中国发力亚轨道运输：1小时飞全球，钱学森太空飞机设想要实现了？

9月15日，中国运载火箭技术研究院发布消息称，由火箭院研究发展部牵头申报的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目顺利通过评审，正式获得国家自然科学基金的立项支撑。

本期《星球电台》由航天技术专家、空气动力学家黄志澄来与大家探讨中国的“亚轨道远程空天运输系统”立项的细节，分析未来“1小时飞遍全球”太空游的可能性与前景。

资深通信专家，工研车间账号主理人 聂森（以下简称为主持人）：现在所谓的空天运输系统到底是什么，可以解决什么问题，都有哪些类型？

航天技术专家、空气动力学家 黄志澄：首先来解释一下空天。空天是航空航天的意思，英文叫Aerospace，这在美国很通行，因为在美国许多企业是不分航空与航天的。

比如，美国的波音公司既然制造民航客机，也制造火箭和飞船，所以它是不分家的，俄罗斯现在也不分了。中国是个特例，航空航天不在一个部门，所以讲到空天的时候，很多朋友对空天飞机、航天飞机就会没有概念。

什么叫航天？什么叫航空？什么叫空？什么叫天？中国航天开创者钱学森先生在《星际航行概论》这本书里面回答了这些问题。

“空”针对的飞行高度低于100公里左右范围以内的空间，100公里以上就叫“天”。航空指的就是飞行高度在100公里以下的飞行行为。航天不同，它并不是一个空间概念，而是一个速度概念，当飞行器的速度在超过了第一宇宙速度每秒7.9公里后，就可以使得航天器绕地球旋转。超过这个速度的飞行器，我们称为航天器。运行速度超过每秒7.9公里的所有活动都叫做航天。

现在又有一个新的名词，叫“亚轨道”。亚轨道并就是没有达到第一宇宙速度，没有入轨。它的飞行的高度可能会超过100公里，然后又返回到大气层。现在中国的学术界经常把20公里到100公里称为临近空间或者叫近太空，但还是属于航空的空域。

航空航天有一个国际法律上的界定，航空是属于国家主权的范围，国际公认的国家领空主权都是100公里以下，当航天器进入轨道以后不能随便进行攻击了。所以现在亚轨道飞行指的是在100公里以下的飞行，是没有进入地球轨道的飞行活动。

钱学森的书里定义航天飞机，是垂直起飞、水平降落的飞行器，也叫太空飞机。

空天飞机是什么样的？空天飞机是水平起飞、水平降落的运输系统，我们现在所讲的空天运输系统也是一种运输系统的概念，它可以具备入轨的能力，也可以不入轨，但也可以飞出100公里的高度以后，再重新回到大气层。

中国亚轨道远程空天运输系统动画演示图 图片来源：中国运载火箭技术研究院

黄志澄:不能，它并没有达到每秒7.9公里的第一宇宙速度，因此它一定是要回到大气层的，而且很多亚轨道飞行器的飞行速度可能远远低于入轨的速度。现在的亚轨道运输系统肯定是不入轨的，其实空天运输系统也可以分为入轨和不入轨两种，目前演示的这个项目是不入轨的。

黄志澄：因为两级分离是在大气层内分离的，没有达到第一宇宙速度。我曾经到德国参加过一个“桑格尔”两级入轨空天飞机的研讨会，会议上反复讨论，认为最佳的分离点是5马赫比较好，高度在30-40公里。5马赫的速度可以勉强用一般的亚燃冲压发动机。现在的这个项目是全部用火箭发动机，火箭发动机可以提高一点分离高度。假设火箭飞机两级的下面一级飞得过低，上面一级就会做得很大，所以它一定是要求两级加起来，起飞重量最小、成本最低。德国人是做过这个优化的，认为马赫数5-6，在30-40公里分离是最好的。当然，究竟什么是最优可以继续去探讨。

黄志澄：美国在上世纪中期就提出空天飞机的概念，1985年美国宇航局就执行了国家空天飞机计划（NASP）。我国应该说早在87年，在我国863计划的航天领域，相关单位就对各种天地往返运输系统的方案进行了概念研究，这些方案除了飞船以外，也提出了小型航天飞机、空天飞机、带主动力的用火箭发射的航天飞机，以及类似这个项目的两级入轨的火箭飞机方案等。

最后决定我国首先要研制飞船，但其他的方案也都在继续推动之中，所以有些空天运输相关项目也有几十年的积累了。

关于亚轨道不入轨的空天运输系统概念，是由马斯克首先提出并应用到他的“星舰”项目之中，他在这个项目中提出了火箭也可以进行亚轨道运输的概念，从而可以在1小时内将人类送至全世界各地，现在我国也有相关的项目立项，来承担相应的研究。

中国亚轨道远程空天运输系统动画演示图 图片来源：中国运载火箭技术研究院

黄志澄:我觉得首要问题是火箭发动机的重复使用。现在我们用的火箭都是一次性使用的。

SpaceX的猎鹰9号通过发动机的推力调节实现了火箭垂直回收，开启了火箭重复使用的道路，而其中火箭发动机的重复使用也是十分关键的。过去火箭发动机由于燃料燃烧后的积碳问题等而不能够重复使用。

其次是需要航班化的运行。航天科技集团曾提出，未来的火箭要有航班化运行的意识。什么叫航班化？要类似飞机那样，在飞机到达后经过半个小时检测，如果没有发现故障，就会继续下一次飞行。飞机一天可能要飞好几次航班，而航天科技集团提出来的航班化概念至少要检测后12小时复飞，也就是一天要飞行两次。这很不容易，尤其是维修工作需要大大简化，但又必须保证飞行安全。

再次是可回收，也就是火箭要回到起飞的地点，假如你无法返回起飞地点，就会大大增加时间的消耗。火箭怎么回到发射场？这很困难，马斯克在星舰上采取的是机械臂将火箭“抱住”的方式来实现火箭回到发射台。

星舰SN15成功从10公里高度落下站住且没爆炸

黄志澄:假如用火箭直接垂直上升，加速度比较高，一般在5G-8G左右。航天员杨利伟已经讲到，发射升空时航天员的体验是挺难受的，火箭还有震动的问题，环境条件并不太好。

假如水平起飞，也会有另一个很大的问题，就是在飞机起飞后对地面产生的音爆。英国和法国有一架“协和号”，速度可以达到2马赫，虽然大大缩短了城市间的通勤时间，但最终却被淘汰。这有两个原因：一是价钱比较贵，二是在地面飞过时有很大的音爆。

现在业界正在研究，怎么将音爆消除，NASA研究了多年，现在已经具备将90%的音爆消除掉的能力。那么现在开始美国正在研制超音速飞机。高超音速飞行也同样会产生音爆，局部地面上会出现如同爆炸的声音，所以这个问题还是需要解决的。

黄志澄:我觉得有两方面考虑。第一个是商业企业家，他们的时间十分宝贵，肯定会希望旅行的时间大大缩短，而亚轨道能够实现1小时全球各地到达，那么对企业家说将是一个福音，所以这部分人肯定是有需求的。

第二，对物资来讲，特别是应急物资有尽快到达的需求，比如发生自然灾害后向其运送救援物资就要求快。未来，突发事件可能会更加频繁，快速运送应急的救援物资也是急需解决的。

立在发射台上的星舰SN15 图片来源：Jack Beyer

黄志澄：首先我们要承认，马斯克有很大的创造性，但垂直起飞、垂直降落也不是马斯克最先发明的。

NASA曾经长期研究过垂着起飞、垂着降落的方案——德尔塔，但此方案也只是飞到了100米左右并没有入轨，马斯克却将此方案工程化，我觉得他的星舰的垂直起飞、垂直降落方案有三点创新：

第一，是超重型火箭可以返回发射台，被机械臂“抱着”，不再是以前采用火箭发动机来减速回收的方案。

第二，星舰的外形是拥有前翼和尾翼的，实际上它也是一个有升力的形式，它右以类似美国航天飞机，有一定的滑翔飞行能力，而且这滑翔是可以改变轨道的。但它与现在水平降落的空天飞机，返回大气层是不同的，它还是采用垂直降落的方式。

第三，有人说空天飞机采用组合式的发动机，最大的好处是可以利用空气当中的氧气。那么马斯克提出了另外一个想法，在氧气不够时可以用加油机的办法在空中加油，对液氧进行补给。我们现在也不能完全否定他的想法。

最后，关于起飞的问题，假设是垂直起飞，它的加速度很大，对运载的人来说，乘坐飞行有一定的难度，但如果是水平起飞（类似飞机起飞）对大部分人来说，当然要舒适很多。

黄志澄：我觉得，目前也不好做出结论，这要到“星舰”完全成功以后再做定论。

马斯克认为用不锈钢的价钱是用钛合金的1%，虽然火箭会很重，但成本便宜，然而是否真的如此？可能要取决不同国家使用的材料和加工的基础来分析，不能一概而论。

黄志澄：我觉得这需要结合具体的情况来看。原则上来讲重复使用是会降低成本的，但也有航天专家认为重复使用可能会更费钱，所以这需要看设计和运行的具体情况而定。

另外还会存在材料问题、工艺问题以及成批生产的问题等等一系列的问题。我觉得马斯克之所以会降低成本，它是用33个发动机并联完成发射，过去苏联登月也设计过类似的方案（N-1运载火箭），将发动机捆绑发射，但是以失败告终。

马斯克对这个过去认为捆绑许多发动机并不安全的概念进行了改进。成批生产肯定会使成本下降，但一定要控制质量，做到每个都一样，以保证安全。因此，要看具体的系统工程的做法。并不是说采用33个发动机，就能降低成本。假如一旦发生爆炸，就彻底行不通了。所以要看整个流程，只有能够控制住成批生产质量，才有可能降低成本。

黄志澄：包为民院士有一篇文章，他提出来要实现100次，但是我觉得他说的100次是2045年的目标，比较长远。整个方案也是分三步走（2025年、2035年、2045年），所以我估计一开始的时候可能重复使用次数在10-20次。

黄志澄：这个亚轨道飞行项目，在我看来它还是一个研究项目，可能会做一些小的缩比模型试验，还没有真正地开始进入工程阶段。

因为现在国家自然科学基金委员会的立项多半是与科学相关，这个项目可以看作是科学与工程之间的桥梁，目前还没达到工程阶段。

从科学技术到工程需要从科学变成技术，再由技术再变成工程，从技术变成工程则是一个很大的变化。

那么我相信，这个项目需要先在理论上探讨清楚。另外国家自然科学基金的费用是不能够满足做更多工程试验的需求的，就是做缩比模型的飞行试验，也需要更多投入。

黄志澄：我觉得理论上是可以的，但火箭发射的过程还是做不到像飞机、涡轮喷气发动机运行那么快的，因为燃料要重新加注，而且可能会时间较长。现在我们是用氢氧动力，加注燃料很费时，所以这个环节还需要很大的改善。

黄志澄：假设要求重复使用的次数比较多，拆卸会影响它的安全性，现在的民航机是不能拆卸的，因为需要保证安全性，否则没人愿意去坐飞机了，所以载人的飞行器是不能进行拆卸的，因而SpaceX还是考虑回到发射台上进行补给、维修等操作。

美国人在“星舰”以前，也尝试过研制两级火箭飞机，其中可能被提及最多的是波音公司的“XS-1”，它与现在我们方案里的图非常类似，但是后来波音公司还是放弃了，这可能由于经费等各方面原因。看来我国这个项目是在坚持这个方案要做到底的。

我给网友出个题目，可以将“星舰”和我们的两级火箭飞机方案做一个深入的分析对比，这将会是很好的一篇论文，可能是一篇很好的博士论文。

黄志澄：在两年前的珠海航展上，我们看到中国航天科工集团三院展出一个叫“腾云工程”水平起飞的空天飞机。据报道他们也取得了很多进展，他们利用的就是吸气式发动机包括超燃冲圧发动机。

钱老在《星际航行概论》里面也详细描述了两级入轨空天飞机的方案。他提出的一个两架飞机的方案，下面一级为采用组合型发动机，包括涡轮发动机加上亚燃冲圧发动机，这个方案在他的书里有详细的描述。

我在1992年9月21日以前负责协助王永志院士等完成了我国“921”工程的立项论证，并起草了我国载人航天分三步走的发展战略报告。

1993年，我在《科技导报》上写了一篇《载人航天的经验教训》的文章，此后我把研究空天飞机的九篇技术报告寄给了钱老，钱老在3天后给我回了信，他肯定了我这篇载人航天的经验教训的文章，而且指出空天飞机是未来的一件大事，中国人一定要在这个地方大显身手。这信的内容是钱老对未来的航天发展的期望，它有三个主要的核心思想：

第一，要发展重复使用的空天运输系统，这是我们的国家的一件大事。

第二，空间站的遥现技术和遥操作技术。按照现在的说法，就是应用虚拟现实、增强现实技术，或可以说是应用“元宇宙”技术，但是当时还没有这个名词。当时他希望要尽量减少航天员在空间站上的操作，更多在地面上进行遥操作，现在我们已经看到中国空间站已经实现了这方面的技术。

第三，中国航天要加强国际合作，我们的载人航天也是按照这个方向前进，开展国际合作。

当时在钱老在给我的信中提到了这三点。钱老一生当中大概回复过几千封信，但较少谈到未来载人航天的发展，但在给我的这封信中谈到未来载人航天的发展。由此可见，在他的心里面对空天飞机是寄予了很大的希望的。

所以，我觉得空天飞机需要一步一步做。现在的这个项目是走向空天飞机的一个基础，是走出了重要的一步，在技术上是有延续性的、有相关性的。

实现空天飞机是全世界一直关注的事情，这也需要我们年轻的一代人，可能要花费几十年甚至更长时间去努力的。

星球电台是腾讯科技联合工研车间、银河航天共同推出的直播IP节目，聚焦航天领域重大活动的科普解读，本期聚焦我国亚轨道运输项目立项的前因后果及影响力解读。