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文 | 鈦禾產(chǎn)業(yè)觀察，作者 | 劉愛國，研究助理 | 任友善
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(fā)展臨近空間高超音速武器上加大投入，以應(yīng)對中俄兩個主要競爭對手在此方面形成的優(yōu)勢。
以多位軍方高級官員為代表的支持派和以一批科學(xué)家為代表的反對派形成了觀點(diǎn)對峙，雙方圍繞此事展開了激烈爭論，最終支持派的意見占據(jù)了上風(fēng)。美國當(dāng)?shù)貢r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(lián)邦全面預(yù)算方案，其中為高超音速武器項目申請預(yù)算高達(dá)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(yù)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(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)域已經(jīng)被中國和俄羅斯甩開半個身位。 為了爭取更多研究經(jīng)費(fèi)，政客和媒體經(jīng)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(fā)展類似于“部分軌道轟炸系統(tǒng)（FOBS）”的太空武器之后，英國《金融時報》立刻發(fā)布了一篇“獨(dú)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(huán)繞地球飛行的能力，還可以在重返大氣層后，憑借極高速度突破反導(dǎo)系統(tǒng)攔截，攻擊地面目標(biāo)。10月18日，外交部發(fā)言人趙立堅針對此事回應(yīng)表示：
“此次試驗是一次例行的航天器試驗，用于驗證航天器可重復(fù)使用技術(shù)，對于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(jīng)費(fèi)預(yù)算，已經(jīng)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(fā)展高超音速技術(shù)還有更長遠(yuǎn)的意義——不僅僅是要保持美國軍事能力上的優(yōu)勢，更重要的是要保證戰(zhàn)略前沿技術(shù)上的領(lǐng)先。國防部所撥付高超音速領(lǐng)域的科研經(jīng)費(fèi)中，除高超音速武器系統(tǒng)的開發(fā)外，還包括可重復(fù)使用平臺、各專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)、試驗?zāi)芰?、基礎(chǔ)科學(xué)研究等多個子領(lǐng)域，這些能力對于未來科技發(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。
可重復(fù)使用的臨近空間高超音速 飛行器，應(yīng)用前景也不僅限于國防軍事領(lǐng)域。這種充滿科幻色彩的飛行器兼具航空和航天優(yōu)勢，未來有望在天地往返運(yùn)輸、洲際點(diǎn)對點(diǎn)高速運(yùn)輸、亞軌道旅游等民用商業(yè)市場展現(xiàn)巨大應(yīng)用價值，甚至改變傳統(tǒng)航空航天產(chǎn)業(yè)的游戲規(guī)則，打開一片全新的藍(lán)海市場。
作為大量尖端技術(shù)的集合體，飛行試驗是臨近空間高超音速飛行器研制過程中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。
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(jìn)行驗證的問題。 例如地面風(fēng)洞可以做到模擬大氣密度，但是沒法完全模擬溫度、濕度，一些重要的分系統(tǒng)（如飛行控制系統(tǒng)等），必須通過飛行試驗才能得到充分驗證。
一架試驗性質(zhì)的高超音速飛行器，相當(dāng)于一座能飛上天的“實驗室”，通過搭載各類設(shè)備在真實環(huán)境下飛行，可以對高速飛行器的氣動、動力、結(jié)構(gòu)、控制、熱保護(hù)等系統(tǒng)或關(guān)鍵部件進(jìn)行充分測試，有效收集真實環(huán)境下的一手?jǐn)?shù)據(jù)，節(jié)省大量試驗成本和時間。
早在上世紀(jì)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(chǔ)驗證性試驗。
其中，由 NASA 牽頭，聯(lián)合美國空軍、海軍和北美航空公司進(jìn)行的X-15項目先后創(chuàng)造了6.72馬赫速度和108,000米升限的世界紀(jì)錄，X-15的試驗飛行幾乎涉及了高超音速研究的所有領(lǐng)域，三架飛行器共完成199次飛行試驗，科研人員根據(jù)其飛行數(shù)據(jù)撰寫了 765份有價值的研究報告。
冷戰(zhàn)黑科技——X-15高速飛機(jī)
這些報告為后來“水星”、“雙子星”、“阿波羅”等載人太空飛行計劃和航天飛機(jī)的發(fā)展提供了極其珍貴的參考資料。其中超燃沖壓發(fā)動機(jī)的研究經(jīng)驗為日后美國國家航天飛機(jī)計劃奠定了基礎(chǔ)；阿波羅載人登月飛船所用到的大量先進(jìn)技術(shù)通過X-15得到率先測試；包括登月第一人阿姆斯特朗在內(nèi)的幾名美國宇航員，都曾經(jīng)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(dá)3億美元經(jīng)費(fèi)，但卻因此換來了美國航空航天技術(shù)在全球保持?jǐn)?shù)十年領(lǐng)先的地位 ——其影響之深遠(yuǎn)、涉及范圍之廣闊都遠(yuǎn)超時人預(yù)料。眾多當(dāng)時的研究成果，至今仍然為現(xiàn)代航空航天研究所引用。
X-15項目也讓全球科技強(qiáng)國紛紛意識到，重要前沿飛行試驗在關(guān)鍵技術(shù)上的牽引作用，甚至可以從百年大計的角度來考量——開展基于真實環(huán)境的臨近空間高超音速飛行試驗，有利于高效驗證空氣動力學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)、生物醫(yī)學(xué)等跨學(xué)科技術(shù)的工程結(jié)合成果，促進(jìn)航空航天技術(shù)的融合，孵育顛覆性創(chuàng)新成果。
先進(jìn)飛行器研發(fā)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，一種方案從概念到成熟，不是靠圖紙設(shè)計出來的，而是要靠反復(fù)試驗打磨出來的，這個過程雖然耗時燒錢，但是對科技進(jìn)步的促進(jìn)意義，卻遠(yuǎn)非金錢所能衡量。關(guān)鍵型號對人才隊伍的培養(yǎng)、設(shè)計經(jīng)驗的積累，是不可復(fù)制的重要隱形資產(chǎn)。
上世紀(jì)80年代—20世紀(jì)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制，開發(fā)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(shù)難度太大、預(yù)算經(jīng)費(fèi)過高而陸續(xù)下馬。這類飛行平臺的研制大多由政府或軍方主導(dǎo)，由財政計劃撥款，研制過程相對保密封閉，研究成果也很難應(yīng)用于其它領(lǐng)域和民用飛行試驗。型號投入帶來的經(jīng)驗傳承與科學(xué)認(rèn)知，在各類客觀條件限制下，難以充分發(fā)揮綜合效益。
進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著工業(yè)制造水平的全面提升，動力技術(shù)、材料技術(shù)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(diǎn)——在這個大背景下，如何提高各類企業(yè)與科研機(jī)構(gòu)在科學(xué)探索與工程突破方面的統(tǒng)籌協(xié)作，對航空航天產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。
隨著越來越多的空天新技術(shù)涌現(xiàn)，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(yè)機(jī)會是，如果能將飛行試驗成本降低到與地面風(fēng)洞試驗成本大致相當(dāng)，且能做到快速響應(yīng)，本身就具有巨大的商業(yè)價值。以商業(yè)價值為錨點(diǎn)，整個航空航天業(yè)界有望形成“資源-產(chǎn)出-再投入”的正向循環(huán)，憑借產(chǎn)業(yè)鏈條本身獲得持續(xù)發(fā)展的動力。
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(chǎn)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(fù)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(zhǔn)的是太空飛行市場，“太空船一號”則是其開發(fā)的第一款飛行試驗平臺，歷經(jīng)數(shù)次飛行，驗證了多項先進(jìn)技術(shù)。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”的研發(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)靈活的機(jī)制，不僅可以有效降低飛行平臺的開發(fā)成本，還能通過商業(yè)化方式將這項技術(shù)應(yīng)用于更廣闊的市場，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(yè)投資建造的亞軌道飛行器“太空船一號”
國內(nèi)商業(yè)航天政策破冰以來，隨著社會資本進(jìn)入和技術(shù)人才外溢，中國的商業(yè)航天企業(yè)也開始進(jìn)入這一領(lǐng)域，以空天技術(shù)科研試驗需求為突破口，瞄準(zhǔn)亞軌道飛行試驗市場，研制低成本探空火箭和飛行平臺。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(yè)——和體制內(nèi)科研院所相比，這類民營企業(yè)在填補(bǔ)市場空白的同時，也給國家隊形成能力補(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，由凌空天行和廈門大學(xué)聯(lián)合研制的 “天行Ⅰ-1”火箭完成首次飛行試驗。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(xué)航空航天學(xué)院的空氣動力學(xué)試驗和回收重復(fù)使用技術(shù)試驗任務(wù)外，還同時搭載了西安電子科技大學(xué)研制的兩部高能粒子探測器。
這些探測器可以對穿透倉壁進(jìn)入飛行器內(nèi)部的多種高能粒子進(jìn)行統(tǒng)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(shù)據(jù)，對未來空天飛機(jī)的電子系統(tǒng)可靠性設(shè)計、人身安全劑量評估提供極具價值的參考依據(jù)——此前科學(xué)家在論證未來載人“空天飛機(jī)”的過程中，曾懷疑大氣層邊緣一些殘余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(shù)據(jù)十分稀少，迫切需要使用先進(jìn)設(shè)備進(jìn)行實地測量驗證。參與此項工作的西電教師權(quán)磊說：
“就和我們?nèi)嶒炇易鰝€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(yè)內(nèi)一戰(zhàn)成名。截至2021年底，凌空天行已簽下總金額達(dá)數(shù)億元的飛行試驗訂單，客戶包括軍方、中科院、軍工集團(tuán)科研院所、高校研究機(jī)構(gòu)在內(nèi)的眾多單位。對于一家成立僅三年多的初創(chuàng)企業(yè)來說，這個成績?nèi)〉貌⒉蝗菀?mdash;—不是依靠融資抬高聲望和體量，而是靠實打?qū)嵉挠唵魏灣鰜淼摹?/p>
這種從飛行試驗市場切入、滾雪球發(fā)展的商業(yè)模式，一方面讓凌空天行成為少數(shù)在初創(chuàng)期就擁有不錯現(xiàn)金流的商業(yè)航天企業(yè)。 另一方面，通過高頻次試驗任務(wù)積累的技術(shù)經(jīng)驗，也讓團(tuán)隊能力迅速提升，逐步具備向更高、更遠(yuǎn)目標(biāo)邁進(jìn)的條件。從2021年開始，這家民營企業(yè)已經(jīng)開始向下扎根，投資布局一些生產(chǎn)和實驗?zāi)芰Α６诹杩仗煨械倪h(yuǎn)景規(guī)劃里，長期目標(biāo)是發(fā)展洲際高速運(yùn)輸與載人太空旅游。
好萊塢導(dǎo)演們早就在科幻電影里構(gòu)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(jī)。實際上半個多世紀(jì)以來，由軍事領(lǐng)域發(fā)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(qiáng)國在發(fā)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，由于政府在研發(fā)方向和預(yù)算投入方面的搖擺不定，雷聲大雨點(diǎn)小，遲遲不能研制出可用于實戰(zhàn)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(lán)色起源、空中客車等全球航空航天企業(yè)紛紛從不同技術(shù)路線發(fā)力，瞄準(zhǔn)太空旅游市場，探索商業(yè)化的空天往返飛行，但是由于技術(shù)冒進(jìn)等原因，研發(fā)過程中挫折不斷。
有了前人的經(jīng)驗和教訓(xùn)，已經(jīng)積累一定技術(shù)儲備的中國航天機(jī)構(gòu)，隨后推出的方案路線更加務(wù)實穩(wěn)??；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(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》，按照路線圖規(guī)劃，至2025年，研制成功可重復(fù)使用的亞軌道運(yùn)載器，太空旅游成為現(xiàn)實。同一年的全球航天探索大會上，航天科工集團(tuán)的“騰云工程”也正式亮相，目標(biāo)是在2030年之前，設(shè)計并制造完成中國首架可水平起飛、水平著陸并可以多次重復(fù)使用的空天往返飛行器。
2021年珠海航展上的“騰云工程”空天飛機(jī)模型
與此同時，在這場全球角逐的空天競速賽里，中國的民營商業(yè)航天企業(yè)也作為另外一支新生力量悄悄崛起，并迅速占據(jù)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(shù)驗證平臺積累了大量實驗數(shù)據(jù)，持續(xù)突破各項關(guān)鍵技術(shù)。截至2021年底，這家成立僅三年多的民營企業(yè)，已經(jīng)成功完成9次飛行試驗。
隨著臨近空間高超音速飛行技術(shù)的日臻成熟并投入實用，“一小時全球抵達(dá)”這一美妙想法，已經(jīng)不僅僅是某一家商業(yè)公司的愿景藍(lán)圖，而正在逐步成為整個中國航天科技界奮力觸達(dá)的宏偉目標(biāo)。
2020年中國航天大會上，航天科技集團(tuán)科技委主任包為民院士發(fā)表了《航班化航天運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)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(yùn)載火箭性能水平的基礎(chǔ)上，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(dá)千次量級、總貨運(yùn)萬噸級、總客運(yùn)萬人次”這一構(gòu)想：
“最終實現(xiàn)像飛機(jī)一樣重復(fù)使用和航班化運(yùn)營，全面完成一小時全球抵達(dá)和天地往返的任務(wù)目標(biāo)。”
根據(jù)已經(jīng)公開的資料顯示，中國目前對于臨近空間高超音速、天地往返飛行器的研究目前已初步形成梯隊化、體系化的總體發(fā)展規(guī)劃，并正朝著遠(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)雖然相對后發(fā)，但卻并不居于下風(fēng)，甚至在某些領(lǐng)域已經(jīng)領(lǐng)先半個身位。
“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。
航空和航天兩個學(xué)科原本同出一脈，卻在日后的發(fā)展進(jìn)程中出現(xiàn)分化?？仗祜w行將推動航空和航天技術(shù)的深度融合，最終彌合兩個技術(shù)學(xué)科的裂隙，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、航天之間邊界的定義。這條位于海拔100 km（330,000英尺）處的分界線，得名自錢學(xué)森的授業(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·卡門的計算，在這條奇妙的高度線附近，因大氣太過稀薄，難以產(chǎn)生足夠支持航空器飛行的升力，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(dāng)超越這個邊界，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(shù)學(xué)科出現(xiàn)裂隙。傳統(tǒng)的航空器開發(fā)主要集中在海拔20km以下的大氣層內(nèi)空域，而航天器開發(fā)主要瞄準(zhǔn)海拔100km以上的外太空空域，其中20—100km的過渡地帶被學(xué)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(qū)域，是目前人類尚未大規(guī)模利用的空白區(qū)域。
傳統(tǒng)客機(jī)集工業(yè)制造大成，可以做到安全起降數(shù)萬小時，但是卻很難達(dá)到臨近空間的飛行高度，更無法突破大氣層。而傳統(tǒng)航天器集尖端科學(xué)技術(shù)為一體，但大多數(shù)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(jī)，是全球科學(xué)家們正在努力追求的目標(biāo) ——同時具備“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。
這種飛行系統(tǒng)又可分為無人和載人兩種形態(tài)。一次性使用的無人飛行器，主要就是當(dāng)前已經(jīng)逐步投入實用的高超音速導(dǎo)彈。而可重復(fù)使用的高超音速無人飛行器則是下一個即將實現(xiàn)的目標(biāo)——航天運(yùn)輸方面，可以部分替代現(xiàn)有的固定式發(fā)射火箭，以更低成本向太空發(fā)射微小衛(wèi)星或者往空間站運(yùn)送貨物；航空運(yùn)輸方面，可以部分替代現(xiàn)有的飛機(jī)運(yùn)輸，以更高效率的方式實現(xiàn)洲際點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸，具有巨大的商業(yè)潛力。
可以載人的空天飛機(jī)則將成為超音速客機(jī)和航天飛機(jī)的復(fù)合體，不僅可以在極短時間內(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。
技術(shù)進(jìn)步往往依賴于問題的產(chǎn)生。從航空工業(yè)發(fā)展角度來說，飛得更快、更高的點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸工具，將極大改變?nèi)祟惉F(xiàn)有的洲際運(yùn)輸和空天出行方式；而從航天科技發(fā)展角度來說，廉價、機(jī)動、可重復(fù)進(jìn)入太空的飛行器，將顛覆現(xiàn)有以運(yùn)載火箭進(jìn)出空間為主的運(yùn)輸方式，開辟以高頻次發(fā)射和大規(guī)模空間應(yīng)用為特征的新航天時代。
可以預(yù)見的是，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。
參考資料：
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