布兰森之飞能不能称为太空飞行

以下文章来源于聚恩君 ，作者张聚恩

聚恩君

一个爱科学爱家人爱朋友的“老民工”讲人生感悟，说航空故事。

布兰森（右三）和此次飞行机组成员

北京时间7月11日晚23点25分，71岁的的英国富翁、维珍集团创始人、探险家理查德·布兰森布兰森，乘坐他麾下的维珍银河公司研制的“太空船二号”亚轨道飞行器，由母机“白骑士二号”带至14000米高空投放，而后启动火箭发动机，加速到3倍声速，即3800km小时，飞升到距地面约86km的高空，在微重力环境中悬浮数分钟。他和他的乘员们在感受失重的奇妙，透过舷窗回望美丽的地球家园后，调整飞行器姿态，滑翔返航，再入稠密大气，像飞机一样，水平着陆在美国新墨西哥州太空港的跑道上。全部飞行过程持续近1个小时。

在祝贺这次飞行成功、向这位极富个性的勇敢者致敬的同时，也有人对于布兰森的首次太空飞行稍有微词，如世界首富、亚马逊公司创始人杰夫‧贝索斯，认为布兰森之飞的高度稍低了些，并未达到真正的太空飞行。贝索斯创办的蓝色起源公司也正在此领域大展手脚，他们研发的新谢波德火箭经历了十数次试验，很快就要在几天后载客试飞，设计飞行高度为100km。蓝色起源的“新谢泼德”火箭

那么，究竟布兰森之飞能不能称为太空飞行呢？这就涉及对于航空与航天这两种飞行活动的空间界定，以及对两者之间技术异同的认知了。

就此，利用这篇小文，作如下探讨。

现今人类的飞行活动有“航空”与“航天”之分。研究航空的学科为航空学（Aeronautics），研究航天的学科为航天学（Astronautics）。很有意义的是，1963年在驰名的中国航空科普刊物《航空知识》复刊时，钱学森给杂志社亲笔书写祝辞，其中写道：

从本世纪初发展起来的航空技术，实际上是航空气的技术，离地面不过十几公里，比起地球半径的6,400公里，简直是贴地面的飞行。即便如此，这门航空技术也大大地影响了人类的社会活动；成为本世纪前半叶的一项伟大的科学技术成就。

今天我们说的航空技术必需包括航空气和航空间这两个部份，即从地表面起一直到整个约120亿公里范围的太阳系都是人类活动的场所了，所以航空技术是现代科学技术的一个重要组成部分。

而《航空知识》的主办机构“中国航空学会”也是钱学森亲自命名的，他说：

因为“航空”两个字，既可包括大气层内的“航空气”，又可包括大气层外的“航空间”，“气”和“间”两字可省略，这也是中文比外文简练的地方。外文名称还是要按国际惯例将这两者并列进去，称Chinese Society of Aeronautics and Astronautics，简称CSAA。

当然，随着技术发展，业务范畴与组织机制也在调整，但关于“航空气”和“航空间”的睿智阐释，仍透出钱老独有的思想光辉。

航空（Air Flight，或Aviation）的定义是：人类利用载人或不载人的器械在地球大气层中从事的飞行及有关活动。航空活动须在大气层内完成，大气为航空飞行提供必要条件。实际上，大气层的高程超过1200km，远远超出当今航空活动范围。

航天（Space Flight）又称太空飞行，其定义为：人类利用载人或不载人的器械在地球大气层之外从事的飞行及有关活动。但事实上，当今的许多典型航天活动并没有超出地球大气层的范围。

航空与航天的空间界定不是一个机械、僵硬的概念，而是一个鲜活、进化的实践，是多因素综合权衡的结果。《国际航空法》和《国际外层空间法》将地表之上的空间分为空气空间（Air space）和外层空间（Outer space），并定义：在空气空间内的飞行活动为航空，在外层空间的飞行活动为航天。

空气空间涉及到一个国家的领空和主权；而目前，外层空间尚属“公共空间”。在两者界面划分上，迄今尚无统一的权威法律定义。世界上有以下几种划分主张：

以当代航空器的最高升限来划分，之下为空气空间，之上为外层空间，目前实用航空器的最高升限约为30～40km，研究机则高达100km。

以飞行器能环绕地球飞行的最低轨道高度，即临界轨道高度来划分，此高度约为110km。

以“卡门线”来划分；上世纪50年代，根据冯·卡门的计算与建议，国际航空联合会（FAI，国际航空航天标准制定与记录保存机构）将距离地面100km的高度定义为航空航天的分界线，并称为“卡门线”，卡门线以下为空气空间，卡门线以上为外层空间。

以有无空气分子存在的高度来划分，这个高度距地面超过1200km。

以地球同步卫星（对地静止卫星）轨道高度划分空气空间与外层空间，此高度约为36000km。

上世纪80年代，美国航空航天局（NASA）认定飞行高度到达或超过80km的人为太空人，也就意味着将80km认定为航空与航天的空间界线。

这些不同的划分主张，关乎国家的领空范围，国际上就此展开的争论也带有利益博弈的色彩。目前，使用相对普遍、接受程度较高的划分方法，是以“卡门线”来标志航空航天界线，即距地表约100km高度。同时，将20～100km高度范围称为临近空间或近空间（NearSpace）。由于美国航天的独特地位，NASA认定的80km的分界也有很大影响。按此约定，布兰森之飞当可认为是低端太空飞行。

还有一个问题被实质性地疏忽，就是航空的范围。依我之见，航空的高度范围应定在40~50km，与临近空间的下段相重合为宜。这是因为，现有的空气动力学理论与相应的工程技术，可以基本支撑航空器的持续发展，在如此高度逐步实现实用化。何况，20 世纪60年代，以火箭为动力的有人驾驶高空高速研究机已经数次突破50km、甚至突破100km高度，不仅被正式承认为飞机飞行世界绝对高度纪录，试飞员约瑟夫·沃尔克也被称为世界第一位“驾驶飞机的宇航员 ”。无论对未来航空器发展的前景有怎样不同的见解，在一些著述和论文里把航空的高度范围定为地表向上20km，总是不妥的。

有朋友提出，80km和100km究竟有多大区别？我认为，并无实质性差异。冯·卡门当年的计算结果也并非恰为100km，所以取为整数，一方面是逼近的整十数字更方便使用，另一方面也是因为式中参数取值的不确定性，而采用一种计量均值或中值。故而卡门线的本质是一个特定的高度区间，而非一条截然而生的高度线。

通过讨论航空器与航天器的不同飞行原理，我们还会对卡门线的实际意义加深理解。航空器是通过空气静力或空气动力被无形之手支托在空中的，而轨道上的航天器之所以能够停留在轨道上，是凭借其做类圆周运动所产生的离心力与重力相平衡。使航天器在轨道上稳定运行的速度被称为轨道速度。不同的轨道高度，其轨道速度也不同。例如运行在300~350km的空间站或其他航天器，其轨道速度大约为每小时27000km。

我们熟知的大气层，按温度的垂直分布，分为对流层（从海平面到大约10Km，其间温度逐渐降低）、平流层（从10Km到大约45Km，其间温度逐渐上升）、中间层（从45Km到大约95Km，其间温度再次逐渐降低）、热层（从95Km到大约400Km，其间温度又逐渐上升）和散逸层（大约在400Km以上，其间温度是常数）。由大气模式得到的密度随高度分布规律可知，在温度最低的中间层层顶（即中间层与热层分界处，大致为80Km到100km），空气密度已经低至标准大气压的二百万分之一，此时，流体静力学平衡因扩散而崩溃，基于燃料与空气混合的热机无法正常工作，飞行器必须靠提高自身速度才能获得足够的升力来支撑自身重量。

当飞行器速度达到该高度的轨道速度时，就成为了航天器。卡门线的实质意义就在于，这是支持飞行器以全重气动飞行所需要的最低速度等于轨道速度的高度（以飞机为例，假定其翼载在典型翼载的范围之内）。实际上，由于在飞机达到轨道速度时，地球的非典型球体特性增加了飞机的垂直于地心升力方向的分力，支持全重飞行所需要的速度并不一定能够维持飞机的飞行高度不变。卡门线的定义忽略了这种效应，因此卡门线也是轨道速度提供足够的气动升力使飞行器能够沿直线飞行而不必遵循地球表面的曲率，做类圆周运动的最高高度。

我们还可以进一步把航空与航天这两种飞行活动之间的技术差异，表述为如下几个方面：

飞行环境不同，航空环境离不开大气，航天环境为真空或近似真空状态；

飞行原理不同，航空器升力主要源于空气动力或空气静力，航天器则遵循天体力学原理；

飞行速度不同，目前最快的载人航空器速度为Ma6.72（Ma指马赫数，是速度与当地声速之比），大约2.3km/s；航天器若要脱离地球引力，成为人造地球卫星，至少需达到7.9km/s的第一宇宙速度，大约Ma23.5；

动力装置不同，航空器主要采用吸气式发动机，通过吸收空气中的氧气作氧化剂，航天器需要自带燃烧剂和氧化剂，多采用火箭发动机；

飞行方式不同，多数航天器沿着特定的轨道飞行，而航空器则无需遵循轨道飞行规律的自由飞。

航空与航天有着密切关联。航空技术是航天技术的基础，没有航空便没有航天；航天器不可能一下子飞到太空中去，航空飞行往往是航天活动中的一个环节。随着技术的进步，呈现出“空天一体”的趋势，即：在空间上绵延一体，在技术上相互渗透。在成为航空航天热点的近空间飞行器开发中，这一趋势表现得尤为明显。

由上面的讨论可以看出，不管是布兰森之飞，还是贝索斯的冲天，都属于载人亚轨道飞行，是在近空间的一种商业探索性飞行活动。他们各自的飞行方式与工具有所不同，但达到的高度接近，都是太空飞行的低端（底端），而他们全力开发太空旅游市场的眼光、魄力与布局，以及在这个过程中显示出的敢于探索、身先士卒、无所畏惧的勇气、品格与文化境界，值得中国航空航天人尊敬与学习。于我而言，布兰森这位可爱的七旬勇士，更是树起了一个永不言老的样板，从九天之上为我送来了超越国度的奋进精神力量。

（文中所用图片来自网络）

本文转载自公众号：聚恩君

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原标题：《布兰森之飞能不能称为太空飞行》

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