近空间飞行器的关键基础科学问题重大研究计划结束

声振论坛

作者：詹世革 张攀峰
来源：自然科学基金委数理科学部

　　12月6日，国家自然科学基金委员会(以下简称基金委)审批同意“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划结束。该重大研究计划是基金委在“十一五”期间第一批启动的重大研究计划，自2007年4月正式启动后，共资助项目173项，其中培育项目135项，重点项目26项，集成项目7项，战略研究项目5项，资助总经费1.9亿元，全部资助项目已于2015年底前结题。

　　近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间，是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一，是综合国力的体现。“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划以30-70公里中层近空间的高超声速远程机动飞行器涉及的关键基础科学问题为核心，以跨学科的创新理论和源头创新方法为手段，期望在近空间飞行环境下的空气动力学、先进推进的理论和方法、超轻质材料/结构、热环境预测与热防护、高超声速飞行器智能自主控制理论和方法等方面实现跨越发展。

　　该重大研究计划实施期间，从国家重大需求和学科发展相结合出发，提出了近空间飞行环境下的空气动力学、先进推进的理论和方法、超轻质材料/结构及热环境预测与防热、高超声速飞行器智能自主控制理论和方法等四个核心科学问题。通过顶层设计、主动引导、重点布局、动态调整、集成创新、促进交叉等方法和手段，开展了系统性基础研究，在学科前沿领域创新理论和方法、技术方法的源头创新等方面取得了如下主要创新性研究成果：

　　一、提出了高超声速复杂流动新理论，提高了对多物理效应耦合作用的认识能力；发展了复杂流动的建模和数值模拟方法，建立了多项具有自主知识产权的高精度动态气动力、热测试手段。

　　二、提出了高超声速飞行器流道设计方法，深入认识了超声速燃烧机制，获得了有效的稳定控制方法；填补了燃料基础研究的空白，提高了推进与机体一体化设计能力，有力地支撑了我国高超声速飞行试验平台的研发。

　　三、揭示了超高温防热材料响应机理、多种失效模式及其机制，建立了轻质化材料和结构一体化设计和层级结构优化理论；系统发展了多场耦合高温实验方法与在线信息获取技术；在热防护材料及其涂层性能表征方法方面发表了引起国际关注的高水平文章，突破了超燃发动机陶瓷基复合材料体系与高导热复合材料体系的技术方法瓶颈。

　　四、提出了高超声速飞行器精细姿态控制系统、多通道协调控制系统设计新概念和新方法，并成功指导了工程应用；建立了飞行器动力学建模、飞行姿态/气动力耦合建模新方法，提出在线辨识自适应结构滤波的主动控制律设计方法；建立了高超声速热气动弹性颤振控制方法。

　　在该重大研究计划资助下，研究人员发表SCI检索论文1381篇、EI检索论文895篇，在国际重要学术会议作特邀报告150次、国内重要学术会议作特邀报告192次；授权发明专利270项；研究成果支撑获得国家自然科学奖二等奖9项、国家技术发明将二等奖4项，国际学术奖4项，省部级科学技术奖一等奖12项、二等奖10项。同时，为我国高超声速飞行器研究凝聚和培养了一批优秀人才和创新团队，研究团队在计划执行期间6人入选长江学者特聘教授，7人获得国家杰出青年科学基金资助，9人获得优秀青年科学基金资助，10人获得教育部新世纪人才基金资助。近50名中青年学者已经成长为我国高超声速飞行器基础研究和关键技术攻关的中坚力量，并形成了30余个多学科交叉、创新能力强的研究团队，成为我国系统性研究高超声速飞行器关键科学问题和促进成果转化的中坚力量。

　　评估专家组认为，该重大研究计划的实施，使得我国在近空间高超声速飞行器研究领域构建了具有中国特色的高超声速飞行器的基础研究框架，全面提升了核心科学问题的研究能力，填补多项理论与技术方法的国内空白，有力支撑了国家重大工程关键技术的突破，综合研究水平已跻身国际前列，实现了跨越式发展。

　　该重大研究计划指导专家组提出，结合国内外近空间高超声速技术发展现状与趋势，国家重大需求和学科发展需求，以及重大研究计划所取得的发展态势，今后的研究工作应重点关注提高对高超声速飞行所带来的特殊物理效应的认识和把控能力，关键是“高能量”、“极端热”带来气动、推进、材料和控制等多学科领域的一系列问题和挑战。同时还要促进学科交叉，提升综合研究能力，发展近非扰动、耐极端环境的高超声速地面和飞行试验中关键物理现象的诊断器件和试验技术，不断提升多学科优化和控制方法，持续强调不确定性量化（UQ）和验证与确认（V&V）的作用，提出明确科学实验目标的飞行试验和有效载荷设计方案。

图1 高温气动热环境下材料耐烧蚀测试

图2 超燃冲压发动机燃烧纳米粒子激光散射显示