1.1.3　综合集成与学科交叉情况

当前科学研究出现了从高度分化走向交叉综合的发展趋势。近空间飞行器是一个由多个子系统组成的复杂系统，不同学科和子系统间存在强耦合。多学科交叉和一体化是其突出的特点。如果不采取多学科交叉与融合的研究途径，便难以实现理论和方法的突破，更不能获得创新的技术方法。本重大研究计划由数理科学部牵头，联合工程与材料科学部和信息科学部组织实施，促进力学、物理、化学、数学、材料科学、信息科学等相关基础学科的交叉与融合。

具体学科交叉情况体现在不同层面上：一是在核心科学问题的层面上，通过多学科交叉取得了重要的研究成果；二是强调核心科学问题之间的交叉与融合，为解决子系统中的重大科学问题起到了重要支撑作用；三是集成项目的设立和实施更是强调大学科成果的交叉融合，达到集成升华的目的，为关键科学问题的解决奠定了坚实的基础。

（1）核心科学问题主要研究方向的多学科交叉

本重大研究计划确定的四个核心科学问题，在学科上属于气动、推进、材料与结构以及控制的大学科范畴。但其中每一个研究方向成果都体现了多学科交叉与结合的作用。在本重大研究计划的引导和支持下，有相当一部分培育项目和重点支持项目在实施及完成的过程中体现了该交叉与结合的研究思想。例如：“非一致边缘钝化对乘波构型气动力/热影响的基础问题研究”“近空间高超声速飞行器防热减阻一体化新概念研究”“高超声速飞行器减阻新方法研究”等项目通过气动力、气动热、物理学、热防护和高温材料等多学科交叉，为解决乘波构型优异的气动性能与尖锐边缘的矛盾问题、实现减阻/降热一体化提供了创新思路；“高超声速气流新概念压缩系统研究”项目通过推进和空气动力学的交叉，提出了高效的新型弯曲激波压缩系统；“超燃冲压发动机凹腔火焰稳定器多孔发汗冷却机理研究”项目涉及气动、燃烧、材料、工程热物理等多学科交叉，增进了对含多孔发汗流的凹腔火焰稳定器流动、燃烧、传热过程与机理的理解，为超燃冲压发动机热防护设计提供理论指导；“能源内置无工质微波推进的理论和实验研究”和“磁流体超燃冲压发动机技术研究”项目通过推进、微波、等离子物理等多学科交叉，为探索新型推进方法提供了有效的技术途径；“热冲击条件下超高温陶瓷ZrB2-SiC的强韧化机制研究”项目通过力学、材料学、物理学、仿生学等多学科交叉，揭示了热震导致超高温陶瓷残余强度的突降机制，通过借鉴生物复合材料构造规律来改变和优化防热材料的微结构，有效地克服了陶瓷热震失效，从而在寻找材料体系之外开辟了另一条提高材料强韧性和抗热环境能力的有效途径；“含超薄金属内衬复合材料燃料贮箱变形协调控制机理研究”项目结合力学、材料科学、纳米技术、仿生学等多学科知识和方法，利用“壁虎脚仿生”原理，把碳纳米管均匀地接枝到超薄铝合金内衬表面，使得界面层强度提高了28%，保证了金属内衬与复合材料结构的变形协调；与高温长时间的防热/承载/透波一体化天线罩/窗口材料相关的研究项目更是体现了多学科交叉的特点，开展了电磁学、热防护、力学、材料学等有机结合的研究；“升力体构型的高超声速飞行器/发动机多模式切换控制技术研究”“乘波构型高超声速飞行器非线性多耦合飞行动力学与控制研究”“近空间飞行器结构/气动/飞行集成一体化飞控系统的强鲁棒稳定智能自主控制研究”等项目都涉及气动、推进、控制等多学科交叉融合；“高超声速飞行器的非线性耦合动力学与热弹性颤振控制”“高超声速飞行器气动/热弹性研究”等项目基于计算流体力学/传热学/计算结构动力学耦合策略，探讨了气动加热在流体/结构耦合系统中热传递效应的机理。

（2）核心科学问题之间的学科交叉

核心科学问题的主要研究方向和资助项目，反映了跨学科研究的布局和由小协同向大协同的进一步升华。例如：“时滞非线性气动力对高超飞行器动态特性的影响及其流动控制”项目从气动力的理论和试验研究出发，通过与动力学建模、系统辨识和飞行稳定性分析等控制学科的交叉，探索了高超声速飞行器不稳定运动产生动力学机制；“超燃冲压发动机突变控制问题研究”项目针对超燃冲压发动机控制问题，通过发动机、控制等学科交叉的研究，提出了切换控制和突变模式转换控制结合的发动机突变控制方法；“近空间高超声速飞行器结构可变形/热防护一体化和主动控制研究”项目融合力学、控制、机械设计等学科知识和方法，揭示了可变体机构的热防护原理、变形的力学机理与控制机制以及参数不确定性对动力学响应和控制精度影响的内在规律，解决了高维复杂不确定性可变体机构的鲁棒控制难题；“可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究”项目融合了气动、结构动力学、智能材料与结构和控制等多学科知识和方法，在高速可变体气动概念、变形过程中非定常动态气动特性和建模、变形过程中飞行力学模型、形状记忆合金（SMA）本构模型、高效驱动设计原理和系统动力学等方面有所创新。

从计划实施过程来看，重点支持项目主要通过多学科交叉与融合的手段开展研究工作。例如：“超燃冲压发动机用新型主被动防热结构一体化材料设计与环境响应机理”“主动冷却陶瓷基复合材料及其结构研究”等项目涉及发动机、力学、高温材料、物理、化学以及工程热物理等多学科交叉；“碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证”项目涉及发动机、化学、流体动力学等学科交叉，构建了碳氢燃料反应基础数据库和机理生成软件；“面向近空间飞行器多功能超轻质结构设计优化理论”“集电源、热控和结构于一体的多功能结构研究”等项目通过力学、材料学、优化设计、工程热物理、电磁学等多学科交叉，不仅设计和制备出结构效率很高的超轻点阵结构，而且初步具备了承载、热管理、能源以及吸波等多功能属性；“基于一类智能结构的高超飞行器操纵稳定性和机动性的控制原理研究”项目基于超磁致伸缩智能结构，提出了高超飞行器智能可变体的结构设计新原理和控制方法，涉及气动、控制、材料的交叉和融合。

（3）集成项目的学科交叉情况

集成项目的设立，旨在针对拟突破的关键科学问题和国家重大需求，对培育项目、重点支持项目所取得的成果进行主动引导，促进交叉与融合，加强顶层设计，达到“集成升华、跨越发展”的目的。通过鼓励优势单位积极论证、申请，在关键科学问题、多学科交叉领域等不同层次上布置了多个集成项目，促进关键科学问题的突破，推动协同创新能力。例如：“近空间高超声速飞行器材料/结构一体化、防/隔热一体化研究”，充分集成了固体力学、气动热力学、材料学、工程热物理、优化理论与方法、测试与模拟试验等学科交叉与融合，探索防/隔热材料与结构一体化设计与综合性能优化方法；“超声速燃烧、流动与传热过程集成研究”集成了进气道流动、燃料裂解与稳定燃烧、燃烧与传热、燃烧过程控制等方面的研究成果，重点探索和综合考虑热防护、高效燃烧等多因素的燃烧室优化设计方法；“近空间高超声速飞行器飞行姿态/气动力耦合机理与协调控制研究”集成了飞行控制和飞行力学、空气动力学的方向，重点研究近空间高超声速飞行器自适应协调控制系统设计方法；“超高温氧化环境下高温热防护材料与结构的多参量实验集成方法和技术研究”集成了材料学、高温固体力学理论、实验力学等学科，探索极端环境的高温实验力学方法和技术，提升了极端环境下的实验方法和技术的创新能力，为气动、推进、防热、结构等多领域提供了有力支撑；“高超声速飞行器气动/推进/结构耦合问题研究”集成了流动、燃烧、传热和结构等多方面的研究成果，为高超声速飞行器气动/推进/结构一体化设计提供了理论依据；“面向控制的近空间高超声速飞行器动力学建模与验模”集成了飞行器飞行姿态研究与气动力耦合机理与协调控制的相关研究，通过分析近空间飞行环境下的空气动力学特性，获得具有明确可信度的面向控制的高超声速飞行器的动力学模型。