摘要：【点击右上角加"关注"，全国产经信息不错过】飞行器行业 | 研究报告 核心摘要：美国从国家战略和国家安全方面考量大力发展超音速临空器；高超音速临空器研制难度高，美国发展并非一帆风顺。我国未来对于临近空间开发的政策支持将更为广泛且深入。固发是...
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飞行器行业 | 研究报告
核心摘要：
美国从国家战略和国家安全方面考量大力发展超音速临空器；高超音速临空器研制难度高，美国发展并非一帆风顺。我国未来对于临近空间开发的政策支持将更为广泛且深入。
固发是当下主流方案，未来液体和组合动力是发展趋势；面对称构型的优良升阻比和机动性更加适合高超音速飞行；防热难点是抵抗长时间受热的同时，兼顾气动外形与经济性。
超音速临近空间飞行器种类分为探空火箭、试验平台、太空旅游及超音速客机。探空火箭在大气环境探测和微重力试验方面具有显著优势；缺少低成本、高响应速度的飞行试验平台是行业痛点；太空旅游逐渐大众化，商业运作即将到来；超音速客机发展的诸多因素已经拥有相应解决方案。
以飞行试验为切入点，进而拓展太空旅游和超音速客机领域对于国内初创企业更为稳妥。
超音速临空器行业概述
研究范围界定
临近空间飞行器由航空与航天技术深度结合发展而来
临近空间是指距离地面20-100公里的空域，不在传统航空和航天的覆盖范畴内，是人类尚未进行大规模利用的空白区域。临近空间不仅从空间层面连接着天空和太空，同时也将航空与航天的技术进行深度融合。临近空间飞行器（临空器）是指能在临近空间空域内飞行并执行特定任务的飞行器。从广义上讲，我们将临近空间内飞行速度超过1.2马赫的各类飞行器统称为超音速临近空间飞行器。
临近空间环境特点
环境差异导致航空、临近空间、航天存在应用差别
航空、临近空间与航天的环境差异导致三者存在较大应用区别。传统航空0-20km高度区间，存在稠密大气，较强的气动阻力很难实现高超音速飞行，因此航空器主要用于亚音速的商业运输。传统航天大于100km高度，大气稀薄，航天器无法利用气动力进行控制，仅能依靠动力进行控制，机动性能较差，因此运载火箭主要用于天地间运输。临近空间20-100km，存在少量的大气，环境介于航空航天两者间，在此空间内可以在较小的气动阻力下，增加气动力控制，从而实现长时间的高超音速飞行。
超音速临空器面临的环境影响：边界层转捩，是指靠近飞行器壁面的薄层，从层流转化为湍流的过程。飞行马赫数增加将会导致边界层转捩加剧，摩擦阻力增加，引起热流增加，侧向稳定性降低等离子鞘套，是由于气动加热，贴近飞行器表面的气体和飞行器材料表面分子被分解和电离形成的，其具有吸收和反射电磁波的能力，会导致地面与飞行器之间的无线电通信中断。
超音速临空器类型及特点
超音速临空器的科研应用日趋成熟，商业应用即将开始
超音速临近空间飞行器种类分为探空火箭、试验平台、武器装备、太空旅游及超音速客机。探空火箭目前技术和市场发展较为成熟。试验平台相对于探空火箭具有更强控制能力，飞行距离和飞行速度均高于探空火箭，基于这一特点可以向客户提供临空器提供气动、防热、电磁环境影响、控制制导等方面的飞行验证服务。国外太空旅游企业已开展适航验证，有望于两年内开展商业运营。高超音速客机在全球范围内技术尚不成熟，尚未进行商业化普及，目前波音等国外公司正在进行概念机研制阶段。
美国高超音速临空器发展历程
高超音速临空器研制难度高，美国发展并非一帆风顺
美国高超音速临空器设计方案最早由钱学森提出，此后美国在高超音速临空器投入大量人力、物力，但很多计划都遭遇滑铁卢。美国在NASP项目失败后，通过将高难度目标拆解成为多个项目，每个项目仅研究1-2个关键技术并通过大量试验进行研制的方式进行技术积累与储备。另外，国防部和NASA引入竞争机制，各单位提出不同的方案，由国防部和NASA最终在充分考虑经费、技术等多方面因素后选择最优的方案进行研发。由于保持长期的竞争，可以打破垄断，更能充分发挥各单位的能力，达到共同进步。
美国发展超音速临空器原因探究
美国从国家战略和国家安全方面考量大力发展超音速临空器
美国从国家战略和国家安全两个方面的因素考量，大力发展超音速临空器。自从美国调整全球战略之后，实行了“重返亚太”的战略，其主要目的是针对中国。特朗普时代即将终结，然而中国竞争中合作的格局不会改变。当下我国更要跟上时代发展的步伐，大力发展超音速临空器技术，只有掌握了这一具有战略威慑力量的技术，实现中华民族的伟大复兴的远景才能得到保障。
临近空间运载相关政策
临近空间运载进入十四五规划重点领域，地位不断提高
临近空间商业化发展得益于我国商业航天的开放。国家鼓励民间资本进入到商业航天领域，临近空间作为商业航天的其中一个细分方向实现同步发展。2019年国防科工局颁布的《促进商业运载火箭规范有序发展的通知中》，明确了亚轨道临近空间发射的相关要求。在2020年中央政治局颁布的“十三五”规划中，更是将临近空间所属的空天科技纳入重大科技项目中。可以预见到，我国未来对于临近空间开发的政策支持将更为广泛且深入。
超音速临空器核心技术
超音速临空器动力技术
固发是当下主流方案，未来液体和组合动力是发展趋势
目前较为成熟的发动机都存在一定的局限性：1）火箭发动机在低速阶段其比冲较小，需要固定的发射装置或利用飞行平台挂飞发射，限制了高速飞行器的反应速度和灵活性，目前国内商用固发较为成熟，商用液发仍处于研发阶段；2）冲压发动机无法在静止状态下启动，在Ma3以下推进效率较低，需要辅助动力以实现推力的有效连续；3）涡轮发动机在亚音速、跨音速时具有较大优势，但无法在高超音速情况下运行。因此将以上几类发动机的不同单元和不同方式集成的组合动力发动机应运而生，但组合动力发动机研制难度大，全球范围内成熟度较低。因此国内民营企业目前仅能采用固体火箭发动机，但是固发不可复用性带来的高成本以及起飞阶段极高过载人体很难承受这两点劣势决定未来会被液发和组合动力替代。
超音速临空器气动外形技术分析
面对称构型的优良升阻比和机动性更加适合高超音速飞行
面对称构型和轴对称构型是当前国内民营企业采用的两种主力气动外形。这两者相比，面对称构型拥有更高的升阻比，即在相同的飞行条件下（飞行环境、速度、姿态等），具有更高的升力、更小的阻力。这意味着在远距离巡航中，面对称构型可以节省更多的燃料。在机动性方面，面对称构型由于具有机翼可以利用空气舵进行机动控制，较轴对称构型机动性更强。然而面对称外形相较轴对称构型更加复杂，导致制造成本增加，制造时间提高。
超音速临空器防热技术
防热难点是抵抗长时间受热的同时，兼顾气动外形与经济性
超音速临空器长时间以较高马赫数飞行，长时间空气摩擦形成极高的气动加热，进而导致相应的热应力和热变形，从而引发飞行器气动力发生变化。超音速临空器受到气动加热时间相较运载火箭有着数量级的提升，对于运载火箭难度较低的防热，在超音速临空器研制中防热则是一项关键性技术。目前主要有三种技术途径来解决这种问题，分别是主动冷却、半主动防热和被动防热。此外做好防热工作，需要大量飞行试验的经验数据，优化防热方法，进而实现防热的同时兼顾气动外形、重量以及经济性，避免造成不必要的冗余。
超音速临空器回收方式
不同回收方式各有优劣，应用场景的不同导致回收方案差异
超音速临空器与火箭可采取的回收方式相同，分别是伞降回收、垂直返回及带翼飞回。三者都拥有各自的优势，伞降回收的最大优势在于保持运力同时节省成本；垂直返回方式适用于高落点精度的回收；带翼飞回拥有更好的重复使用性和载人安全性。三者应用的场景不同，会导致各企业采取的回收方式有所差别。
超音速临空器市场分析
临近空间的市场意义
空间技术跃升后商业潜力极大的新兴领域
人类技术发展趋势与人类认知世界的方式息息相关，在这个过程中，框架式的思考逻辑是资源有限的情况下，最大限度覆盖所有未知领域的方法。而随着技术的延申和精细化进程，研究框架会越切越细，相邻的研究领域也会出现交叉，进而诞生更多的商业应用将这些领域的价值开发出来。所以在过去的空间技术领域，从自然环境上最容易将空间切分成两类，一类是大气层内环境，另一类就是空间环境。因为二者自然环境的极大差异，导致这两类空间技术发展出了截然不同的外在表现。但是一如所有行业发展趋势，空间技术也存在逐步精细化的过程，存在不同领域相互交叉的问题。而临近空间，就是在这样一个背景下，逐步凸显巨大商业潜力的板块。
对流层及平流层底部内主要依赖航空技术，太空环境主要依赖航天技术。对于前者来说，常规航空技术非常依赖相对浓厚的大气，但也正因为大气环境浓密，飞行阻力非常大，导致常规航空技术难以实现高超音速。对于太空环境来说，空气极端稀薄，空气阻力极低，所以卫星等航天器维持在轨状态消耗的燃料较少，可以保持航天器拥有较高寿命。但是对于夹在二者中间的临近空间来说，既无法应用传统航空技术，也无法应用传统航天技术。在过去高超音速飞行因为众多尚未完全攻关的关键技术，导致无法实现大规模商业应用，但现在相应的问题已经得到了极大改善，进而也使临近空间具备了更多的商业价值。
探空火箭：行业特点探空火箭在大气环境探测和微重力试验方面具有显著优势
探空火箭是临近空间唯一的实地探测工具，是中高层大气立体剖面探测和微重力科学实验的有效手段，目前已广泛应用于空间天气预报、中高层大气研究、临近空间环境研究、微重力条件下的材料加工、高空生物学研究等诸多领域，具有其他飞行器不可替代的优点和作用。目前国内的主要客群是从事上述领域的高校、科研院所。
探空火箭：行业规模
地球科学探测是探空火箭主要任务类型
美国NASA探空火箭计划（Sounding Rocket Program)已进展超40年，为美国的太空计划提供了重要的科学，技术和教育方面的贡献，并且是NASA最具成本效益的飞行计划之一。过去十年间NASA探空火箭计划累计发射166枚火箭，历年来发射数量虽然有波动，但总体保持稳定。从具体类型看，NASA探空火箭任务主要面向地球科学（大气环境参数探测、地球物理探测等），值得注意的是，NASA探空火箭也开始了重复使用的探索。如假设未来十年中国探空火箭市场可以达到NASA探空火箭计划相同，未来十年中国探空火箭市场规模将达到33.2亿元。
试验平台：行业特点
缺少低成本、高响应速度的飞行试验平台是行业痛点
NASA为确定某项技术成熟度提出了技术成熟度（TRL）的概念。若要进入实用化生产部署阶段，则需技术成熟度达到9级。超音速临空器及运载火箭各分系统若想达到TRL7级都需借助飞行试验平台完成真实环境验证。由于此前国内没有提供飞行试验的商业机构，因此绝大多数国内航天航空研制单位仅依赖地面试验和计算模拟，然而在进行高超音速飞行时，飞行器表面流动特性复杂，仅依赖这两种方式很难精准分析，模型参数存在较大误差。飞行试验是在真实情况下验证系统结构、气动特性、防热、制导控制等方面可靠性的唯一方案 。传统的飞行试验平台需针对客户需求的飞行高速、速度以及试验载荷进行定制化设计，往往伴有研制周期长，成本高等特点，导致行业门槛高，客户难以实现诉求，目前商业试验平台通过产品化通用设计及商业运作模型，有效解决了研制周期与成本问题，降低了行业门槛，可以更好的为各类客户进行服务。
试验平台：行业规模
航空航天试验验证市场规模有望达到154.7亿元/年
自2009年，中国航空航天制造业新产品开发经费按照年16.9%复合增长率逐年增长，推算2018年中国航空航天器制造业新产品开发经费达到386.7亿元。在项目研制中，试验验证阶段经费占比高达40%。据此推断2018年航空航天制造业新产品开发中用于试验验证阶段经费达154.7亿元。此外，飞行试验平台也可为武器装备研制提供服务。
太空旅游：行业特点
太空旅游逐渐大众化，商业运作即将到来
随着旅游业的发展，游客需求也在不断变化，拥有太空旅游动机的人越来越多。由此衍生出多种太空旅游类型和商业模式。目前全球范围提供的四种太空旅游类型中，空间站的乘坐体验最好，活动空间大，体验失重感，可尝试太空行走，但价格偏高，很难大规模推广，另外长达10天的太空生活会相对枯燥；空天往返飞行器在价格和乘坐体验方面相对折中，更容易被大众接受，但唯一的缺点是乘坐时间过短。
太空旅游：行业规模
太空旅游有望在2027年达到17亿美元规模
据《商业太空旅游市场现状与发展分析》，60％的美国人、70％的日本人和43％的德国人都希望尝试太空旅游，目前仅维珍银河一家公司已拥有约900名意向用户（支付1000美元预定费用） 。民众对太空旅游的积极性是很高，太空旅游产业隐藏着巨大商机。具体来说亚轨道旅游价格较低，更容易拓展市场。根据Report Linker预测，2027年全球亚轨道旅游市场将达到15亿美元。从定位客群角度分析，太空旅游项目经费高昂且对旅客身体素质要求很高。太空旅游市场需求者定位为高收入人群，且身体和心理素质佳的群体。
超音速客机：行业特点
制约超音速客机发展的因素已有相应解决方式
超音速客机服务于高端商务人士服务，为他们提供豪华旅行和快速旅行方案。协和号因飞机单价过高、运营效率低、噪音巨大、航程限制、政策限制等原因于2003年退役。此后超音速客机发展陷入停滞。近年来，湾流、Boom Technology、波音纷纷公布各自的超音速客机方案。其中波音公布正在研制的超音速客机方案，最高理论速度达到5马赫，能在三万米的高空飞行，飞机的容量介于公务机与中型客机之间。
超音速客机：行业规模
超音速客机将与传统客机长期并存，潜在全球市场规模918亿美元
从2010年到2019年，全球商业航空市场规模由5640亿美元，上升到8380亿美元，如果没有疫情影响，全球航空市场基本维持在8000亿美元以上的规模。2018年全球商业航空运输乘客45亿人次，根据ARK投资管理公司测算其中15%航班航程超过7小时（约6.75亿人），我们认为这部分用户是超音速客机有望争取的对象。另外根据美国交通部数据，2018年美国私人航班占据美国民航的0.4%。我们假设未来上述6.75亿人中0.04%在跨洲际旅行中会选择超音速客机，即超音速客机用户规模将达到270万人。纽约飞往日本私人飞机票价约1.8万美元，相较同航段头等舱溢价1.6万元，而仅缩短2小时飞行时间且提供更为舒适环境；未来超音速客机在提供舒适乘机环境的同时，将飞行时间缩短至原本的1/6，我们认为溢价未来超音速客机票价定为3.4万美元依然是有竞争力的。综上，我们认为未来全球超音速客机投入商业营运后市场规模将达到918亿美元。
超音速临空器企业案例
典型企业：维珍银河
维珍银河以超音速技术为核心进行多方向布局
维珍银河背靠维珍集团，主营业务是向乘客提供亚轨道太空旅行服务及向卫星运营方提供低轨道发射服务（目前仍在试验验证阶段），与此同时利用超音速研发工程经验向客户提供从研发、生产、地面试验到飞行试验全流程解决方案，此外维珍银河贡献试飞阶段载荷空间向各国家科研院所提供临近空间空间科学实验。未来将开发超音速民航客机，提供点对点洲际运输服务。截至2021年7月，太空船二号已进行多次试飞，已完成美国联邦航空局（FAA）规定的全部适航认证，进一步验证了其飞行安全性。这也标志着全球范围内首个面向商业用户的航天运载器即将开展运营。
典型企业：维珍银河
维珍银河计划2021年完成商业化飞行
维珍银河于2021年5月从美国太空港实现首次飞行，2021年7月完成满载任务(full crew)飞行，其董事长理查德·布兰森也在成员中。维珍银河发起“一小步”（One small step）计划，参与用户需要提前缴纳可退回的1000美金，锁定太空旅行优先权，截至2020年底已有900名用户参与报名。
典型企业：凌空天行
凌空天行深耕科研领域飞行验证市场，蓄力民用市场
凌空天行成立于2018年10月，核心团队成员均源自国内顶尖高超音速临近空间飞行器研发单位。凌空天行瞄准我国超音速飞行试验这一空白的市场，致力于向我国航空航天领域相关企事业单位、科研院所、高等院校提供从方案论证、试验测试、总装集成到飞行验证全流程的定制化解决方案等多方面服务。为满足客户多样化飞行验证需求，凌空天行向客户提供低成本、高响应速度的飞行试验平台。与此同时，凌空天行利用超音速领域积累的研发经验，计划开展超音速载人临空器的研发，进军太空旅游和超音速运输这两块蓝海市场。
超音速临空器发展路线
超音速临空器发展路线建议
以飞行试验为切入点，进而拓展太空旅游和超音速客机领域对于国内初创企业更为稳妥
科学试验市场相对比较稳定，民营企业进入需要依靠价格与技术优势扩展市场；飞行试验平台在国内属于增量蓝海市场且作为超音速基础应用可积累超音速关键技术，成为目前国内超音速临空器企业的主攻方向；太空旅游以载人安全作为前提，需加入逃逸救生系统，对企业的研发能力有了新的要求；超音速客机作为超音速临空器中难度最高的应用，除了对飞行安全性有极大的要求外，对于经济性和环境保护层面的要求同样极高，对于初创企业技术难度高，因此企业需要在超音速临空器领域有着较深的积累后方能尝试进入。
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