人类正在积极向太空时代迈进，并在技术和商业领域做出实践，典型如SpaceX。坐飞行器实现移民太空，这个颇具科幻色彩的设想或许在不久的将来成为现实。那么想实现这一人类想象，有哪些技术难题亟待解决，又要在航空航天技术实现何种突破？
12月8日，在“2023粤港澳大湾区硬科技产业资本高峰论坛”上，北京清航空天动力科技有限公司总经理助理曹桢发表了“航空航天技术创新发展与展望”的主题演讲。
曹桢分析，想实现坐飞行器实现太空旅行，根本的难度在于理想的动力形式。脱胎清华大学航天航空学院的清航空天已经实现了爆震燃烧技术的首次飞行，在理想状态下，北京飞至纽约只要两小时，这在全球范围都属于技术领先。有了这一爆震新型燃烧动力的加持，人类太空旅行的设想将很快成为现实。
以下为现场演讲实录，由投中网进行整理：
尊敬的领导来宾，大家下午好！很荣幸能够在硬科技产业大会分享关于航天航空技术的观点。
刚刚也学习了很多关于人工智能、电子信息产业的知识，还有一些投资相关的理念，现在我们转换一下频道，来到高端制造产业。
太空旅行的难度在于动力形式
首先讲讲航空航天技术，航空航天作为高端制造业的代表之一，有很多的技术基础支撑，我从燃烧的角度给大家讲一下航空航天未来发展的趋势以及技术需求。燃烧和动力相关，而航空航天的动力是航空器和航天器的心脏。
首先允许我简单一下公司，我们公司在2019年成立，还是一个比较年轻的公司，来源于清华大学的喷雾燃烧与推进实验室，是从清华大学航天航空学院孵化出来的科技公司，主要从事连续旋转爆震技术的产业化。
当然，一款技术的革新未来一定会服务场景。现在人类正在向以高频次的航天发射和大规模的空间应用为主要特征的太空时代迈进。最典型的就是我们都熟悉的SpaceX公司，在现有的技术手段下，做返回式的可回收火箭，是现在低成本进出太空的有效路径。PPT里最右边的这个星箭，它前段时间已经又取得了阶段性的成果，用马斯克的话说，我们要用它把人类送上火星，我们要移民火星。
但是我们思考一下，我们真的能坐着火箭去移民吗？人要坐上去，需要承受很大的加速度，没有经过长期的专业性训练，乘坐这种航天器进入太空会带来不适。所以说现阶段想广泛的商业应用还很困难，我们要找到一个切实可行的，普通人能够承受的方式进入太空。
这是一个关于星箭的简化剖面图，我们可以看到，如果坐在上面，只有最上面的成员舱可以容纳这些所谓的移民者，这些成员首先要克服起飞时极高的加速度，星箭用了33台的发动机同时点火，以很高的加速度把我们送到太空，所以如果在座的各位想移民，这种方式几乎是不可能的，因为大部分人是无法直接承受这么高的加速度的。
还有就是星箭的尺寸，它高达120米，直径有9米，这么大的体积只有最上面的那一段是成员舱，可能可以容纳100人左右，当然，这已经是现阶段乘坐人数最多的航天器了。为什么需要这么大的体积？最关键的就是它大部分空间都用于装载氧化剂，以至于能够用于载人的空间有限。但是氧化剂在大气里也有，我们完全可以利用大气里的氧气作为氧化剂。采用一种吸气式和火箭式相互结合的方式来实现空天载人飞行。
所以有了空天飞行器的概念，就是可以自由出入和往返稠密大气、临近空间时可乘使用的飞行器，这种飞行器本质上就和我们坐飞机一样，它可以从地面上从零逐渐加速，到超音速，高超音速，最后利用火箭到达太空。这里展示了两款概念型的空间飞行器，左边一款云霄塔，是美国在做的一款飞行器，它是单级入轨的，所谓单级入轨就是它可以独自完成大气层内外的穿梭，完成在太空的相关工作之后返回着陆。右边是一种更大尺度的飞行器，比如说我要扩建空间站，需要运输较大的部件上去，或者需要执行更高轨的任务，就需要把飞行器分为大气层内和大气层外两级飞行器，第二级飞行器作为太空专用的飞行器，这个就不再过多展开了。
要实现这些，难度在哪里？最根本就是要有一个合适的动力形式，只有解决动力的问题才能上天，这是最核心的，所以现在比较合适的动力的是吸气式动力和火箭动力的结合，在大气层内采用吸气式动力，到了大气层外用火箭式动力。
我这边展示了一下现阶段在不同速度和不同高度下使用的飞行器。在现阶段我们日常经常接触或者见到的是20公里高度以下和2.5倍音速以内的飞行器，最常接触的就是各类飞机了。2.5-5倍音速的飞行器现在属于偏军用的领域，基本上就是高超音速的导弹，还有一些亚轨道的飞行器，再快的最后就是火箭，火箭是几乎不受高度和速度限制的，从地面直接发射到外太空，但问题也很明显，就是刚才我提到的，行对来说有效载荷不足并且加速度很大，对人类并不友好。
要想做从零到高超，从机场起飞一直到太空的飞行器，一定要解决组合动力的问题，也就是要把在不同速度和高度工作的发动机组合起来才能实现刚才的理想。但是肯定不是1+1+1这么简单，在工程实现中有很多问题需要解决。其中“推力陷阱”就是限制组合动力发展的主要问题之一。这张图简单示意了不同速度发动机在速度衔接时的情况，其中很明显在2.5倍音速和3倍音速之间行程了一个“空窗”，涡轮发动机速度上不去，冲压发动机速度下不来。所以2.5到3之间形成了一个推力陷阱，怎么解决？
爆震燃烧技术突破，太空旅行或将很快到来
这个问题已经困扰了工程师和科学家们好多年，目前的解决方案还是集中在一些传统动力方式的优化升级，然而传通动力方式均采用等压燃烧方式，动力装置性能提升遇到瓶颈。是否可以采用新型燃烧方式来解决这一困境？
怎么能实现增压？回到刚才说的，我们是做燃烧领域的，一种新型的增压方式，就叫爆震燃烧技术，首先我先展示了两种燃烧模式，自然界一种就有两种燃烧方式，一种是缓燃，就是传统的燃烧，就像火苗一样。现在火箭虽然感觉它后面燃烧很剧烈，劲儿很大，实际上从燃烧本质来说，它的压力都是来自于泵，燃烧本身是缓慢的，并且没有压力增益的。而第二种燃烧方式叫爆震，也就是超音速的燃烧方式，从下面的动图可以看出来，爆炸的那个就是爆震，可以理解为日常生活中爆震，只是它是一种很难控制的情况。
一般来说爆炸是不可控的，是破坏性的，我们要在发动机里抑制这种情况发生，而爆震燃烧技术则是要控制住爆炸，让其为我们所利用，把这种破坏性的爆炸变成可控制和利用的能源，让它在发动机里面为我们所用，获得压力增益，理论上可以减少压气机级数，使得整个发动机结构得到简化，同时因为压力的增益，可以弥补低马赫数下冲压发动机入口总压的不足，实现克服“推力陷阱”的目的。
那我们如何来控制这个爆炸？最左侧的照片是爆震过程中实拍的图，从照片上看它是持续稳定的火焰，从中间的数值仿真图上来看，就能看到它爆震的过程，它在某位置发生爆震之后连续旋转传播，我们把这种爆炸限制在发动机的燃烧室内高速旋转传播，这就是连续旋转爆震技术。我们只需要一次点火，就持续产生高温高压的做功工质，这是我们的一个核心技术。而最右边的这个转圈，后面真正在转的，就是我们在高速摄影机拍摄的状态，这个就是在旋转爆震正常工作的一个情况。
还有几点优势，它的第二点叫做理论热力循环效率提高约50-60%，稳定增压，为解决“推力陷阱”问题提供了新路线。连续旋转爆震燃烧技术使发动机结构大幅度简化，重量减轻。在燃氢的条件下，氮氧化物排放极低。“双碳”是我们国家乃至世界的发展方向，因为爆震燃烧速度极快，氮氧化物排放量非常的低，比传统的纯氢燃烧低几个量级。所以说在未来航空航天，甚至一些其他的工业领域也可以使用这种燃烧技术，当然今天的主题是航空航天，其他行业的应用我就不再展开说了。
当然可能有人会问这又是一个“卡脖子”吗？我可以明确的说NO，这项技术是我们新开辟出的一个赛道，在爆震燃烧领域，中美整体上来讲是个齐头并进的状态，还都处在实验室研究为主的阶段，而技术工程化方面中国小幅度领先，已经实现了爆震技术的首次飞行。比如说清航壹号的首飞，就是爆震燃烧技术的首次真实飞行，第一次把这种爆震技术应用到吸气式发动机上。未来我们的理想是实现从零到高超音速的全速域飞行，轻量化设计，无需携带氧化剂，航班化飞行，2小时全球到达。
最后我分享一下我在一个欧洲网站上找到的一个动画，这家公司是2021年刚刚成立的，他主要是做氢为动力的高超声速飞行器，要实现零碳高超飞行器的航班化。它做了一个小动画，动画呈现的也是我们未来对这种全球旅行比较期待的一种模式。
大家可以简单看一下，首先它是在机场附近以风能和光伏发电进行的电解水的制氢，跳过了高成本的氢能运输过程，直接在机场给高超音速的民航加氢，然后滑跑起飞逐渐加速和提升高度，以高超声速的模式进行跨大洋飞行。相信在爆震燃烧技术的加持下，人类进行高超声速全球旅行和舒适地畅游太空、移民火星的梦想，一定很快实现。感谢大家！
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