飞行高度——通常认为，亚轨道飞行是在距地球20到100公里高空 进行飞行。在亚轨道飞行仍然会受到地球引力的牵引，但在一定时间内（高于卡门线，失去空气阻力时）可以体验到失重的感觉。300公里以上的飞行就被认为是轨道飞行（？） ，而国际空间站的运行轨道在400公里左右。亚轨道飞行的最高点必须高于卡门线，即海拔一百公里的大气层上界面，否则空气阻力将使得轨道不确定，从而不能认定为亚轨道飞行。

飞行特点——亚轨道飞行与轨道飞行的最大区别在于亚轨道不能环绕地球一周。从速度上来说，也就是发射初速度达不到环绕地球所必须的第一宇宙速度，所以抛射体在到达最高点（远地点）之后高度就会一直下降，并且在绕回发出点之前就会落地。所以，亚轨道飞行可以看做一个近地点附近轨道在地面以下的椭圆轨道（？） ，也可以看作是一种非理想状态下、特殊的抛体运动。亚轨道和抛射体一样，通过改变抛射角度，可以在很大范围内随意调整弹道的最高点、射距与落点。这一特性使得它在军事上大显神威。

02

“轨道”与“轨道”速度

航空是一种在空气空间的自由飞，一般没有轨道的概念。在航空航天领域说到“轨道”，主要是指航天器（以卫星和太空站为主）绕某一天体运行的特定轨迹的封闭曲线，如绕地球运行。这些封闭曲线形成的平面叫轨道平面，轨道平面总是通过地心的。

绕地球运行的航天器轨道称 地球轨道。其实，按原本的科学概念，地球轨道是指地球绕太阳运转的轨道，也称绕日路径，平均半径约1.5亿km。但目前在大部分场合，直接把地球轨道认作飞行体绕地球的运行轨道了，形成了 约定俗成的转义。

如何划分地球轨道的类别呢？有多种方法。其中，按高度划分最为常用，但也只是相对划分，并无明确的一致意见。下面的两张图，代表一种认知，其划分基本一致。我把它们贴在这里，供参考。其划分归纳如下（每一轨道所标数值实为一个高度范围，并无具体规定）：

（1） 近地球轨道，高度500km（一说300-2000km）。绝大多数对地观测卫星、测地卫星、太空站以及一些新的通信卫星系统采用此种轨道。

（2） 中地球轨道，轨道高度20000km。GPS、GLONASS、“北斗”（含5颗地球同步卫星）都使用此类轨道。

（3） 高地球轨道，通常称地球同步轨道，或对地静止轨道（简称同步轨道或静止轨道），轨道高度36000 km。

轨道与卫星的关系最为直接。迄今，几乎所有的人造卫星都是在300km以上运行的。如导航卫星轨道在19000-36000km，环境监测与气象卫星轨道在360-800km，测量卫星轨道在300-6000km，电子侦察卫星轨道在500-36000km，通信卫星轨道在780-36000km等。

但也有少量卫星运行在较低高度，这是由它们的用途决定的；主要是科学卫星和照相侦察卫星。大部分科学卫星在200-300km高度飞行，照相侦察卫星在200-500km高度飞行，在需要拉近照相时可变轨到120-160km的极限低高度，但能量消耗大，持续时间短。

如果说全部航空科技的任务是用好空气，同时克服阻力和气动加热等不利影响的话，那么轨道航天器则是凭借其做类圆周运动所产生的离心力，来与重力相平衡。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的太空站或其他航天器，其轨道速度约为每小时27000km。

03

冯·卡门怎么说

讨论亚轨道飞行问题，不可避免地涉及空天分界。关于航空与航天分界线的由来，我们可以阅读一下冯·卡门在他的自传里所写的这段话：

“至于太空，我们应该定为多高呢？......其实，根据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。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。”

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影响了飞机垂直于地心方向的升力，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，因此卡门线是靠飞行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作类圆周运动的最高高度。

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航空和航天的界线，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小的变化，计算结果并非恒定不变。

04

“大法”怎么说

目前，指导世界各国开展航空航天活动的“大法”有两部，一部是1944年12月7日在芝加哥签署、并于1947年4月4日生效的 《国际民用航空公约》（简称《国际航空法》或《芝加哥公约》），另一部是 《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外层空间活动所应遵守原则的条约》（简称《外空条约》），1966年12月19日联合国大会通过，1967年1月27日开放供签署，1967年10月10日生效，现有包括我国在内的100余个国家加入。

两份文件都没有对各自适用的高度范围做出明确规定。但在《国际航空法》中，强调 领空（territory airspace）主权是根本性原则；本国领土以上的空气空间为领空，拥有排他性。这里的领土指按国际法规定的国家主权管辖下的地球表面的陆地部分（领陆）、内陆水域和领海（领水）的总体。

20世纪50年代以前，世界默认“领空高度无限论”，即每个国家对其领空的主权权利为从地心出发、由领土外廓线向上延伸至苍穹。 随着卡门线的确立，领空的高度被矮化和具象了，这是一个重要的变化。

1967年生效的 《外空条约》是国际上第一部规定 外空活动法律原则的条约，被称为 “空间宪法”。共十条原则，主要包括：自由探索和利用原则—— 所有国家都可以不受歧视地、平等地、自由地进行外空活动；不得据为己有原则—— 各国不得由国家通过主权要求、使用或占领等方法，将包括月球与其他天体在内的外层空间据为己有；和平利用原则—— 各缔约国在外空的活动须遵守国际法和《联合国宪章》，保证把月球和其他天体绝对用于和平目的，以维护国际和平与安全。不得在绕地球轨道、天体或外层空间放置、部署核武器或其他种类的 大规模杀伤性武器。禁止在天体上 建立军事基地、设施、工事及试验任何类型的 武器和进行 军事演习。

。

这两部“大法”中的约定，对于我们认识航空航天领域的科技问题都有重要意义。虽然，对于领空的高度界线没有见诸具体条款规定，但按照卡门自传里的那句话“分界线以下的空间属于每一个国家”，应该将100千米以下空间视为领空。 “分界线以上为自由空间”，意为这是一个“国家不能主张和行使主权的空域”。

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而《外空条约》规定的那些原则虽然明智，但对于不遵守原则的国家，特别是陆续建立“天军”或“空天军”，实际上正在把太空变为新作战域的航空航天强国，并无真正的约束力。这是国际政治“丛林法则”的又一体现，是悲哀又是讽刺。

05

思考与建议

关于航空航天分界——作为航空航天分界的卡门线已被普遍接受，诚如1960年第53届巴塞罗那国际航空联合大会决议中所说：“地球表面100Km以上空间为航天空间，为国际公共领域，100Km以下空间为航空空间领域。”故而，不应说20-100千米这个区域“既不属于航空范畴，又不属于航天范畴”。这个区域属航空范畴，只不过这个区域区别于稠密空气空间，但这与依靠传统航空技术能否到达那里是两码事，何况上世纪60年代载人火箭飞机已经达到过108km的高度。

关于航空器与航天器的区分——可以参考高度线或高度域，但主要的区分依据应按飞行原理的不同。对于重于空气的飞行器，其飞行原理如果是以空气动力学为主，应归为航空器；如果是以轨道动力学为主，应归为航天器。如果一个飞行器，维持稳定飞行的力既有气动力又有离心力，则是一种复合式飞行器；若一定要细分，可以依据力的贡献度。当然，未来的空天飞机（aerospace plane）或称跨大气层航空器，则既是航空器，又是航天器；其典型特征是像普通飞机一样水平起降，在适当的高度能加速进入轨道运行。美国的X-37B自2010年至2019年已完成5次飞行，2020年5月升空的第六次飞行仍在进行中。但因其仍用火箭运载，垂直起飞，还不是真正的空天飞机。

关于亚轨道飞行——亚轨道飞行指具有部分轨道运行特点，但未能建立稳定轨道运行状态的飞行。应有如下两个判据：第一，最大飞行高度超过100千米；第二，达不到轨道速度而无法维持轨道飞行。两条判据同时符合的飞行，可称为亚轨道飞行。亚轨道飞行的高度范围广阔，在理论上其高端应是 从100千米以上到无限远，只不过没有必要将其定义为亚轨道高度或空间范围罢了。

在科技探索的实践中，如果并未达到上述要求，尤其是第一条，即最大飞行高度未达到卡门线，则不应称“完成亚轨道飞行”；称“类亚轨道飞行试验”为宜。如英国人布兰森的“太空船2号”在2021年7月的那次飞行试验中，达到85.9km高度，不少人就认为其并非亚轨道飞行。实际上，已十分接近，认为是商业亚轨道飞行探索无妨。但如果最高高度差得太远，就不能称为亚轨道飞行。

在正确定义亚轨道飞行的同时，可以发现，“亚轨道”并无独立的意义，也不应将其与高度范围关联。 亚轨道不是轨道，因为构不成稳定轨道飞行的状态，至多可以理解为 亚轨道飞行的轨迹。 亚轨道不是高度，也不存在特定的高度范围，亚轨道飞行的高度范围十分宽广。

关于亚轨道飞行器—— 亚轨道飞行器就是具有亚轨道飞行能力的飞行器。几乎所有的弹道导弹和运载火箭都是亚轨道飞行器。亚轨道运载器 是出于使用用途，对运载火箭的另一称呼。下图为洲际弹道导弹和卫星运载火箭的典型轨迹与共享技术示意。

有些航空器也可以进行亚轨道飞行，例如前面提到的飞行高度达到108千米的X-15试验型有人驾驶火箭飞机。

对 “亚轨道飞行器“，有关国际组织做出过一些阐释，可供参考。

关于亚轨道与临近空间的关系——说 “亚轨道就是临近空间”，不妥。第一，如（3）所述，亚轨道无指定的空间概念；第二，亚轨道飞行的实际高度显然更高。第三， 与前述的亚轨道飞行的两项判据之一明显不符。且由于中文里的“空间”是个泛在的概念，在用于特定的航空航天物事时，不宜无界定地使用； 建议把near space译作“近太空”，它应该是从高空气空间到卡门线的这段高度范围， 大体覆盖整个中间层。

关于“升力体”与“升力式”——所有的航空器和一部分航天器都可以视为升力体，但作为专门技术概念的“升力体”有确定的含义，是一种新型飞行器的独有名称，而“升力式”则指一种技术及其应用。

升力式可以理解为采用升力体布局与设计技术，获得附加升力，形成跨高度域、有时也称 “跃层”飞行的能力，包括在分界线上下的穿越，并进而可较为便利地实现水平着陆与可重复使用。

升力式的概念来自航天科技中的返回器，即返回式航天器的返回部分。按此类航天器再入大气层飞行过程中气动特性的不同，返回器可分为 弹道式、 升力式和 弹道升力式三种。

弹道式返回器——再入飞行过程中所受到的空气动力只有阻力、没有升力或虽有升力、但升力的大小和方向均不加控制和利用。

升力式返回器——再入飞行过程中升阻比较大，升力大小和方向可控；也称滑翔式返回器。升力式返回器又有两种：一种为无翼面的升力体，另一种为带翼面的升力返回器。

弹道升力式返回器——再入飞行过程中所受到的气动升力与气动阻力之比（升阻比）较小，但能通过滚动控制调整升力方向；也称半弹道式返回器。

而 升力体飞行器是指一种综合传统的航天器与飞机特点的新型飞行器，典型外形为钝头、圆底、平顶、无机翼、或称翼身全融合的锥形体。该构型的平坦上表面在穿过大气时可以产生附加升力。借助这个升力，飞行器能重回更高空间。如此往复，构成波浪式轨迹飞行。以升力体飞行器为基础的返回式亚轨道飞行，能更安全稳定地水平着陆，便于实现可重复使用。

升力体飞行器具有能在 太空和大气层变高度飞行，经受再入大气层时气动加热的高温，像 常规飞机那样水平着陆，以及可重复使用等技术特点，拥有广阔的应用前景，因而成为当今世界航空航天界的发展热点之一。

关于“近太空”的具体约定——“近太空”可以有两种约定，一是以电离层（约60km）底端高度为起始，上至卡门线或达至近地圆轨道最低高度150km的高度域；二是以中间层的全部高度（50~100km）达至近地圆轨道最低高度150km的高度域。这两种认定基本重合。但无论如何，定义为“20-100km”范围偏宽泛，下端明显偏低。

故而， 在科学探索和产品研发中，如果达到高空气空间，即达到中间层，或至少在35km以上，且不仅仅是穿越，而应能够驻留或自由跨域，方可称为近太空航空器（即现在所称的临近空间航空器或临近空间飞行器）。如果达到的高度相差太多，则不宜自称为近太空航空器。

从大气学与空气动力学结合的角度，确定“近太空”高度范围的科学依据主要是：在其底端的平流层与中间层交界处，仍有一定密度的空气存在，约为10的负2次方标准大气压量级；还可获得空气动力带来的升力，以托举航空器。从50km开始的中间层，其大气密度急剧变小，到顶端降至10的负6次方量级。中间层大气虽呈现显著不同的特性，但借助高速空气动力学、组合动力、防热结构等技术，仍有可能提升飞行器速度，获得足够的升力，实现在该高度范围的跨域自由飞行。当然，所需技术明显有别于低空气空间，而这也正是面临的主要挑战。

关于对“亚轨道飞行”条目的修改——在各类百科里设立“亚轨道飞行”这个条目是很必要的。如有可能，可在现有条目的基础上进行适当修改。建议综述部分这样写：“亚轨道飞行是指借助人造装置，最大飞行高度超过卡门线（距地表100千米）但达不到轨道速度、无法维持轨道运行的一类飞行。具有亚轨道飞行能力的装置称为亚轨道飞行器，此类飞行器是航空、航天技术结合的产物，在军民用领域均有重要的发展与应用前景。”原词条里的“飞行高度”一段可删除，“飞行特点”与以下几段可按修改后的“综述”进行相应调整。

06

结语

航空与航天有着天然密切的关联。在相对独立业态的航天业于20世纪50年代末发端以来，人类在探索外太空的道路上取得了重大进步。当前，“空天一体”成为一个公认的发展趋势：在空间上绵延一体，在技术上相互渗透。在成为航空航天两大发展热点的近太空飞行器和亚轨道飞行器的开发中，这一趋势表现得尤为明显。

近太空飞行器和 亚轨道飞行器的本质在于不同的飞行轨迹，以及呈现出的不同技术特征。就目前的认知和所掌握的技术，前者更多地带有航空器的特征，如高超声速飞机；后者的航天技术特征则更多。

2021年7月11日英国太空旅游公司的太空船2号飞到85.9km高的轨道后返回，以及九天后美国太空公司蓝色起源“新谢泼德”号飞行器跃上卡门线，均可视为探索中的商业亚轨道飞行。我国也曾不止一次地报道，中国航空航天界在亚轨道飞行器研制方面取得令世界瞩目的进展。

不管是近太空飞行器，还是亚轨道飞行器，都是既非传统航空器、也非典型航天器的新飞行器械，是航空技术与航天技术高度结合的产物，但笃定将成为 21 世纪的 “全能超级明星”，并使人们对航空、航天的观念发生革命性改变，成为人类飞行探索道路上新的里程碑。

在航空与航天科技工作者的共同努力下，在 近太空飞行器和 亚轨道飞行器这两类热点飞行器的开发中，中国必将取得更大成就。同时，通过及时而尽量准确的科技知识普及，国人也将更深入地理解我们的事业，从而给予更强大的全方位支持。

本文转载自公众号：聚恩君

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