空天競速:中國局部領(lǐng)先

劉暢

2021年初，美國拜登政府上任不久，面臨一個(gè)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(shù)研究的國家，但近年來由于研究目標(biāo)分散和政府重視程度不夠，在該領(lǐng)域已被中國和俄羅斯“甩開半個(gè)身位”。

相關(guān)資料顯示，美國國防部撥付的高超音速領(lǐng)域科研經(jīng)費(fèi)中，除高超音速武器系統(tǒng)開發(fā)外，還包括可重復(fù)使用平臺(tái)、各專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、試驗(yàn)?zāi)芰?、基礎(chǔ)科學(xué)研究等多個(gè)子領(lǐng)域。這些對(duì)于未來科技發(fā)展具有深遠(yuǎn)作用，由此形成的技術(shù)體系可以在眾多領(lǐng)域帶來持續(xù)變革和顛覆性創(chuàng)新。相對(duì)于歐美強(qiáng)國，中國航天機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域的探索更加務(wù)實(shí)穩(wěn)健，近年來的追趕超越速度明顯加快。

飛行試驗(yàn)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(jí)別最高的武器裝備現(xiàn)代化項(xiàng)目之一。該戰(zhàn)略將分四階段實(shí)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(shù)集合體，飛行試驗(yàn)是臨近空間高超音速飛行器研制過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。2004年，在美國一場旨在鼓勵(lì)私人投資航天事業(yè)、拓展太空旅游產(chǎn)業(yè)的“X獎(jiǎng)”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(fù)使用飛行器“太空船一號(hào)”奪得冠軍。

相對(duì)于傳統(tǒng)高速飛行器動(dòng)輒數(shù)億美元的開發(fā)成本，“太空船一號(hào)”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(jī)制，不僅可以有效降低飛行平臺(tái)開發(fā)成本，還能通過商業(yè)化方式將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于更廣闊市場，爭取更多社會(huì)資本投入，帶來效率效益最大化。

國內(nèi)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(jìn)入這一領(lǐng)域，以空天技術(shù)科研試驗(yàn)需求為突破口，瞄準(zhǔn)亞軌道飛行試驗(yàn)市場，研制低成本探空火箭和飛行平臺(tái)。這些企業(yè)在填補(bǔ)市場空白的同時(shí)，也給“國家隊(duì)”形成能力補(bǔ)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(xué)聯(lián)合研制的“天行I-1”火箭完成首次飛行試驗(yàn)。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(xué)航空航天學(xué)院空氣動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)和回收重復(fù)使用技術(shù)試驗(yàn)任務(wù)外，還搭載了西安電子科技大學(xué)研制的兩部高能粒子探測器。這些探測器可以對(duì)穿透艙壁進(jìn)入飛行器內(nèi)部的多種高能粒子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過多次飛行試驗(yàn)，逐漸積累臨近空間不同高度的測量數(shù)據(jù)，對(duì)未來空天飛機(jī)電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、人身安全劑量評(píng)估提供極具價(jià)值的參考依據(jù)。

在飛行器研制過程中，基于真實(shí)環(huán)境的飛行試驗(yàn)，能夠解決無法通過地面試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證的問題。例如，地面風(fēng)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(dòng)、動(dòng)力、結(jié)構(gòu)、控制、熱保護(hù)等），必須通過飛行試驗(yàn)才能得到充分驗(yàn)證。

從飛行試驗(yàn)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(cuò)現(xiàn)金流。通過高頻次試驗(yàn)任務(wù)積累的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，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(yuǎn)目標(biāo)邁進(jìn)的條件。

某些領(lǐng)域“領(lǐng)先半個(gè)身位”

好萊塢導(dǎo)演早在科幻電影里，構(gòu)想了可以任意時(shí)間起飛、高超音速飛行、自由往返天地的空天飛機(jī)。半個(gè)多世紀(jì)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(duì)于歐美強(qiáng)國，中國航天機(jī)構(gòu)在此領(lǐng)域的探索更加務(wù)實(shí)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(tuán)旗下的中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院發(fā)布《2017—2045航天運(yùn)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(fù)使用的亞軌道運(yùn)載器，讓太空旅游變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。同一年的全球航天探索大會(huì)上，航天科工集團(tuán)“騰云工程”正式亮相，目標(biāo)在2030年之前，設(shè)計(jì)制造完成中國首架可水平起飛、水平著陸并可多次重復(fù)使用的空天往返飛行器。

與此同時(shí)，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(shù)的日臻成熟并投入使用，“一小時(shí)全球抵達(dá)”這一美妙想法，已不僅是某一家商業(yè)公司的愿景藍(lán)圖，而正在逐步成為整個(gè)中國航天科技界奮斗努力的宏偉目標(biāo)。

2020年中國航天大會(huì)上，航天科技集團(tuán)科技委主任包為民院士指出，中國將計(jì)劃分三步走，到2045年全面實(shí)現(xiàn)“按需發(fā)射、每年總飛行次數(shù)達(dá)千次量級(jí)、總貨運(yùn)萬噸級(jí)、總客運(yùn)萬人次”這一構(gòu)想，最終實(shí)現(xiàn)像飛機(jī)一樣重復(fù)使用和航班化運(yùn)營，全面完成“一小時(shí)全球抵達(dá)”和天地往返的任務(wù)目標(biāo)。

公開資料顯示，中國目前對(duì)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(duì)化、體系化總體發(fā)展規(guī)劃，并朝著遠(yuǎn)景目標(biāo)穩(wěn)步推進(jìn)。這場瞄準(zhǔn)臨近空間廣袤空域展開的全球競速，中國科研機(jī)構(gòu)和航天企業(yè)雖相對(duì)后發(fā)，但并不居于下風(fēng)，甚至在某些領(lǐng)域已“領(lǐng)先半個(gè)身位”。

彌合航空航天裂隙

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

航空和航天兩個(gè)學(xué)科原本同出一脈，卻在日后發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)分化?？仗祜w行將推動(dòng)航空和航天技術(shù)深度融合，最終彌合兩個(gè)技術(shù)學(xué)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(huì)（FAI）所接受的航空、航天之間邊界定義，得名自錢學(xué)森授業(yè)導(dǎo)師——匈牙利裔美國物理學(xué)家、航空航天工程學(xué)家西奧多·馮·卡門。

根據(jù)馮·卡門的計(jì)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(chǎn)生足夠支持航空器飛行的升力。當(dāng)超越這個(gè)邊界，航天學(xué)開始發(fā)揮作用，達(dá)到第一宇宙速度（7.9km/s）的飛行器可以持續(xù)軌道運(yùn)行，而不會(huì)被地球引力吸向地面。這條分界線，讓航空和航天兩個(gè)技術(shù)學(xué)科出現(xiàn)裂隙。

傳統(tǒng)客機(jī)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(nèi)空域，可以做到安全起降數(shù)萬小時(shí)，但難以突破大氣層。而傳統(tǒng)航天器集尖端科學(xué)技術(shù)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(jī)，成為全球科學(xué)家們正在努力追求的目標(biāo)。該飛機(jī)具備“自由進(jìn)出空間、按需返回地面、多次重復(fù)使用”等特征的空天往返運(yùn)輸系統(tǒng)，是未來降低航天運(yùn)輸成本、拓展人類出行邊界的理想運(yùn)輸工具。

同時(shí)，這種飛行系統(tǒng)可分為無人和載人兩種形態(tài)。航天運(yùn)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(yùn)送貨物，還可部分替代現(xiàn)有飛機(jī)運(yùn)輸，以更高效率實(shí)現(xiàn)洲際點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸，具有巨大商業(yè)潛力。未來，可以載人的空天飛機(jī)將成為超音速客機(jī)和航天飛機(jī)的復(fù)合體，不僅可在極短時(shí)間內(nèi)將乘客送達(dá)目的地，也有望成為未來太空旅游的主要運(yùn)載工具。

可以預(yù)見，從無人飛行到載人飛行、從單次使用到重復(fù)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(jì)業(yè)態(tài)。而這種代表未來趨勢的技術(shù)躍遷，必將在此后數(shù)十年內(nèi)，深刻改變我們的產(chǎn)業(yè)和生活。

（作者系鈦禾智庫研究員）

（責(zé)編 王茜 美編 趙佳）