在探索宇宙的历程中，“航空”和“航天”是两个经常被提及的学术用语。相应地，人们也常常遇到“航空飞行器”和“航天飞行器”两个术语，它们常常被简称为“航空器”和“航天器”。虽然在日常语境中，航空和航天有时被交替使用，但实际上它们指的是飞行的两个不同的概念。今天，让我们一起来揭秘这两个概念的内涵：了解它们运行空域的分界线以及由来，介绍它们的种种区别。

图1 典型的航空飞行器（图片来源：网络）

图2 典型的航天飞行器（图片来源：网络）

1.大气层的划分

在了解“航空”和“航天”的区别之前，我们先来了解一下大气层。这里的“大气层”（也称作“大气圈”）是一个气象学的专业术语，是指由于重力作用而围绕着地球的一层混合气体。这一层气体主要由氮气（占78.1%）、氧气（20.9%）以及少量的其他气体（如二氧化碳、氩气、水蒸气等）组成，这个混合气体被称为“空气”。大气层的空气密度随高度的增加而减小，高度越高空气越稀薄。严格地讲，大气层并没有确切的上界。大气层的存在，对地球生物的生存和地球气候的形成起着至关重要的作用。

大气层按不同划分规则又可以进一步划分为若干个子层。如果按照温度结构为例来划分，那么大气层可以分为五个子层：对流层、平流层、中间层、热层和散逸层。不同的飞行器在不同的子层中运行活动（参见图3所示）。

图3 飞行器空间活动范畴示意（图片来源：网络）

具体来讲，“对流层”是大气层中最靠近地面而且密度最高的一层，平均厚度为12千米，其中温度分布是下热上冷，气流既有水平方向的也有垂直方向的。我们所熟知的自然现象——云、雨、雾、雪都发生在对流层内。对流层顶向上延伸约50千米的区域为“平流层”。平流层的温度呈现上热下冷的特点，因此空气在垂直方向上的运动较弱，这就导致平流层气流平稳，空气主要在水平方向上流动，几乎没有上下对流，目前大型客机大多在平流层飞行。平流层上方的区域为“中间层”，中间层大致延伸至90千米左右的高度。在中间层里，温度的变化主要受氧和二氧化碳分子的影响，二者的平衡决定了中间层的温度。中间层顶往上是“热层”，热层则延伸至600千米以上。国际空间站和天宫空间站都位于热层中，短程弹道导弹和部分中程弹道导弹也会穿过热层。热层以上至2000-3000千米为“外逸层”。外逸层顶就可以被认为是整个大气层的上边界了。

2.“航空”与“航天”两个空域的分界线——卡门线

20世纪30年代，匈牙利裔美国科学家西奥多·冯·卡门通过计算提出，在约38千米高度处，空气动力升力足以承载飞行器98%的重量；然而到90千米高度时，也就是热层底部的附近，由于空气过于稀薄，不再能提供足够的空气动力升力了。此后，有人提议将这个高度作为航空与航天两个空域的分界线，它得到了国际航空联合会FAI的认可，从此“卡门线”便成为了广泛使用的空天分界线。考虑到卡门的计算结果会由于时间、地点等因素而产生微小的变化，并为了在实际中方便使用，最终“卡门线”被定义在距地面100千米高度处。

在谈及航空和航天的时候，人们总会听到这样两个名字：冯·卡门和钱学森。冯·卡门大师是我国著名科学家钱学森先生在美国攻读研究生时期的导师。钱先生在1935年通过考试取得庚款“庚子赔款”奖学金赴美国留学，在麻省理工学院获得硕士学位后，便到加州理工学院继续深造，师从冯·卡门。毕业后基本上留在加州理工从事研究工作直到1955年回国，与导师共事将近20年之久。在20世纪60年代出版的自传中，冯·卡门还清晰地回忆起和钱学森第一次见面的情景：“我抬起头来，对面前这个身材不高、神情严肃的青年打量了一下，然后向他提出了几个问题。所有问题他回答得都异常正确。顷刻之间，我就为他的才思敏捷所打动。”在这本自传中，冯·卡门专门用一章的篇幅来写钱学森——“红色中国的钱学森博士”，足见他对这名中国弟子的认可和情义。我们要记住这两位科学大家为航空航天事业做出的杰出贡献。

图4 钱学森（左）和他的导师冯·卡门（右）（图片来源：网络）

3.“航空”与“航天”的区别

3.1飞行环境不同

所有航空器都是在稠密大气层中飞行的，而且工作高度相对有限。因为升力的产生主要借助于作用于航空器上下表面的空气压力差，大气层的空气密度随着高度的增加而下降，从而导致压差的减小。现代飞机的最大飞行高度通常不超过地面30千米。即使未来飞机能够提高飞行高度，仍无法摆脱稠密大气层的限制，一般不会超过前面提到的“卡门线”。相对而言，航天器可以冲出稠密大气层，在近似真空的宇宙空间中运行。此时，它们像自然天体一样在特定的轨道上运动，依靠离心力来支撑重量。一般而言，航天器的运行轨道的近地点高度应在100千米以上。如果航天器像航空器一样在低于100千米的大气层中飞行，那么空气的阻力会要求耗费更多的能量，否则它无法维持在预定轨道上的运行。

近年来，科学家开始关注地面之上的又一个空域——临近空间。它是指高程在20千米到100千米之间的飞行廊道。在临近空间中持续运行的飞行器包括亚轨道飞行器、高超声速巡航飞行器以及平流层飞艇、高空气球、太阳能无人机等，具有一般航空航天飞行器所不具有的优势，特别是快速响应、超强突防、灵活机动等特点，因而在通信保障、情报收集、电子压制、监视预警、民用等方面均有发展潜力。

图5 临近空间空域示意（图片来源：网络）

3.2动力装置不同

航空器采用航空发动机提供推力，它们多是吸气式的，就是吸收空气中的氧气作为氧化剂，和本身所携带的燃料发生燃烧反应从而产生推力。航天器的发射和运行则是运用火箭发动机来提供推力，它既带燃烧剂又带氧化剂。吸气发动机离开空气就无法工作，而火箭发动机可以在没有空气的太空中工作。

图6 航空发动机在工作中（图片来源：网络）【动图3】

图7 火箭发动机在工作中（图片来源：网络）【动图4】

吸气式航空发动机（包括燃烧剂箱）通常安装在飞机内部，可以随同飞机多次使用。但是，发射航天器的运载火箭目前较多都是一次性使用，因而其中安装的火箭发动机也随之废弃了。然而因此，研制可重复使用的火箭一直是航天人的追求。例如，20世纪80年代美国的航天飞机所携带的固体助推器可以回收并重复使用20次，而液体火箭发动机可以重复使用50次。21世纪以来，美国、中国等航天大国更是大量投入研发可重复使用火箭。美国马斯克的猎鹰9号已经实现了数十次海上回收并在2021年发射了世界第一枚一箭十飞十回收火箭。中国的长征火箭CZ-8R号也预定在2025年实现回收复用的突破，和猎鹰9号只回收芯一级发动机不同，CZ-8R的方案是实现火箭（包括助推器）整体回收。

3.3飞行速度不同

现代飞机最快速度也就是声速的三倍多，而且都是军用飞机。目前正在使用的民用客机，都是以亚声速飞行的。航天器则是以非常高的速度在太空运行的。例如，在距地面600千米高空的圆形轨道上运行的航天器，其速度是声速的22倍。这里的缘由如前文中所提到的那样：航天器是像自然天体那样在特定的轨道上运行的，它们在火箭推动下入轨，然后在地球的有心力场作用下绕飞。依照力学原理不难推算出这个轨道运行的切向速度。

3.4 飞行轨迹不同

航空器可以完成机动飞行，就是说，它可以通过驾驶员操纵翼面或舵面来改变飞行轨迹，可以爬升、下滑或者转弯。甚至现在还有一种推力矢量技术（它可以改变推力的方向），把一部分推力变为操纵力，这样就大大增加了机动性。但是，航天器的飞行轨道则基本固定，由入轨状态（速度，高度）确定，当然所携带姿态控制发动机的火箭的姿态火箭可以做功，但多数只是微调而已。

3.5乘员感受不同

正因为如此，所有航天器正常运行时都处于失重状态。若长期在太空中，乘员会产生失重生理效应，并影响健康。相比之下，飞机乘员除了起飞降落或气流紊乱导致的机身颠簸等而造成的短暂不适外，没有失重等类型的严重问题，一般人买票即可乘坐。所以航天员与飞机驾驶员比较起来，选拔和训练要严格得多。，即使是花重金到太空遨游的非专业乘客，也必须通过一定的专门培训。

图8 各国空天飞机概念图（图片来源：网络）

总之，航空和航天虽然在名称上相似，但它们在很多方面却存在着区别。但是然而，随着科学技术的进步，两者之间的界限可能会逐渐模糊。例如，空天飞机的概念就是将航空和航天技术结合起来，实现在大气层内外都能飞行的愿景。图8给出一些有关空天飞机的概念图，包括美国（USA）、英国（UK）、德国（Germany）和印度（India）等国的设计。然而，目前来说，了解和区分这两个概念对于我们认识人类的飞行历史和未来空天飞机的探索都是至关重要的。

参考文献

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