中国超音速飞机崛起：全球化下的高效洲际出行梦想

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此前，我们介绍了凌空天行“云行”系列超音速飞机验证机试飞以及凌空天行全国总部及高超音速飞行器研发生产基地已落地成都未来科技城的情况（），许多网友对此都很关心，今天就让我们再一次来关注下超音速飞机：

钱老的洲际飞行梦想

1944年，钱老提出了一个小时内从纽约飞到洛杉矶的火箭喷气式飞机的设想。1949年12月1日，《洛杉矶时报》以"一小时内跨越国家的火箭之旅"为题进行报道："如果钱学森博士在第四届美国火箭协会全国会议上呈现的数字是正确的，现在人们可以乘坐火箭从洛杉矶到纽约，3000公里的旅程不到1小时就能完成。"

钱学森先生的洲际飞行梦想

“协和”：唯一商业化运行过的超音速飞机

1962年11月，英国和法国签订联合开发协议，拟斥巨资打造一款民用超音速飞机。飞机取名“协和”。与一般的客机不同，协和式飞机采用了三角形机翼、下垂式机头，最大巡航速度可达到每小时2179公里，相当于音速的两倍。这个速度赶超了地球自转，为此协和式飞机能实现“降落时间比起飞时间还早”，被业界形象地称为“时空穿梭器”。美国全国公共广播电台（NPR）报道称，该飞机至今都是跨大西洋客机飞行速度的纪录保持者，从纽约飞到伦敦只需要不到2小时53分钟。

1969年，在伦敦希思罗机场，乘客乘坐协和客机出发前往纽约肯尼迪国际机场，4台涡喷发动机提供的强劲动力保证了马赫2的巡航速度，三个小时横跨大西洋，完成这趟因为时差关系 “还没出发就已经到达”的奇妙旅程。

而这个速度，离钱老描述的满分答案，还有一些距离。

1973年9月，协和飞机首次完成跨大西洋直飞，1976年1月正式作为民航客机投入使用。当时全球很多航空公司都表达了购买意向，最终法航和英航获得共14架民航客机。该机型的主要航线为跨大西洋航线，其中伦敦—纽约、巴黎—纽约等线路较为常见，此外航司也会依照季节或临时需求开辟其他航线。

由于运营费用很高，20世纪90年代，搭乘协和式飞机的往返票价高达1万美元，其货币价值等同于现在的2万美元。因此，协和式飞机当时的客户主要是高净值精英阶层。

据前空乘人员乔·卡迪回忆，飞机客舱内的氛围就如同一个“上流社会俱乐部”，因为这些乘客不少是能在世界上“呼风唤雨”的人物，如英国王室成员、英国著名歌手菲尔·科林斯、披头士乐队歌手麦卡特尼、流行乐之王迈克尔·杰克逊等。飞机上的餐食堪称豪华——供应顶级的香槟、鱼子酱和龙虾等。注重效率的商旅人士对它非常青睐，美国前企业高管弗莱德·芬恩曾为一宗大单合作一日内3次乘机横跨大西洋，他表示协和式飞机带来的差旅效率惊人。此外，由 有速度的优势，协和式飞机还曾被用于执行紧急救援任务，比如法航曾为一名在非洲中了罕见蛇毒的患者运送血清，后者在毒发身亡之前被成功救治。

不过，协和式飞机有一个明显弊端——能耗太高：该飞机平均每小时要消耗20吨燃料，几乎是空中客车A350机型飞机的4倍，后者的载客量却是前者的3到4倍。有业内人士幽默地表示：“不是超音速造不起，而是亚音速更具性价比。”作为民航界的超级耗油大户、碳排放大户，协和式飞机自20世纪70年代起就是环保人士讨伐的目标。

此外，由于超音速飞行器会产生猛烈的音爆，协和式飞机相较一般的民航客机而言应用范围十分狭窄。美国早年还曾出台过相关禁令禁止协和式飞机降落在美国本土，其他一些国家也反对该飞机从其领空经过。

2000年7月25日，法航一架协和式飞机在法国戴高乐机场坠毁，超过100人遇难，这场空难事故打破了该机型近乎完美的飞行安全纪录。当时该机在戴高乐机场即将起飞时，飞机的左翼忽然燃烧了起来。但是由于此时的飞机已经达到起飞速度，无法紧急制动，只能强行起飞，到附近的机场降落。飞机升空几秒钟后，机翼开始解体，2分钟后，协和号飞机一头扎进机场旁边的酒店，造成机上100名乘客和9名机组人员全部遇难，4名酒店的住客，也不幸丧命。

接踵而至的美国“9·11”事件更令欧美民航领域一夜入冬，协和式飞机的市场前景进一步被遏制。2003年4月，法航和英航同时宣布协和式飞机退役的消息。 200 3年11月26日 ，注册号为G-BOAF的 协和式飞机完成了最后一次执飞，退出历史舞台。 一代传奇机型就此谢幕。

前赴后继 欧美继续逐梦超音速飞机

协和客机虽然永远沉下了翅膀，却也点燃了人们对速度的不灭渴望。 欧美的多个超音速飞机均计划在2035-2040年将先后服役。

协和因事故和音爆问题退役后，欧洲一直在探索研究新一代超音速运输机技术，这些项目中最具代表性的项目是欧洲航天局（ESA）的“长期先进推进概念与技术”计划（Long-Term Advanced Propulsion Concepts and Technologies, LAPCAT）。英国在ESA的支持下，以REL (Reaction Engines Limited)公司研发的“云霄塔”（Skylon）项目的技术成果为基础，从2008年开始，在LAPCAT II中设计了大气层内高超音速远程飞行的A2商用客机，采用4台涡扇基空气涡轮火箭（Air Turbo Rocket, ATR）Scimitar发动机，以马赫5在25公里高度巡航，实现18700公里航程，时间点是2040年。

欧洲LAPCAT II洲际运输A2商用客机

而美国，更急迫需要一鸣惊人，自己出了道附加题。2004年11月16日，载机顺利投放带着新型超燃冲压发动机的火箭，助推器在32公里的高度将X-43A以马赫9.68释放。分离3秒后超燃冲压发动机在高度33公里、速度马赫9. 65、动压50千帕的条件下点火，此时 X-43A 在助推器原轨迹上仍有2.1°的小幅爬升，飞行中发动机工作10秒，在燃料燃烧的前4秒中，氢燃料工作在两种流速下，以检验不同的燃料混合比。分离21秒后，整流罩关闭。X-43A在滑翔段完成机动动作，采集气动特性数据用于校核预示值，在飞行了1368公里后坠入太平洋，超燃冲压发动机测试成功，问题在于，高超音速阶段时的低比冲，加上昂贵的热结构体系，站在装备角度而言，发动机成本太高。在当时的历史背景下，美国在经历了NASP的惨痛教训之后，对于此类项目的烧钱能力已留下强烈的恐慌后遗症。另一方面，DARPA和军方的战略思想有所调整，从以速度为核心追求转换到兼顾实用性及性价比，才有了后来的X-51A，人类最快的飞行速度被按下了暂停键。

载机NB-52B投放X-43A全过程

近年来，美国民企再一次发起了对速度的冲锋。其中亮眼的产品之一是Halcyon高超音速飞机，由HERMEUS公司研发制造。它可能是近年来研制进度最快的项目，其原因与这家商业公司的定位有关：“只做工程师的事，不做科学家的事”，与马斯克的商业模式类似，即用现有的工业级成熟技术去做应用方面的创新，这件事属于“说起来简单，做起来难”。Halcyon高超音速飞机的技术验证机跳票几次，首飞也拆分为MK系列分阶段验证，侧面说明，对于速度的追求之路，一直布满荆棘。

美国民企HERMEUS公司系列飞机

超音速飞机的2条技术路线
以及凌空天行的选择

据凌空天行介绍，发展超音速飞机一般有两条技术路线。

一是航空路线，即沿着飞机的发展思路，提高其速度，突破声障，实现超音速飞行，例如协和超音速飞机。它的优点是继承了大量成熟航空技术，缺点则是速度越往后越难提升，必须实现对动力技术的突破。

二是航天路线，即沿着高超音速飞行器的发展思路，降低其速度，实现超音速飞行。它的优点是可以做到很高速度，缺点则是一些专业不如航空技术那么成熟，还需要在工程设计上实现从一次性到可重复使用的转变。

这两条技术路线各有优缺点，其双向奔赴，必将带动航空航天技术融合， “云行”系列超音速飞机选择的是第二条技术路线。

同时，为减小阻力增加航程，和亚音速客机比较，超音速客机一般在更高的高度飞行，根据巡航高度不同可划分为两类，一类是1 <马赫<3的客机，一般飞行高度在14-20公里，另一类是马赫> 3的客机，飞行高度20-30公里。

确定路线后，首要解决的问题是高速布局和长时间防隔热。

首先需要设计出低音爆气动布局。超音速飞机与常规的亚音速相比，机头明显长，且体身更修长，这是为了尽可能减阻，更是为了改善超音速飞行中的音爆问题。另外，气动布局决定了高速飞机的基本性能。飞行高度每增加5公里，空气密度约减小一半，意味着相同速度下，阻力减小一半，燃油消耗减小一半，但相应的，升力减小一半。也就是说，高空飞行更加经济，但要实现高空飞行，需要飞行器具备高升力。这种变化最后综合反映为升阻比，一般升阻比越高，意味着飞机可以飞更远。

美国NASA QueSST超音速客机

然后是保证在高温环境下舱内乘客的乘坐舒适性，这就需要可复用耐热且导热性能满足要求的材料体系。对于高速飞机而言，随着速度的增加，它的材料体系会相应改变，也直接影响着产品价格。马赫3以下基本可以使用铝合金材料，比如现在大部分航空飞行器；马赫3-6之间热结构可能要选择钛合金，其次在局部高温区还需要一定的涂层类防热材料；马赫6以上，就要用到性能更好的复合材料；对于一些典型高温区，比如需要长时间防热的燃烧室区域，则需要更为复杂且昂贵的防热体系。

整机覆盖轻质防热材料的云行飞行器

2024年10月27日，“云行”系列超音速飞机成功完成了验证机试飞，飞行速度超过马赫4，升阻比在3.5以上，整机覆盖黄色轻质复合材料，标志着高速飞机研发正式进入工程实践阶段。（）

速度与动力选择

对于高速飞机设计而言，动力是其中最关键的技术之一，直接决定了巡航速度，那么，速度如何选择呢？

很简单，由市场投票决定。

据调查，现在大部分人出行时间的接受范围基本上以3小时为界，以国家为界，3小时以内大多数人会选高铁；而3小时以上大家可能就更倾向于选择航空。把这个界限扩大到全球，以前是没得选，因为只有亚音速客机，而一旦有选择，这个3小时的时间线依旧适用，对于远距离的全球旅行来说，当速度到马赫4以上后，即意味着1万多公里的旅程，能把时间同样控制在3小时以内。

马赫4的高性能动力，综合衡量下，冲压发动机是一个在大气层内实现长时高速巡航的理想动力选择：没有活动部件，结构简单，性能可靠；还不需要携带氧化剂，这就大大减轻了飞机质量。

而最难的是，如何实现发动机的工程化，并且能保证它长时间稳定工作。“这就像是要在龙卷风中试图点燃一根火柴。”当年波音鬼怪工程部经理乔治·奥顿说出的名言，用以向大众描述超音速飞行过程中冲压发动机点火的难度，其实在这背后还有更多需要解决的技术难点：宽速域高性能进气道设计、燃料喷注入方案、机身/推进系统一体化设计等。

“云行”系列超音速飞机的动力是“筋斗云”系列发动机，其飞行性能将在11月底进行飞试验证，更进一步的是，和美国比较而言，中国有全世界最完善、最高效的工业化供应链，由此孵化出的动力产品，在性能可靠的前提下，还具有面向市场最重要的高性价比。

美国X-43A冲压发动机

“筋斗云”系列发动机

当下，中国已成为全球最重要的经济力量，正在努力推进全球化进程，构建人类命运共同体，“地球村”需要更高效的空中交通方式，去增强国际交流，促进经济繁荣。在超音速飞机领域，中国再次站在了科技前沿技术的起跑线，“云行”系列超音速飞机是中国企业在航空航天技术创新领域的一次探索，和众多国内外同行者一起，纵使千难万险，依旧义无反顾。

云行-“窜天石猴”技术验证机

拉近人类的距离，让到达无处不在。

来源：云行者 XINGZHE、环球网、知乎及网络。通航圈综合编辑。

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