿美元经费，但却因此换来了美国航空航天技术在全球保持数十年领先的地位  ——其影响之深远、涉及范围之广阔都远超时人预料。众多当时的研究成果，至今仍然为现代航空航天研究所引用。

X-15项目也让全球科技强国纷纷意识到，重要前沿飞行试验在关键技术上的牵引作用，甚至可以从百年大计的角度来考量——开展基于真实环境的临近空间高超音速飞行试验，有利于高效验证空气动力学、材料学、计算机、生物医学等跨学科技术的工程结合成果，促进航空航天技术的融合，孵育颠覆性创新成果。

先进飞行器研发是复杂的系统工程，一种方案从概念到成熟，不是靠图纸设计出来的，而是要靠反复试验打磨出来的，这个过程虽然耗时烧钱，但是对科技进步的促进意义，却远非金钱所能衡量。关键型号对人才队伍的培养、设计经验的积累，是不可复制的重要隐形资产。

上世纪80年代—20世纪末，美、英、德等国纷纷投入巨资开展临近空间高超音速飞行器研制，开发出了以美国NASPX-30、英国HOTOL、德国 Sanger II等为代表的高速飞行器，但最终都因技术难度太大、预算经费过高而陆续下马。这类飞行平台的研制大多由政府或军方主导，由财政计划拨款，研制过程相对保密封闭，研究成果也很难应用于其它领域和民用飞行试验。型号投入带来的经验传承与科学认知，在各类客观条件限制下，难以充分发挥综合效益。

进入新世纪后，随着工业制造水平的全面提升，动力技术、材料技术的不断突破，临近空间高超音速飞行再次成为全球研究热点——在这个大背景下，如何提高各类企业与科研机构在科学探索与工程突破方面的统筹协作，对航空航天产业提出了更高的要求。

随着越来越多的空天新技术涌现，对实验的需求不断增加，条件要求也越来越高。一个摆在眼前的商业机会是，如果能将飞行试验成本降低到与地面风洞试验成本大致相当，且能做到快速响应，本身就具有巨大的商业价值。以商业价值为锚点，整个航空航天业界有望形成“资源-产出-再投入”的正向循环，凭借产业链条本身获得持续发展的动力。

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商业化的飞行试验

2004年，在美国一场旨在鼓励私人投资航天事业、拓展太空旅游产业的“X奖”大赛中，一艘由加利福尼亚州私营企业Scaled Composites公司研制的亚轨道、超音速、可重复使用飞行器“太空船一号”（SpaceShipOne）夺得了大赛冠军。

Scaled Composites公司最终瞄准的是太空飞行市场，“太空船一号”则是其开发的第一款飞行试验平台，历经数次飞行，验证了多项先进技术。相对于传统高速飞行器动辄数亿美元的开发成本，“太空船一号”的研发成本仅为2500万美元，这让欧美航天界备受启发——通过私营企业灵活的机制，不仅可以有效降低飞行平台的开发成本，还能通过商业化方式将这项技术应用于更广阔的市场，争取更多社会资本的投入，带来效率效益的最大化。

第一架由私营企业投资建造的亚轨道飞行器“太空船一号”

国内商业航天政策破冰以来，随着社会资本进入和技术人才外溢，中国的商业航天企业也开始进入这一领域，以空天技术科研试验需求为突破口，瞄准亚轨道飞行试验市场，研制低成本探空火箭和飞行平台。其中包括零壹空间、凌空天行、星途探索、火箭派等代表性民营企业——和体制内科研院所相比，这类民营企业在填补市场空白的同时，也给国家队形成能力补充。

凌空天行是一家从事临近空间高超音速飞行器研制的民营商业航天企业。2019年4月23日，由凌空天行和厦门大学联合研制的 “天行Ⅰ-1”火箭完成首次飞行试验。这枚看起来就像是“装上了翅膀”的火箭，除了圆满完成了厦门大学航空航天学院的空气动力学试验和回收重复使用技术试验任务外，还同时搭载了西安电子科技大学研制的两部高能粒子探测器。

这些探测器可以对穿透仓壁进入飞行器内部的多种高能粒子进行统计，通过多次飞行试验，逐渐累积临近空间不同高度的测量数据，对未来空天飞机的电子系统可靠性设计、人身安全剂量评估提供极具价值的参考依据——此前科学家在论证未来载人“空天飞机”的过程中，曾怀疑大气层边缘一些残余宇宙射线和高能粒子可能对人体有害，但是国际上对这段空域的实测数据十分稀少，迫切需要使用先进设备进行实地测量验证。参与此项工作的西电教师权磊说：

“就和我们去实验室做个测试一样平常，这是过去不敢想象的事情。”

凌空天行“天行Ⅰ-1”火箭

首次飞行的圆满成功，也让这家初出茅庐的民营公司在业内一战成名。截至2021年底，凌空天行已签下总金额达数亿元的飞行试验订单，客户包括军方、中科院、军工集团科研院所、高校研究机构在内的众多单位。对于一家成立仅三年多的初创企业来说，这个成绩取得并不容易——不是依靠融资抬高声望和体量，而是靠实打实的订单签出来的。

这种从飞行试验市场切入、滚雪球发展的商业模式，一方面让凌空天行成为少数在初创期就拥有不错现金流的商业航天企业。  另一方面，通过高频次试验任务积累的技术经验，也让团队能力迅速提升，逐步具备向更高、更远目标迈进的条件。从2021年开始，这家民营企业已经开始向下扎根，投资布局一些生产和实验能力。而在凌空天行的远景规划里，长期目标是发展洲际高速运输与载人太空旅游。

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一小时全球抵达

好莱坞导演们早就在科幻电影里构想可以任意时间起飞、高超音速飞行、自由往返天地的空天飞机。实际上半个多世纪以来，由军事领域发端，从航天界到航空界，都在围绕这种未来飞行器展开一系列前瞻性研究。

但是，欧美强国在发展临近空间高超音速飞行器的过程中，却相继走了不同的弯路。军用方面，由于政府在研发方向和预算投入方面的摇摆不定，雷声大雨点小，迟迟不能研制出可用于实战部署的飞行器。

民用方面，“太空船一号”作为一个里程碑事件，激励了维珍银河、蓝色起源、空中客车等全球航空航天企业纷纷从不同技术路线发力，瞄准太空旅游市场，探索商业化的空天往返飞行，但是由于技术冒进等原因，研发过程中挫折不断。

有了前人的经验和教训，已经积累一定技术储备的中国航天机构，随后推出的方案路线更加务实稳健；在国家力量加持下，追赶超越速度明显加快。

2017年11月12日，航天科技集团旗下的中国运载火箭技术研究院发布《2017-2045航天运输系统发展路线图》，按照路线图规划，至2025年，研制成功可重复使用的亚轨道运载器，太空旅游成为现实。同一年的全球航天探索大会上，航天科工集团的“腾云工程”也正式亮相，目标是在2030年之前，设计并制造完成中国首架可水平起飞、水平着陆并可以多次重复使用的空天往返飞行器。

2021年珠海航展上的“腾云工程”空天飞机模型

与此同时，在这场全球角逐的空天竞速赛里，中国的民营商业航天企业也作为另外一支新生力量悄悄崛起，并迅速占据一席之地。

从飞行试验市场切入的凌空天行，通过快速迭代的技术验证平台积累了大量实验数据，持续突破各项关键技术。截至2021年底，这家成立仅三年多的民营企业，已经成功完成9次飞行试验。

2021年珠海航展上，凌空天行公布了自己的高超音速飞行器发展规划——2019-2022年，通过大规模技术验证平台飞行进行各类关键技术验证；到2023年实现亚轨道太空旅游样机的首飞，2025年进行首次亚轨道太空旅游飞行器载人试飞；到2028年，实现全球高超声速飞行器首飞，2030年完成全尺寸全球高超声速飞行器飞行。

凌空天行未来高超音速飞机概念图

从这张时间进度表上来看，凌空天行的计划相对维珍银河等国外科技公司更加稳健，也比较符合飞行器开发的客观规律和当下中国商业航天的实际情况。2021年9月，这家初创商业航天公司完成逾亿元A轮融资，联合投资方天奇创投合伙人张斌在介绍这支团队时评价：

“这是一群充满想象力，但又高度务实的理想主义者。”

随着临近空间高超音速飞行技术的日臻成熟并投入实用，“一小时全球抵达”这一美妙想法，已经不仅仅是某一家商业公司的愿景蓝图，而正在逐步成为整个中国航天科技界奋力触达的宏伟目标。

2020年中国航天大会上，航天科技集团科技委主任包为民院士发表了《航班化航天运输系统的发展与思考》主题演讲。包为民院士指出，我国将在全面提升新一代运载火箭性能水平的基础上，计划分三步走，到2045年全面实现“按需发射、每年总飞行次数达千次量级、总货运万吨级、总客运万人次”这一构想：

“最终实现像飞机一样重复使用和航班化运营，全面完成一小时全球抵达和天地往返的任务目标。”

根据已经公开的资料显示，中国目前对于临近空间高超音速、天地往返飞行器的研究目前已初步形成梯队化、体系化的总体发展规划，并正朝着远景目标稳步推进。这场瞄准临近空间广袤空域展开的全球竞速，中国科研机构和航天企业虽然相对后发，但却并不居于下风，甚至在某些领域已经领先半个身位。

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弥合空天裂隙

“空天飞机”顾名思义，是将航空技术与航天技术高度结合的飞行器，既能直接进入太空成为航天器，又能像民航客机一样在飞机场跑道上自由起降。

航空和航天两个学科原本同出一脉，却在日后的发展进程中出现分化。空天飞行将推动航空和航天技术的深度融合，最终弥合两个技术学科的裂隙，为人类创造一种革命性的交通方式。

“卡门线”是目前被国际航空联合会（FAI）所接受的航空、航天之间边界的定义。这条位于海拔100 km（330,000英尺）处的分界线，得名自钱学森的授业导师——匈牙利裔美国物理学家、航空航天工程学家西奥多·冯·卡门。

根据冯·卡门的计算，在这条奇妙的高度线附近，因大气太过稀薄，难以产生足够支持航空器飞行的升力，航空器只有靠提高速度才可能获得足够升力来支撑自身重量。当超越这个边界，航天学开始发挥作用，达到第一宇宙速度（7.9km/s）的飞行器可以持续轨道运行，而不会被地球引力吸向地面。

这条分界线也因此让航空和航天两个技术学科出现裂隙。传统的航空器开发主要集中在海拔20km以下的大气层内空域，而航天器开发主要瞄准海拔100km以上的外太空空域，其中20—100km的过渡地带被学界称为临近空间（Near Space），这片抬头可探星辰、俯身可观地面的神秘区域，是目前人类尚未大规模利用的空白区域。

传统客机集工业制造大成，可以做到安全起降数万小时，但是却很难达到临近空间的飞行高度，更无法突破大气层。而传统航天器集尖端科学技术为一体，但大多数只能一次性使用。

可在临近空间高超音速飞行，自由穿梭大气层的空天飞机，是全球科学家们正在努力追求的目标  ——同时具备“自由进出空间、按需返回地面、多次重复使用”等特征的空天往返运输系统，是未来降低航天运输成本、拓展人类出行边界的理想运输工具。

这种飞行系统又可分为无人和载人两种形态。一次性使用的无人飞行器，主要就是当前已经逐步投入实用的高超音速导弹。而可重复使用的高超音速无人飞行器则是下一个即将实现的目标——航天运输方面，可以部分替代现有的固定式发射火箭，以更低成本向太空发射微小卫星或者往空间站运送货物；航空运输方面，可以部分替代现有的飞机运输，以更高效率的方式实现洲际点对点运输，具有巨大的商业潜力。

可以载人的空天飞机则将成为超音速客机和航天飞机的复合体，不仅可以在极短时间内将乘客送达目的地，也有望成为未来太空旅游的主要运载工具。

技术进步往往依赖于问题的产生。从航空工业发展角度来说，飞得更快、更高的点对点运输工具，将极大改变人类现有的洲际运输和空天出行方式；而从航天科技发展角度来说，廉价、机动、可重复进入太空的飞行器，将颠覆现有以运载火箭进出空间为主的运输方式，开辟以高频次发射和大规模空间应用为特征的新航天时代。

可以预见的是，从无人飞行到载人飞行、从单次使用到重复往返，临近空间高超音速飞行正在逐步颠覆航空航天的边界定义，通过科技跨域融合创造出一种全新的空天经济业态。而这种代表未来趋势的技术跃迁，必将在此后数十年内，深刻改变我们的产业和生活。

参考文献：

[1] 军事科学院军事科学信息研究中心，美国防部官员概述高超音速发展战略，2021

[2] 苑桂萍\胡冬冬，近二十年来美军高超音速领域科研投入分析，2019

[3] 李茜\王巍巍，美国高超音速飞机动力技术储备可支撑飞行器先期研究，2021

[4] 赵宏宇\黄德刚\章卫国 临近空间高动态飞行器控制技术研究综述，2018

[5] 乐龙豪\李平岐\秦旭东\牟宇，我国航天运输系统60年发展回顾，2018

[6] 新华社，中国航天运输系统2017~2045发展路线图公布，2017

[7] Jenkins,Dennis R.．Space Shuttle: The History of the NationalSpace Transportation System: The First 100 Missions (3rd ed.)．Stillwater, Minnesota：Voyageur Press，2001

[8] Tregaskis,Richard．X-15 Diary: The Story of America's First SpaceShip．Lincoln, Nebraska：iUniverse，2000

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