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新型飞行器中的关键力学问题丨中国学科发展战略 精选

已有 3007 次阅读 2017-12-7 09:29 |个人分类:科学书摘|系统分类:观点评述

力学一直是人类航空航天活动最重要的理论基础,任何飞行器的成功都离不开力学理论和方法的重大突破,可以说动力学催生了人类的飞天梦,流体力学拓展了时空域,而固体力学是使之得以实现的基石。人类拓展时空域的意愿和航空航天的重大需求牵引是力学学科发展最直接的驱动力,不断给力学学科提出新的要求和挑战,注入新的活力,丰富其内涵,拓展其外延。


回顾人类飞行史,在大多数时间内,力学学科都起到了主导作用。如果说航空工业是第二次工业革命的重要标志,航天工业是第三次工业革命的重要支撑,那么航空航天技术则已成为 20 世纪发展的主导科技。


钱学森先生在 1978 年全国力学规划会议上的发言中指出,“从 1910 年到 1960 年这五十年的所谓‘应用力学’的工作说起,在这个时期中,力学工作者对当时新兴的航空技术和航天技术震撼世界的成果,做出了巨大的贡献,他们是时代的英雄”“1960 年以后,力学已经从力学研究单位走出来了,到了广大工农业生产、工程技术范围中去了,力学这个行业得到大普及”。航空航天科技以基础科学和技术科学为基础,同时又汇集和开创了许多现代科学技术的新成就,是现代科学技术的结晶和高度综合集成,对人类科学和技术的整体进步有显著的牵引作用,是下一代技术革命的策源地。力学的许多理论方法变得成熟、经典,在飞行器更新换代过程中逐步由主导学科变成主要支撑学科,为航空航天科技提供必需的理论、方法和手段支撑。


在当前以信息革命为代表的新工业革命时代,航空航天工业继续发挥着重要的引领作用。进入 21 世纪以来,军用飞机不仅要求高隐身、高机动、多功能、强信息化能力,而且通过主动控制和智能化不断提高使用性能;民用飞机也对快速到达、减阻降噪、节能增效、高舒适度和高可靠性提出了更高的要求;航天器在星船弹箭基础上,对大型重型运载火箭、可重复使用天地往返运输系统、快速响应低成本进入空间、多体组合航天器、深空探测航天器、星际再入航天器等提出了新的需求;临近空间得到了充分的重视,临近空间飞行器包括可利用临近空间的各类浮力型、升力型区域持久飞行器,超声速、高超声速飞行器,以及亚轨道飞行器,为人类实现“更高、更快、更远、更长”提供了施展的舞台。


上述需求和发展态势,催生了一批新型、新概念飞行器,这些新型飞行器的提出和发展,不仅可以进一步完善现有力学学科体系,提升解决复杂问题的能力,而且为促使其理论体系发生新的重大变革提供了契机。


新型飞行器主要是指有别于传统航空、航天飞行器,或借助于新原理、新技术较传统飞行器性能有大幅度提升的航空器或航天器。这些新型飞行器给力学学科提出了新的需求和挑战,如何应对挑战,同时发挥力学学科的作用,需要从系统层面开展发展战略研究。


我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006—2020 年)》中设立了多项与航空、航天密切相关的重大专项,“航空航天重大力学问题”也被列为 18 个基础科学问题之一。


《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》,阐明了新时期的国家战略意图,明确了创新是引领发展的第一动力,发挥科技创新在全面创新中的引领作用。加快突破新一代航空航天领域核心技术成为一项重要任务。2014 年 10 月,香山科学会议在北京召开了主题为“新型航天器中的力学问题”的第 508 次学术讨论会。杜善义院士、郑晓静院士、胡海岩院士和李椿萱院士担任会议执行主席。与会专家一致认为:力学是航天器设计的基础,并贯彻于整个研发和应用过程,要想从航天大国变为航天强国,需要加强力学基础研究,发展新理论、新方法和新技术,不断提高我们解决航天工程中与力学相关问题的能力和原始创新的能力;新型航天器的发展给力学学科带来了严峻的挑战,对于这些来自工程中的挑战所蕴含的更深层次的科学问题,力学学科必须从其自身内部进行深度融合,并与其他学科交叉,应对新型航天器的发展需求和挑战,促进学科自身不断发展和完善。


在此基础上,面向更为广泛的新型航空、航天飞行器发展需求,2015 年,中国科学院数理学部由郑晓静院士牵头,成立了“新型飞行器中的关键力学问题”专题咨询项目。汇聚国内力学、航天、航空学科相关学者,结合国际空天领域发展态势、我国近中远期发展需求和重大科技体制改革的机遇,认真研讨了新型飞行器给力学学科带来的新挑战、新需求,分析了力学学科相关领域的研发进展和存在的问题,归纳总结了若干需求急迫且意义重大的力学学科相关问题,并形成专题研究报告,有针对性地提出了我国力学学科的发展建议、思路和措施,完成《中国学科发展战略·新型飞行器中的关键力学问题》书稿。


《中国学科发展战略·新型飞行器中的关键力学问题》以“新型飞行器中的关键力学问题”为主要研究内容,并不仅仅局限在固体力学,而是拓宽到整个力学学科与航空航天领域的交叉,通过需求牵引带动科学研究和学科发展,提出未来5~10 年力学学科在航空航天领域的重点发展方向。


《中国学科发展战略·新型飞行器中的关键力学问题》共十八章。


第一章“绪论”回顾了力学与航空航天不可分割的发展历史,较为全面地介绍了当今若干种重要新型飞行器(如新型运载器、新型航天器、新型航空器、临近空间飞行器等)的国内外发展态势,从空气动力学、固体力学、动力学与控制以及试验和数值模拟等方面总结了新型飞行器对力学的新需求和新挑战,并给出未来发展的思考和建议。


空气动力学一直以来被冠以“飞行器设计先行官”的重要角色,在新型飞行器的设计中其重要程度依然如此。第二章“先进战斗机气动设计的发展与挑战”详细介绍了我国最新战斗机气动设计的研发体系,并指出所面临的需求和挑战。第三章“空气动力学的新问题”探讨气体分子运动论在高超声速稀薄流动中是否适用的问题,这个问题可能会使临近空间高速飞行器的设计面临严重的不确定性。高超声速飞行器气动布局的形式和气动设计的选择所受的限制非常严格,准确的飞行器气动力热特性预测极其关键,精细的气动设计必须予以重视,为此,第四章“高超声速飞行器气动特性与湍流问题”综述了复杂多效应耦合作用、流动转捩与层流分离、飞行器气动布局与动态特性等问题的国内外研究发展态势,针对性地提出了当前面临的需求和挑战以及未来发展建议。高温真实气体效应是高超声速飞行器面临的核心关键问题之一,第五章“高超声速气动热力学问题”从物理化学机理、数值模拟方法、地面实验测试技术和热防护等方面全面论述了国内外研究现状和存在的问题,并指出若干挑战以及未来需重点发展的方向。流动控制技术是通过施加外来扰动改变流场的自然发展路径,以达到所需要的控制目的,第六章“飞行器流动控制问题”详细介绍了若干种先进流动控制技术,包括格尼襟翼、涡流发生器、仿生流动控制技术、环量控制、合成射流、等离子体激励器等主动或被动流动控制技术,并指出技术性问题、可靠性问题和工艺性问题是制约其发展的三个关键性问题。临近空间低速飞行器面临特殊的低雷诺数流动问题,第七章“飞行器低雷诺数流动问题”对此问题进行了系统介绍,并介绍了作者及其团队在这一问题上的最新研究进展。


新型飞行器的发展强烈依赖于新型推进技术的发展。第八章“新型空天推进系统中的力学问题”针对临近空间高超声速飞行器的推进系统,详细介绍了超燃冲压发动机、爆震发动机和组合循环发动机三种新型推进系统的基本工作原理以及各自面临的技术难点和挑战,并指出高超声速流动机理及控制理论、超声速燃烧机理及燃烧增强机制、超声速传热机理及先进发动机热防护方法是需要深入研究、解决的流动和燃烧的关键科学问题。未来发展建议是,建立发动机基础数据库,逐步发展模态平稳转换理论和组合发动机设计方法;充分利用并逐步发展先进光学测量技术,并将其应用于发动机流动、燃烧及传热过程的测量,同时开展发动机全机数值模拟,揭示发动机流动、燃烧和传热精细过程等。


新型飞行器的发展离不开材料和结构的发展。对新型飞行器而言,一个新的结构概念是否值得研究、一种结构设计方案能否实现服役功能,很大程度上取决于结构重量能否得到合理的控制。第九章“飞行器轻质结构力学问题”阐述了现有的结构优化设计理论,针对以可展开结构、智能结构和整体结构为代表的新概念飞行器结构,提出结构优化设计涉及的力学问题以及未来发展建议。第十章“多功能/智能材料与微系统力学问题”介绍了智能材料和结构在飞行器中的一些应用,以及涉及的多场耦合、跨尺度、大变形等力学问题,并总结了一些可应用在新型飞行器系统中的智能材料技术发展面临的问题与挑战。第十一章论述了“高温材料与结构力学问题”研究的必要性和研究发展态势,指出建立科学、有效的材料高温本构模型与强度理论是力学工作者的使命和重要任务,提出对于高温材料的研究在实验测试和理论建模方面面临的问题和挑战。第十二章“多物理化学场耦合力学问题”针对新型飞行器结构的热防护设计遇到的烧蚀与防热中的物理/化学过程多场耦合问题展开讨论,提出了防热系统设计与评估的过程中存在的力学问题。


为了保障飞行器在轨组装、运行以及执行在轨操作的顺利实施,动力学分析作为一项重要技术日益受到重视。第十三章“大尺寸航天器结构动力学问题”梳理出大型柔性附件展开动力学、充液航天器动力学、组合体柔性动力学、不确定性动力学、连接结构非线性动力学、大型动力学试验这几个发展大尺寸航天器亟须解决的动力学问题;第十四章“高超声速飞行器结构动力学问题”针对高超声速飞行器在动态载荷环境下面临的复杂结构动力学建模、结构声振耦合响应、气动弹性、热气动弹性、气动伺服弹性等动力学问题提出了未来发展建议。


高超声速风洞技术以及相应的天地实验数据关联方法是亟待解决的关键难题,第十五章“高超声速风洞气动试验数据相关理论与关联方法”详细介绍了作者及其团队对此问题的最新研究进展。在飞行器研制及产品运行过程中存在多种不确定性因素使飞行器运行时部分性能指标可能产生变化和偏移,甚至发生严重偏差而引起故障和失效,新型先进飞行器必须采用的一些新材料、结构概念使得不确定性问题更加突出,因而需要面向不确定性的、更为精准的结构分析设计方法。第十六章“验证和确认与不确定性量化问题”评述了不确定性量化的概念、表征、分析方法及应用,提出了极端服役环境下先进飞行器的结构设计对不确定量化技术带来的需求和挑战。由于已有的飞行器疲劳寿命预测模型对于未来突破性发展的飞行器结构将会遇到大量的不可预期的问题,第十七章“虚拟试验与数字孪生问题”分别阐述了复合材料结构虚拟测试方法和飞行器结构寿命预测的数字孪生方法,讨论了它们的优势以及在新型飞行器结构设计应用中面临的挑战。


最后,随着新型飞行器的不断发展,对飞行器结构越来越多的多功能要求,不断引发新的科学问题。而力学是驱动新型飞行器发展的重要动力,力学前沿研究酝酿新的飞行原理与方式,力学与材料、信息、能源、化学等不同领域的深度交叉簇生了一批崭新的研究方向,为新型飞行器的发展奠定了理论基础。第十八章“力学前沿与创新应用问题”介绍了力学的一些前沿方向在新型飞行器中应用的探索。



本文摘编自国家自然科学基金委员会、中国科学院编《中国学科发展战略·新型飞行器中的关键力学问题》前言、摘要部分。



中国学科发展战略·新型飞行器中的关键力学问题

国家自然科学基金委员会、中国科学院

责任编辑:张莉  郭学雯

ISBN 9787030545060


“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果,涉及自然科学各学科领域,是目前规模最大的学科发展战略研究项目。《中国学科反战战略·新型飞行器中的关键力学问题》系统介绍了21世纪以来国内外所提出的各种新型或新概念飞行器的背景、发展态势,重点阐述了由此对力学学科带来的新挑战、新需求,详细分析了力学学科相关领域的研发进展和存在的问题,并就目前需求迫切、学科关注的17个关键科学问题进行了详细论述。


(本期编辑:安 静)



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