第五代国产大飞机：速度超20马赫，可冲出大气层，钱学森遗愿成真|个人博客

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从两千多年前的“车同轨”，再到20世纪的“要想富，先修路”，交通能力的变革始终是推动人类文明发展进步的关键一环。新世纪的今天，我国已经有17.7万公里高速公路、4.2万公里高速铁路，在诸多交通领域稳居世界第一。

在拥有陆海交通优势基础上，大飞机工程也取得了显著成就，200吨级运-20B大型运输机已经加入装备序列，ARJ-21支线客机交付总量已经超过百架，C-919单通道中程干线客机也已经投入运营。

运-20B

C-919

在新形势下，陆空交通能力之争也愈发激烈，当前高速铁路最高运营时速是350公里，然而这并不是极限，比如航天科工集团就推出了“高速飞行列车”项目，这是一种利用真空管道大幅减少空气阻力与噪声，并利用磁悬浮消除摩擦阻力的电推进系统，学术名称是“超高速低真空管道磁悬浮交通系统”，可以实现时速1000公里，这就等于是贴地实现亚音速速度，甚至比C919大飞机的巡航速度还要快，是真正意义的“飞行列车”。

时速1000公里也只是飞行列车的第一阶段速度目标，其第二步与第三步的速度目标分别是2000公里/小时、4000公里/小时，也就是说最终可以实现3.2马赫的行驶速度，这一指标甚至比歼-20的超音速飞行能力还要强得多。

目前，航天科工集团已经与山西省合作，在大同建成了长度达2公里的一期试验线，未来还会进一步拓展长度至5公里、15公里，预计到明年就能实现单节列车在低真空环境中的1000公里时速。

低真空管道高速飞行列车动画演示

飞行列车试验线施工现场

如果说，当下民航飞机还有着相较于高铁的速度优势，然而，未来要不了多久，当飞行列车推向市场后，仅能实现亚音速飞行的民航客机的竞争力将急剧下降。

我国民用航空同时面临国内陆路交通工具变革，与国际民航巨头市场份额打压的双重竞争难题，怎样才能突出重围呢？空天飞机将是关键一招，而人类第一架真正意义的空天飞机也将在中国率先起飞。

我国民用航空产业将用6个词语诠释未来发展路径：

1.一席之地

ARJ-21是我国成功投放市场的具有较大载客能力的民航支线客机，交付量已经比较可观，不论是技术可靠度，还是市场份额都使我们占有了一席之地；

ARJ-21

2.一片天地

C919则是面向市场主要需求的机型，现在几乎每隔一两个月就能听到关于该型机签下新订单的消息，的确是打开了一片天地；

C919总装车间

3.三分天下

早在十几年前，C919命名时就已经宣示了我们要与波音、空客形成ABC三分天下的战略雄心。

到2030年前，C929也将完成研制工作，它的体量将是C919的3.2倍，最大起飞重量247.5吨，是名副其实的大型双通道远程干线客机，背靠国内大市场，在ARJ-21与C919开辟的国际市场中也将有诸多订单斩获，到那时我们将实现真正的三分天下格局。

C929复材前机身筒段

4.半壁江山

发展是没有止境的，三分天下当然也不会是终点，C929也只是我们在远程大型客机领域的开山之作，在此基础上继续孵化更大型的航空装备也是必然趋势，这就是更大、更宽、更远的C939。

C939，这将是可以比肩波音777、空客A380的空中巨无霸。

5.以我为主

2040年将是我国民用航空领域极为重要的一个分水岭，再往后我们就将进入民用航空装备发展的无人区，因为到那时如果再默守陈规就必然会被市场所淘汰，必须研发具有开创性价值的航空装备。

从C919到C939，完成了“变大”的使命，再往后就要追求速度的提升，这样才能维持航空装备的核心优势，这就是C949的使命任务。

双层双通道、超音速、新布局、三通道，是发展这一代机型的能力要求，其中最具代表性的就是新布局与超音速。

灵雀-B验证机

人类对于超音速客机并不陌生，比如上个世纪也有投放市场的协和式超音速客机，但基于安全性问题最终被迫退出市场，然而，技术的发展往往是带有循环往复特征的螺旋式上升轨迹，曾经不成熟的随着技术的进步也会变得成熟，比如上个世纪的航天飞机虽然提前退役了，但是还有后来者X-37B，可以说航天飞机这条技术路线从未中断。

虽然现在距离2040年还有十六年时间，看上去还很遥远，但对于一代航空装备而言，现在就已经到了开展预选研究的时间节点，比如西工大在去年就完成了一种新型翼身融合体布局的缩比验证机首飞任务，这就是面向未来民航需求的新布局。

西工大去年首飞的BWB300无人机

6.星际客机

仅仅实现超音速也并不能形成相较于飞行列车3.2马赫的速度优势，所以还要更快，这就需要“星际客机”。

到2039年我们就将占据世界航空市场的半壁江山，2049年更是要实现在世界航空市场中的“以我为主”，这也意味着，到那时我国将成为人类航空技术的引领者，作为引领者自然要对人类的未来负责，星际客机就将是我们为人类交通装备发展交出的一份完美答卷。

飞行列车是通过真空管道实现大幅减少空气阻力，而对于飞行装备而言想要真空环境会有着更加得天独厚的优势，办法也很简单，就是让飞行器飞得更高直接冲出大气层进入太空就能直接利用大气层以上的真空环境实现超高速飞行。

对于这一点，钱学森同志生前就有遗愿，这件事还得追溯至上世纪90年代载人航天工程立项之前的“机船之争”，当时科学家们就如何实现中国人上太空这个问题展开了大讨论，参与评选的方案大部分都是带翼运载器，有小型航天飞机、大型航天飞机，两级入轨空天飞机等，飞船方案则只有一个。

参与载人天地往返运输载具最终评选的五大方案

最终评选的结果是航天飞机方案获得了优势评分，然而钱老作为战略科学家，所思考的就不仅仅是技术问题，他考虑到当时的综合国力，为飞船方案投下了关键一票，这就是现在的神舟载人飞船。

虽然飞船方案胜出，但这并不代表带翼运载器就是落后，恰恰相反，带翼运载器的先进性是显而易见的，所以，在为飞船方案投下关键一票后的次年，钱学森在给黄志澄的回信中这样写到：

航天事业的又一重大发展是空天飞机，尤其是把它作为用半小时即可横跨2万公里的民航工具。21世纪的中国人一定要在空天飞机上显一显身手，一件国家大事！

可以说钱老对于空天飞机的追求是一以贯之的，早在他回国前的上世纪50年代就在全球范围内率先提出了火箭客机概念。

钱学森编著的《星际航行概论》中的空天飞机

神舟载人飞船立项后，中国航空航天界也从未中断对带翼运载器的研究，不仅没有中断，反而是持续加码。

进入21世纪以来，以DF-21D、DF-16、DF-17为代表的高超音速装备的不断推陈出新就是明证，可以自信地说，在带翼运载器领域，中国已经在世界范围内成为了引领者。正如前不久，日本《每日新闻》的一篇报道中说得那样，中国和俄罗斯在高超音速武器研发方面领先，美国苦于缩小与中俄之间的差距。

我国宽域飞行器投放试验

星际客机从图谱划代来看，应当算作是我国的第五代国产大飞机，而它其实就是空天飞机，而我们在这一领域已经展开了多个研制项目，正以齐头并进的态势高速推进。商飞公司的科研团队设想的是到2049年以后拥有空天飞机，事实上，我们极有可能在十年之内就能拥有让钱老遗愿成真的空天飞机。

谈到空天飞机，首先要明白其与航天飞机之间的关系，空天飞机是航天飞机的再发展，具备大气层内外空间动力飞行能力，且可以实现水平起降的跨域飞行器。

利用外层空间进行超高速飞行，前不久返回内蒙古四子王旗着陆场的嫦娥六号返回器就给出了证明，从其第一次再入到着陆，总用时只有26分钟，期间横跨的再入航程则达到了7000公里左右，从侧面展示了空天飞行的速度与航程优势。

目前，我国公开的空天飞行器项目至少已经有3个：

1.可重复使用试验航天器

可重复使用试验航天器是我国第一款带翼运载器，也可以说是我国第一款航天飞机，由CZ-2F型火箭发射入轨，该型号已经完成两次轨道飞行任务，均成功返回西部某预定机场跑道，第一次仅在轨飞行不到2天时间，不过第二次飞行就不一样了，在轨时间一下就拉长至276天。

执行非载人任务的CZ-2F型运载火箭

目前该型号正在执行第三次轨道飞行任务，截至今天，此次在轨飞行天数已达205天，有望再次刷新在轨时长纪录。

小型航天飞机再入效果CG图

可重复使用试验航天器的官方报道信息非常有限，报道通稿通常是这样写的：

试验的圆满成功，标志着我国可重复使用航天器技术研究取得重要突破，后续可为和平利用太空提供更加便捷、廉价的往返方式。

其中的关键表述是“便捷、廉价的往返方式”，往返指的是天地往返，除了载人飞船式的天地往返，另一种往返自然就是带翼运载器的升力式往返。

此种类型装备的成功研发，也是圆了上一代航天人的航天飞机梦。作为小型航天飞机所要突破的关键技术也是相当多，比如，总体、结构、环控防热一体化设计技术，急剧变化的重心与大范围变化的焦点匹配设计技术，严酷热环境下的全机多波段保形天线综合设计技术，全机有效载荷综合设计技术，高速自主进场、高速自主刹车等关键技术。

放眼全球，拥有此种类型装备的国家有且只有两家，一个是我们，另一个在大洋彼岸。

X-37B

2.亚轨道重复使用演示验证项目运载器

该项目是由航天科技集团主导，该集团已经明确了重复使用运载器三步走发展思路：

第一步，发展火箭动力部分重复使用构型，大型带翼一子级背负无翼二子级垂直起飞，到达分离点，一二级分离，大型带翼一子级滑翔返场降落于预定跑道，二子级继续飞行至预定轨道释放卫星载荷；

第二步，发展火箭动力完全重复使用构型，一级背负二级垂直起飞，一二级均为带翼运载器，完成飞行任务后各自分别降落于预定机场跑道；

第三步，发展组合动力完全重复使用构型，与火箭动力完全重复使用构型气动布局类似，所不同的是将摒弃纯火箭动力，采用组合动力形式，可以实现水平起飞与水平降落，是真正意义的两级入轨空天飞机。

三年前，服务三步走第一步的亚轨道重复使用演示验证项目运载器在酒泉卫星发射中心点火起飞，飞行器按照既定程序完成了所有飞行动作，平稳着陆于阿拉善右旗机场跑道，取得了首飞任务的成功。时隔1年后，该型飞行器再次升空完成了第二次飞行任务，此次飞行不是同型号不同产品，而是同型号同产品，意味着这是一次重复使用的飞行任务，意义非凡。

亚轨道重复使用运载器可以作为空天飞机三步走前两步的火箭动力带翼一子级，属于升力式火箭，是航天航空技术的高度融合体。

3.腾云空天飞机工程

腾云工程是由航天科工集团主导的空天飞机工程，从属于该集团规划的“五云一车工程”，其中的“一车”就是文章开头提到的“高速飞行列车”项目，他们不仅把视野放在了地面高速飞行，也开拓了空天飞行新项目，是两手抓两手都很硬。

国内众多空天飞行器项目中曝光度最高的就是腾云工程，而且给出了公开的项目时间表，就是到2025年实现技术验证飞行试验，到2030年完成两级入轨空天飞机研制任务。

从时间表上看已经是相当近了，明年就可以完成技术验证飞行，6年后我们就能拥有两级入轨空天飞机。

航天科工集团敢于宣布如此激进的时间表是有一定的技术底气的，而且他们的两级入轨空天飞机还不是火箭动力，而是一步到位发展组合动力两级入轨空天飞机。

究竟什么是组合动力，为什么此种动力对于空天飞机如此重要？

传统航空飞行高度通常在30公里以下高度层，再往上大气愈发稀薄，传统吸气式发动机难以工作，通常30公里以上高度就需要使用火箭动力。

30公里至100公里高度层也被定义为“临近空间”，人类对于临近空间的认知在很长一段时间内是很有限的，能够长时间在此高度作业的航空器也非常有限，通常只能依靠高空气球进行探测研究，运载火箭对于临近空间而言也只是“过客”。

临近空间

空天飞机的一个不同于运载火箭的显著特征就是，不需要携带大量的氧化剂，可以直接利用空气中的氧气作为天然氧化剂与飞行器自带的燃料进行结合燃烧做功。

而要想实现这一目标，就必须攻克组合动力发动机，比如在低空使用吸气式涡喷动力，到达一定速度高度后转为亚燃冲压动力、超燃冲压动力，抵达太空空间后再转为火箭动力，不同的动力模式可以适应不同的高度层，但是不同动力模式之间的切换却也是极大的难题，而我们将是解决这些难题的引领者。

组合动力不同的模态组合方案

早在七八年前，腾云工程就实现了腾飞一号组合动力模态转换试验，以此为基础，服务腾云空天飞机技术验证飞行的云龙组合动力发动机也已经完成了原理样机的研制任务。

云龙组合动力发动机原理样机

航天科工集团原本就是飞航领域的专业户，诸多超音速/高超音速飞航导弹都出自其手，而空天飞机研制的最大难点也正好是大气层以内的动力飞行，这等于刚好撞在了他们的优势能力上。如果说，中国最有希望在全球起飞第一架空天飞机，那么航天科工集团也有望成为国内起飞第一架空天飞机的研发单位。

工欲善其事必先利其器，我国已经为诞生第一架空天飞机做足了准备，具体可以从以下几个技术领域管中窥豹：

1.动力试验

空天飞机用组合动力发动机的模态转换难度极高，举个例子，比如超燃冲压点火就好比是在台风中点燃一根火柴。

为此，我们建设了FD-21全球最大口径自由活塞驱动高能脉冲型风洞，在这个风洞中早在6年前就成功进行了氢气在8.8马赫空气流速中的高超音速自主点火燃烧试验，并获得了高超音速燃烧模态下的试验数据和火焰图像，此速度也正是超燃冲压动力点火的速度区间。

风洞是航空航天装备研发的加速器，许多原先只能通过实际发射试验才能获得的数据，在风洞中能够以更低的成本在更短的时间内获得，可以大大缩短型号研制周期，这也是为什么我国高超音速装备在短时间内不断推陈出新的物质保障。

反观美国在这一领域进展缓慢，最主要的就是基础设施投入不足，投入不足又证明了他们战略决策的滞后与失误。

2.防热材料

前不久，在嫦娥六号再入返回任务中，返回器以近第二宇宙速度高速再入大气层，返回器经受热流峰值时，返回器大底表面温度可达3000摄氏度以上，此时大底前端空气温度更是达到了近1万摄氏度，防热材料成功抵御了严酷的气动热与气动力挑战。

嫦娥六号返回器过黑障区

能不能用嫦娥六号的防热材料发展空天飞机？

答案是不能，因为嫦娥六号使用的是烧蚀型防热材料，在经受热流烧蚀后，表面的部分防热材料会气化损失，会改变气动外形，这对于升力式再入的空天飞机而言是不适应的。

嫦娥六号返回器

空天飞机需要的是微烧蚀型防热材料，甚至是无烧蚀型防热材料，旨在保护气动外形的稳定。

其实，即便是在飞船返回舱型防热烧蚀材料领域，嫦娥六号所用的材料也不是我们的最新成果，早在4年前，新一代载人飞船试验船就应用了轻质碳基微烧蚀型防热材料，别看这飞船返回舱着陆后被烧的面目全非，实际上就防热材料来看，烧蚀量非常少，基本保持了气动外形的稳定。

新一代载人飞船试验船返回舱

近看新飞船返回舱烧蚀后的舱壁

而这已经是多年前的成果，我们其实还有专用于空天飞行器装备的金属基防热材料，它同样可以抵御3000摄氏度的表面高温，这一指标完全能够满足各种型号的空天飞机防热需求。

3.分离试验

两级入轨空天飞机有一个显著难点，就是带翼一子级与带翼二子级的高速安全分离，传统火箭气动布局单一，级间分离时不会产生过多的干扰，而带翼子级的分离就复杂的多，如何确保分离安全就成了难题。

早期两级空天飞机自由飞分离试验

前不久，央视报道了JF-22爆轰驱动超高速高焓激波风洞进行了一次空天飞行器的分离试验，在此次试验中科研人员试验了一种全新办法——滑轨式分离。

滑轨式分离

两级空天飞机作为组合体进行高超音速飞行时，机头方向会产生一道激波墙，如果沿用火箭形式的直接分离方案，就有可能导致分离时两级相撞，而滑轨式分离，就可以实现二子级平稳穿透激波墙，进而实现安全稳定分离。

这些新技术方案仍然离不开高超音速风洞的支持，JF-22与JF-12两座高超音速风洞共同构成了完整的空天飞行器飞行走廊内的所有速度区间，有如此完备的试验体系装备支撑，我国在高超音速领域的领先就成了必然。

4.导航技术

仍以嫦娥六号再入返回任务为例，此次返回器的再入返回实际地点与理论瞄准点的实际偏差仅16公里，这对于一个飞行几十万公里的小升阻比气动布局的返回舱而言，其落点精度等同于命中10环。

为什么有如此之高的落地精度？其核心技术就是全数字全系数自适应预测校正导航的应用，返回器可以根据导航算法实时更新弹道偏差，并加以修正，最终确保了精确的降落伞开伞点。

确保了开伞点的精度自然就能保证落点精度。

嫦娥六号返回器落点偏差仅16公里

自适应预测校正制导不仅用于返回舱式航天器的再入返回，同样可以用于空天飞机，而空天飞机是高升阻比的升力式再入，弹道控制能力本来就很强，又有精确的导航控制，如此一来，我们的空天飞机将会更加安全可靠。

前面说，航天科工集团的腾云空天飞机时间表最激进，其实航天科技集团的三步走空天飞机路线也有优势，就是务实高效。

务实高效体现在利用已经成熟的技术加紧进行规模化应用，比如三步走第一步，到2030年就可以利用带翼一子级进行空天发射，形成更加高效的快速进入空间能力，同时带翼一子级还可以作为太空旅游的载体，进行亚轨道飞行。

按照时间表，到明年就要进行轨道级试飞，服务该型飞行器的80吨级液氧甲烷发动机已经进行过多次试车，技术状态渐入佳境。200吨级液氧甲烷发动机也已经完成了发生器点火试验。

80吨级液氧甲烷发动机试车

带翼运载器的战略决策，中国至少比美国早看了二十年，一个典型案例就是无侦-8高空高速无人侦察机的投入应用，这是一款融合了航空航天技术的特种飞行器，利用现成技术手段，在短周期内拿出能用好用的装备，在亚太天空能跟无侦-8比肩的飞行器至今尚未出世，而它保持这种独孤求败的状态已经有至少5年时间。

无侦八

不论是火箭动力的带翼运载器，还是组合动力带翼运载器，都可以充当民用航空“星际客机”的载体，就运力来看，以两年前立项的“亚轨道远程空天运输系统总体设计与控制技术”项目为例，运力可达60吨级，与我国运-20B大型运输机的运力相当，可冲出大气层，利用外层空间的真空环境，实现小时级洲际达到能力，飞行速度可超20马赫，航程大于1万公里，能够重复使用100次以上，运输成本还不到一次性运载火箭的5%。