对航空高度范围的认定需要讲点政治

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。

一、问题的提出

我们生活的地球被大气层包裹着，或者可以说，由于地心引力的作用，使大量气体聚集在地球周围。到底有多厚，没有一个确切数据。探空火箭在距地面3000km甚至更高处仍发现有稀薄空气，大气层的外边界有可能达到6400km或更高。但目前较为公认的厚度大约为1000km。

随着对大气层认识的加深，科学界把大气层从地表向上依次分为（如上图所示）：对流层（0~18km）、平流层（18~48km）、中间层（48~90km）、热层（90~350km）和散逸层（350~1000km），可概略认作20、50、100、350km为四条分界线。

不论怎样划分，在科学意义上，这些空间都属于空气空间（Air space）；在有无空气存在这个尺度上，空气空间就是大气层；反过来，大气层就是空气空间。在空气空间之外的空间，则为外层空间（Outer space），也简称为外空或太空。

二、悄然的发生

自1903年莱特兄弟的“飞行者1号”开创现代航空纪元以来，随着科学技术的进步，人类使用和投放飞行器的高度一再突破，对“空间”的认识不断丰富，也在悄然间发生了一些变化。

标志性事件是1957年第一颗人造地球卫星升空，人类的活动跃入一个新空间高度，随后产生了一个生于航空、但与航空又有所不同的航天事业。国际航空航天界对于航空、航天的分界问题，形成几种不同意见。

主张将距地面35871km、即地球同步卫星轨道高度作为空天分界。

主张以通常认为的大气层外围高度1000km作为空天分界。

主张以其时航空器达到的实际飞行最大高度32~40km为空天分界。

而后来的情况是，经由一个名叫安德鲁·G·哈雷的委员向国际航空联合会（FAI）提出建议，用航空航天科学家、钱学森的老师西奥多·冯·卡门计算得出的空气动力学失效、而航天学开始发挥作用的那个最低高度（约为100km）作为外太空与地球大气层的界线。这条线也被称为“卡门线”。此建议被FAI认可，由此卡门线便成为被广泛接受的空天分界线。

我没能查到冯·卡门进行这一计算和安德鲁·哈雷提出这一建议的具体场景与时间。但FAI接受这一建议应是事实。在冯·卡门的自传里，有这样一段话，形象、可信地解释了卡门线的计算思路以及被推荐、被采纳的过程：

“至于太空，我们应该定为多高呢？......其实，根据太空飞行器的飞行速度和飞行高度就能够确定太空的起始位置。例如，拿伊凡·金契罗上尉驾驶的X-2型火箭飞机的飞行记录来说吧，金契罗的飞行速度为每小时3,200千米，高度为38,000米（注：1956年9月7日，美国贝尔公司试飞员金契罗驾驶X-2到达38466米高度）。在这个高度，飞行速度产生的空气动力升力承载98%的飞机重量；而航天学家称为开普勒力的离心力只承载了2%的飞机重量。但是到了90,000米高度，由于不再有什么空气产生升力，上述关系就颠倒过来，只有离心力支承飞机的重量了。这个高度当然就是物理学上的边界了。在边界以上，空气动力学就无效，航天学开始发挥作用。因此，我认为完全可以把这个高度定为法定分界线。承蒙安德鲁·哈雷的好意，把这个边界称为法定的卡门分界线。分界线以下的空间属于每一个国家；分界线以上为自由空间。”

其实，冯·卡门的计算结果并非恰为100km，他所以建议将此高度指定为外太空与地球大气层的界线，一是因为整十的数字更方便使用，二是计算式中的一些参数会因时因地发生微小变化，计算结果也并非恒定不变。

于是，首先是FAI采纳了这一意见，后来在世界宇航联合会（IAF）1981年召开的第32届大会上，也认同了这一界线。迄今，虽然这一约定并未被正式写进任何一部相应的法规里，但在事实上，已经成为世界航空航天界基本接受的主张，即从地表向上100km高度为航空、航天的分界线。

这个悄然发生的变化意味着，空气空间对等于大气层的科学概念被置换了，变为事实上只对应大气层的一部分，即覆盖对流层、平流层和中间层这三部分；而外层空间则向下延伸到了大气层的“中间层”层顶。进而，人们把在空气空间内的飞行活动定义为航空，外层空间的飞行活动定义为航天；并按照冯·卡门的说法，分界线以下的空间属于每一个国家；分界线以上为自由空间。

三、两种方法论

在辨识飞行器属性和划定高度范围时，有两种方法论。一种是空间论（方法）（Spacialist approach），另一种是功能论（方法）（Functionalist approach）。前者依据不同高度的空间的特性来划分，后一种以飞行器达到的能力与水平来划分。

与空间论相关的认识如下：在平流层顶端的50km高度，仍有一定密度的空气存在，约为10-2标准大气压量级；仍可获得空气静力或动力带来的升力，以托举轻于空气或重于空气的航空器。中间层的大气密度虽继续急剧变小，从低端的10-2标准大气压量级降低到顶端的10-6量级，呈现有别于对流层和平流层的明显不同的特性，但借助高速空气动力学、动力组合、火箭动力以及防热结构、高效气动等工程技术，可实现在该高度范围的跨域自由飞行。

与功能论相关的事实与认知有：上世纪60年代飞机的载人飞行高度曾一再突破50km，最高达到108km（可参阅我的第505篇微文《航空飞行的高度与速度记录》）。而目前在对流层以上空气空间研发的热点集中在平流层飞艇、浮空气球、高空长航时无人机、火箭动力与组合动力飞机上，这些全部是航空器。

四、浅析卡门线

冯·卡门的计算思路与结果体现了上述两种方法论的结合。

按照空气动力学，飞机在空气中获得的升力可以用下式计算得出：

L=ρV2SCL/2

式中：L是升力，ρ是空气密度，V是飞机相对于其周围空气的速度（真实空速），S是飞机的机翼面积，CL是升力系数。

如公式所示，升力的大小正比于空气密度。随着飞行高度增加，空气密度减小，若其他因素不变，则真实空速必须增加，以弥补空气密度降低的影响。

当飞行高度达到一定数值时，由维持飞行的力学关系将得出下式：

L=ρV02SCL/2=mg

式中，V0是同等高度的圆轨道的轨道速度，m是飞行器的质量，g是重力加速度。

公式揭示，在这一高度，保证飞机能够飞行的速度将达到该高度的轨道速度。换言之，在此高度，因大气太过稀薄，飞行器自身的速度必须要比轨道速度高，才能够获得足够的升力以支撑自身重量。

卡门线就是这个支持飞机以全重气动飞行所需要最低速度等于轨道速度的高度。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，因为轨道速度的定义隐含了在轨道速度下，即使忽略空气密度，在任意给定高度也足以维持高度不变的特性。因此卡门线也是轨道速度提供足够气动升力，而使飞行器能够沿直线飞行而不必遵循地球表面曲率做类圆周运动的最高高度。

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原标题：《对航空高度范围的认定需要讲点政治》

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