中国学科发展战略 新型飞行器中的关键力学问题

　　“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，是目前规模较大的学科发展战略研究项目。
: B: T, Z# G5 j& K$ H　　《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。
　　目录
　　总序 i
$ C! _5 q5 x1 X' `6 D　　前言 vii
　　摘要 xi
2 Q1 P  x( r) t1 p+ p　　Abstract xv
' r2 D* w3 D0 g% A, s- ~　　第一章 绪论 1
! H, ~$ V7 k9 a　　第一节 力学与航空航天 1
　　第二节 新型飞行器发展态势 3
　　一、国际上新型飞行器发展态势 3
; ~" s. Z- @4 z' |" ^　　二、我国新型飞行器发展态势与任务使命 21
　　第三节 新型飞行器对力学的新需求和新挑战 22
　　一、空气动力学 23
　　二、固体力学 25
/ O  ^3 Y6 C% g, I/ q) K/ z& A$ U　　三、动力学与控制 26
5 t+ \3 U' V) u7 r8 b4 F6 X6 u3 R　　四、试验与数值模拟 26
6 F% s/ E5 _! S9 m: u0 }: `　　第四节 未来发展思考和建议 27
/ S1 r' y& F1 `- m0 B　　参考文献 28
. I. l/ L' }0 u9 z/ D+ O6 K' y0 g5 a　　第二章 先进战斗机气动设计的发展与挑战 30
' v$ L: r4 C% H- m7 e6 X% B# o1 t　　第一节 引言 30
- ~4 M$ X' _9 o　　第二节 目前气动设计的研发体系 31
　　一、气动设计的任务和手段 31
　　二、CFD的发展 34
　　三、风洞试验的创新 36
　　第三节 当前面临的需求与挑战 37
. Z2 V1 G6 r+ b4 h- M4 ]2 z- n　　一、气动与“X”综合优化设计 37
　　二、精益敏捷的气动设计流程提升 38
" }3 \9 D$ [& F1 f' c　　三、减阻设计和阻力的精确确定 39
1 Q! u9 C: w0 F* F; V  ?　　四、非定常气动力 40
　　五、流动控制技术 41
　　第四节 结束语 42
　　参考文献 42
　　第三章 空气动力学的新问题 43
　　第一节 引言 43
8 S5 \2 c7 t% d　　第二节 为什么会有新问题 44
: q2 ^9 F8 J1 {) Z+ d1 X1 m* d8 C　　第三节 新问题是什么 48
1 U! L" s& w7 Z　　参考文献 49
　　第四章 高超声速飞行器气动特性与湍流问题 50
" @0 j3 X! u- a% @: @　　第一节 问题提出 50
1 J- C' X% q  Q1 _2 e　　第二节 相关研究发展态势 52
　　一、复杂多效应耦合作用 52
$ b1 @& ~7 F2 O6 A( x1 ?　　二、流动转捩与层流分离问题 57
1 q& y8 {$ D% N4 ~# g* W　　三、飞行器气动布局与动态特性 59
　　第三节 当前面临的需求和挑战 62
　　第四节 未来发展建议 64
　　参考文献 65
　　第五章 高超声速气动热力学问题 67
7 H% f9 s4 _5 D  B　　第一节 背景需求 67
　　一、发展大气层内高速飞行器的需求 70
　　二、可重复使用天地往返运输系统的需求 71
　　三、载人航天和深空探测未来发展的需求 72
( ^8 D1 P/ N) F8 x* V! g　　第二节 国外研究现状和发展态势 73
　　第三节 国内研究现状和发展态势 75
; B! x, @6 k  v. @4 r& \' t& H* g　　第四节 关键问题和挑战 76
2 ?6 ~, k1 ^; J: f  ~- Y　　一、高温气体与非平衡效应及其建模 76
　　二、非平衡流场的地面模拟与流场重构 77
　　三、气动热环境与材料表面的多物理场/多尺度耦合作用机制 79
　　第五节 未来发展重点与建议 84
% d3 r8 |3 d+ s. u& m& e　　参考文献 86
; u1 h6 T6 V* C4 [4 |) c) i　　第六章 飞行器流动控制问题 87
; V8 N+ g3 z3 @: \: _4 r' W/ V　　第一节 问题提出 87
) ]6 C, l/ z$ R0 n0 n* D8 A& K　　第二节 相关研究发展态势 88
# w$ R' [: g1 @+ V2 c　　一、格尼襟翼 88
　　二、涡流发生器 89
- }/ Y4 T6 r1 n1 v. A) T" z　　三、仿生流动控制技术 90
　　四、环量控制 91
) Q% [! |7 q7 `( S' W7 {7 A, R　　五、合成射流 92
( T: j+ u, a! s　　六、等离子体激励器 93
　　第三节 当前面临的需求与挑战 94
- W& j8 c( [+ T" Z$ T- z6 R: s3 x! ~　　一、技术性问题 94
　　二、可靠性问题 95
; {9 Y, P- \: C8 y- Y$ j; {　　三、工艺性问题 95
　　第四节 未来发展建议 96
　　一、先进实验技术及数值方法研究 96
　　二、流动控制基础研究 96
　　三、流动控制应用研究 96
　　四、流动控制新方法研究 97
　　五、飞行器总体及流动控制应用一体化设计研究 97
　　六、发展路径及可行性分析 97
& F1 z: j5 P. `  F6 \( s4 D　　参考文献 97
- z4 F" E4 _7 g$ N% ?( w, i　　第七章 飞行器低雷诺数流动问题 99
　　第一节 问题提出 99
; V8 i/ |, d& w- y' N　　第二节 相关研究发展态势 100
　　一、经典层流分离泡理论及相关的新发现 101
! T$ B( n' ~7 ^8 ~　　二、低雷诺数气动特性的非线性特征 105
　　三、低雷诺数流动的数值模拟和风洞试验 107
1 S4 H6 [, c4 ?0 L: j　　四、低雷诺数流动三维效应 111
# `0 {$ L5 b/ o' v# c  z　　第三节 当前面临的需求和挑战 112
　　一、低雷诺数效应对飞行器性能的影响 112
; a7 F4 d9 ^# K# Z. Y$ N　　二、低雷诺数气动特性预测精度 113
　　三、低雷诺数流动机理、演化规律及低雷诺数效应的有效抑制 114
8 G! X# X+ Y. M" ]/ U$ V　　四、低雷诺数飞行器伴随的飞行力学响应和气动弹性问题 115
9 @* w' `+ t! S6 B　　参考文献 116
7 u/ b6 C0 G3 z4 b8 g　　第八章 新型空天推进系统中的力学问题 118
　　第一节 问题提出 118
1 _) c: w' G" E# }　　第二节 相关研究发展态势 119
　　一、新型推进系统基本原理 119
! }: s- b' x4 U' p　　二、高超声速流动机理及控制理论研究 123
　　三、超声速燃烧机理及燃烧增强机制研究 125
" r4 i" ?  G6 c$ z0 w9 K/ \　　四、超声速传热机理及先进发动机热防护方法研究 128
8 a+ D+ `4 d+ b$ j: `4 x# ?　　第三节 当前面临的需求与挑战 130
　　一、超燃冲压发动机 130
　　二、爆震发动机 131
9 S% y4 D0 r5 D, P　　三、组合循环发动机 132
  T) x' }( w8 Z2 v8 v) p　　第四节 未来发展建议 133
　　参考文献 134
　　第九章 飞行器轻质结构力学问题 135
　　第一节 问题提出 135
　　第二节 新概念飞行器结构优化设计理论 136
% z$ i3 c7 k! }* Z- Z- O8 U6 E　　一、新一代结构拓扑优化理论与方法 136
* m3 ?* S' ~8 s8 g% `; b9 D　　二、多目标多约束近似模型的优化理论与方法 137
6 m0 A/ z- G! k% F5 \4 R　　三、飞行器非确定性结构优化设计理论与方法 137
8 {" ^' ?4 c2 z6 e3 S) C2 J2 R　　四、面向考虑制造特征的飞行器结构优化理论与方法 137
　　第三节 新概念飞行器结构力学 138
; H0 o2 h! B2 E5 n' i6 b　　一、可展开结构力学性能分析与设计 138
　　二、智能结构力学性能分析与设计 139
　　三、整体结构力学性能分析与设计 139
　　四、考虑集中力扩散的结构力学性能分析与设计 140
　　第四节 未来发展建议 140
# o# ~; t: m4 t0 _　　参考文献 141
　　第十章 多功能/智能材料与微系统力学问题 143
& ^0 x1 ?/ g. W3 V# j　　第一节 问题提出 143
　　第二节 相关研究发展态势 145
　　一、基于压电材料的振动控制系统 145
' k; A% k; ?. t8 T- Y" Y& C3 ?　　二、自给、自感知与自适应智能微系统 146
　　三、植物物质运输多功能系统与仿真系统 147
$ s* g# a4 {9 a( V8 X4 i　　四、自愈合材料与微系统 148
　　五、基于柔性介电弹性体材料的变形结构 149
　　六、基于智能材料的变体飞行器结构 150
7 g* C7 C9 `. t! q; m' N　　七、基于高应变聚合物复合材料的空间可展开结构 151
  N9 w9 R+ I5 l* L1 _5 m" N　　八、基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构 152
　　九、力学相关方向发展态势 153
　　第三节 当前面临的需求与挑战 156
　　一、主动大变形纤维增强复合材料的力学行为 156
　　二、变形/承载一体化、变刚度的多功能材料技术 157
: k7 U2 t6 D% d3 _　　三、多物理场耦合作用条件下的多功能材料力学行为 157
3 O5 }! f. K4 q: Z　　四、轻质/大输出力的驱动材料及其器件技术 158
/ S# X9 |3 ?$ I3 A9 F7 ]　　第四节 未来发展建议 158
( H2 t- A7 @2 }　　一、自感知、自适应多功能材料与微系统的设计与研制 159
! G' g# @, |# F7 r3 G( V　　二、主动大变形复合材料及其结构的力学行为研究 159
　　三、多功能材料与微系统多场耦合条件下的本构理论研究 160
　　四、多功能材料与微系统的结构力学性能和失效行为表征 160
　　参考文献 161
　　第十一章 高温材料与结构力学问题 162
0 K% V+ a3 [( K7 Y! S7 k% S8 s　　第一节 问题提出 162
　　第二节 相关研究发展态势 164
　　第三节 当前面临的需求与挑战 169
. n' f9 f6 j6 L5 X: T# _; q6 I$ ?　　一、高温性能测试与表征技术的局限性 169
5 ?/ H: m" x4 i( r- w; X5 h　　二、高温材料体系的复杂性 170
　　三、高温本构关系与强度理论的挑战性 170
　　四、材料高温行为研究的多学科性 171
* E7 Y/ C9 e. F6 j6 j1 y6 w　　第四节 未来发展建议 171
& X, O; L, Z+ I  K; j1 P" G　　参考文献 172
% ?7 f0 m% ~: H　　第十二章 多物理化学场耦合力学问题 173
　　第一节 问题提出 173
　　第二节 相关研究发展态势 174
　　一、体烧蚀问题日益受到重视 175
9 `0 d3 S& b- F3 s1 k  O　　二、局部细观烧蚀与氧化损伤受到广泛关注 176
/ n) x! \) Y# G8 h) ^6 a, z7 t. I  A　　三、烧蚀过程的多物理机制耦合现象凸显 178
　　四、非平衡烧蚀及非空气介质烧蚀在防热分析中的重要性提高 179
　　五、力/热/氧综合考核及多变量测试技术需求明显 180
　　第三节 当前面临的需求与挑战 181
" U. m" l+ l3 O0 S/ F　　一、高声速飞行器不同气动加热环境下材料耐热极限的确定与准确预示 181
　　二、防热材料与结构向轻质、薄层、高可靠方向发展，但现有研究基础仍难以对材料的工艺改进做出有效支撑 182
/ C: t7 M0 J0 p7 e5 F　　三、化学动力学基本参数及烧蚀传热中的基础物性参数缺乏 182
　　四、可用于基础研究表征物理/化学反应耦合现象的实验与测试手段不足 183
　　第四节 未来发展建议 183
% E& }. G- |( ~' |8 J/ ~　　一、复杂组分与复杂形态化学反应特性与宏观烧蚀建模研究 183
5 O: e! L2 [; |! `' o! u! F* j　　二、材料细观烧蚀原理与建模研究 183
  }0 Q7 S0 v7 T" l　　三、材料体烧蚀原理与建模研究 184
　　四、非稳态流动、燃烧与非附着流动的烧蚀建模问题 184
　　五、材料氧化、流失、内部热解过程等与气体流动的综合建模与模拟 184
/ r( X! [! O: F% L! D　　六、烧蚀建模及理论预测的不确定度研究 185
9 o9 J6 W( N. z8 y, P, p　　七、复杂力/热加载条件的地面模拟再现试验与测试技术 185
　　参考文献 185
  a& X/ {6 c3 J4 s　　第十三章 大尺寸航天器结构动力学问题 187
　　第一节 问题提出 187
+ c! Y, Y. x9 ]+ P　　第二节 相关研究发展态势 190
　　一、柔性附件展开动力学 190
　　二、充液航天器动力学 191
+ F2 X4 V9 u- Q& p4 K, E# s7 t9 d　　三、组合体柔性动力学 192
　　四、不确定性动力学 193
　　五、连接结构非线性动力学 194
　　六、大型动力学试验 195
　　第三节 当前面临的需求与挑战 196
　　一、充液航天器动力学 196
$ C$ g+ S; m% t. g　　二、组合体柔性动力学 196
8 O' [: r3 V; H9 D# Y, I　　三、不确定性动力学 197
　　四、连接结构非线性动力学 197
　　五、大型动力学试验 197
6 o$ G, K( ?% A　　第四节 未来发展建议 197
　　参考文献 198
　　第十四章 高超声速飞行器结构动力学问题 200
. f1 A* F5 Y" A　　第一节 问题提出 200
　　第二节 飞行器动态载荷环境特征 202
　　一、飞行器载荷量级高 202
) j; n5 @% |/ T. J1 `1 ]: Y. Y　　二、气动热环境严酷 203
　　三、多次、重复载荷环境 204
. R7 v( L) o' K: u) Q! t& N　　第三节 当前面临的需求与挑战 204
　　一、大型复杂结构动力学建模与仿真 205
6 v! l. Y& W, {　　二、结构声振耦合响应分析问题 205
　　三、高超声速飞行器气动弹性与热气动弹性问题 205
　　四、高超声速飞行器气动伺服弹性与热气动伺服弹性问题 206
　　五、热防护结构/热结构损伤与寿命评估问题 206
5 E& F. j  @( v) u; w* ?3 M　　六、飞行器高温动力学响应分析问题 207
: S$ `: c: _# V/ X　　七、飞行器力热复合试验技术问题 208
5 t! g" F+ u4 u& D　　第四节 未来发展建议 208
( ?- a1 h- E/ N4 m　　参考文献 209
　　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 210
　　第一节 问题提出 210
　　第二节 风洞数据相关性研究进展 212
　　一、高超声速风洞实验技术发展 212
　　二、气动力关联方法研究进展 214
- K: O' d1 Z) ]2 R　　三、气动热关联方法研究进展 215
! Y# k( O3 T& U, z! S　　第三节 风洞实验数据多空间相关理论 217
- U! \6 h% W" Z2 [. T& J　　第四节 泛函优化数据关联方法 219
- l3 U$ N8 g: h! r7 m' |0 k　　第五节 相关理论和关联方法的验证与应用 221
　　第六节 当前面临的需求和挑战 227
' E. u# ]' o! G2 B3 D　　第七节 未来发展建议 228
! m1 J  s4 x$ _, S: M6 l　　参考文献 229
* d1 ?) r% V% t: g7 @, u6 n　　第十六章 验证和确认与不确定性量化问题 231
　　第一节 问题提出 231
　　第二节 相关研究发展态势 233
　　一、建模与模拟的验证与确认方法论 233
　　二、模型验证与确认在飞行器结构分析中的应用 235
　　三、基于非确定性的结构设计 238
! n9 C& U  j9 y, N4 @　　四、不确定性量化方法 239
; l) J1 ~& u, V　　第三节 当前面临的需求与挑战 242
　　一、复杂环境下先进飞行器系统不确定源辨识及表征 242
　　二、模型确认方法需要进一步发展与完善 243
: x6 N/ ~2 A8 h( d, h, _9 \: l8 \( D　　三、先进飞行器系统高效不确定多学科优化设计 244
# \" k% }/ G# Z" w( u5 a! S0 F　　四、试验能力与成本限制带来的挑战 244
( Y4 y2 \2 a$ [; F1 F# J; F　　第四节 未来发展建议 245
( N8 J( q& i; N0 g  Q　　参考文献 247
* J9 l3 v* ~1 O* B　　第十七章 虚拟试验与数字孪生问题 249
　　第一节 问题提出 249
　　第二节 相关研
3 I+ L  l' |# y" q' H8 ], Q　　精彩书摘
* n: C# X" Q# V# J8 V) z　　《中国学科发展战略·新型飞行器的关键力学问题》：
; `0 }- W7 q0 x　　第一章 绪论
　　第一节 力学与航空航天
$ ~" D6 A. i  A. c  X　　力学是关于力、运动及其关系的科学，研究介质运动、变形、流动的宏、微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验，自阿基米德奠定了静力学基础以来，在一千多年的发展历程中，形成了以“牛顿力学”“连续介质力学”为代表的严密、成熟的理论体系，及“实验观测”“力学建模”“理论分析”“数值计算”相结合的研究方法。在实验和假设基础之上，通过精妙的力学建模和推理过程建立理论，用严格而理性的数学思维描绘复杂物质世界的现象，进而深化对实际问题中基本规律的认识；应用理论和实验相结合的方法，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决自然科学和工程技术中的关键科学问题。20世纪以来，力学进入了以应用力学为重要标志的蓬勃发展新阶段，它不仅遍及各个工程领域，而且对科学技术进步、社会经济发展起到了难以估量的促进作用。在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快速发展，不断提升模型的描述和预测能力，积极谋求与其他学科进行交叉创新（国家自然科学基金委员会，中国科学院，2012）。
　　人类追求飞天梦想的历程与力学学科密切相关，它们相互依赖、相互促进、相辅相成。首先，力学是支撑航空航天技术发展最重要的基础学科，任何一个空天飞行器概念，无不以力学重大理论和方法的突破为基础而提出，并得以实现。同时，力学学科的理论和方法贯穿于所有飞行器设计、研制、试验和应用的各个环节，为解决诸多技术和工程问题提供了最有效的手段，这些问题和需求也是力学学科不断发展、完善、拓展的最大驱动力。一大批广为人知的力学家，如开普勒、牛顿、胡克、拉格朗日、柯西、纳维、斯托克斯、普朗克、米塞斯、格里菲斯、齐奥尔科夫斯基、冯 卡门、钱学森等，为拓展人类时空利用能力做出了不可磨灭的贡献。1686年，牛顿完成了科学史上最伟大的著作之一《自然哲学的数学原理》，从力学的基本概念和基本定律出发，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，这是所有飞行力学的根源，也是人类能够摆脱地球引力，进入太空，实现轨道飞行最根本的依据。1755年欧拉（Euler）得出了描述无黏性流体运动的微分方程。19世纪上半叶法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程，即著名的N-S方程，构成了经典流体力学的基础。1883年，齐奥尔科夫斯基提出利用反作用装置作为太空旅行工具的推进动力，他对这种火箭动力的定性解释是，火箭运动的理论基础是牛顿第三定律和能量守恒定律；1903年发表了论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思和原理图。1919年，罗伯特 戈达德发表经典论文《到达极高空的方法》，开创了人类航天飞行时代。
1 v9 `6 z1 b4 j+ ~3 q　　“从1910年到1960年这五十年，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”（钱学森，1979）。普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计的基础，使重于空气的飞行器飞行成为现实，极大地推进了空气动力学的发展；冯 卡门发现了一个叫作形状阻力的阻力源，被定名为“卡门涡街”，成为飞机、船舶和赛车设计的理论基础；20世纪40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨声速面积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破了“声障”，实现了跨声速和超声速飞行。流体力学和热力学的结合产生了高超声速空气动力学，20世纪50年代到60年代初，确立了高超声速无黏流理论和气动力的工程计算方法，推动了远程导弹和人造卫星的发展。钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念，1943年，与他人合作发表《远程火箭的评论与初步分析》，奠定了地地导弹和探空火箭的理论基础；1949年提出了“助推-滑翔”弹道和高超声速火箭飞机设想。
. z+ ~+ \* [3 Q. c0 T　　如果说动力学催生了人类的飞天梦，流体力学拓展了时空域，那么固体力学是使之得以实现的基石。从古老的材料力学、弹性力学，到伴随航空航天需求发展的塑性力学、断裂力学，再到体系完善的连续介质力学和功能强大的有限元方法，均为轻质、高效、可靠的飞行器结构设计和研制提供了最有效的手段。
/ v; B6 A  t1 ]$ w- r　　航空航天技术是20世纪人类在认识自然和改造自然的过程中最活跃、发展最迅速、对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志。迄今的航空航天活动，虽然还只是人类离开地球这个摇篮的最初几步，但它的作用已远超出科学技术领域，对政治、经济、军事以至人类社会生活都产生了广泛而深远的影响。
7 b4 |" W( u" ], n9 A" Y( ^0 _　　第二节 新型飞行器发展态势
4 S7 l/ T4 J; q　　航空航天技术是高度综合的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取力学、物理、数学、化学等诸多基础科学和其他应用科学领域的最新成就，高度综合、运用了材料、能源、制造、信息、控制等科技的最新成果。上述科学技术在航空航天领域的需求牵引和应用中相互交叉、渗透，又产生了一些新的学科，并在航空航天技术的推动下发展提高。进入21世纪，航空航天工业呈现空前辉煌的局面，人类已经踏上了火星表面，也飞过了太阳系的边缘，利用各类航空器实现了地球各个角落的快捷、便利、可靠到达。同时，在人类征服时空、拓展时空、利用时空的强烈愿景下，在技术进步、需求牵引的双力驱动下，催生了诸多采用新概念、新原理、新技术、新方法的新型飞行器，它们或有别于传统航空、航天飞行器，或较传统飞行器的性能有大幅度提升。
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