4.1.2 本领域基础研究面临的重大战略需求
习近平主席曾指出：“发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。”高超声速技术不仅可以大幅度提高人类进入、控制和利用空间的能力，而且在系统开发、利用近空间中发挥着关键作用，对未来国家安全、政治和经济利益具有革命性影响和重大应用价值。
大气层内长时间高超声速滑翔/巡航/机动飞行，是目前多种新型空天飞行器发展的热点和趋势，不仅可以提高飞行速度和机动能力，而且能够促使许多传统观念发生改变。可重复使用天地往返飞行器是显著降低航天运输成本、提高可靠性和多任务能力最为有效的技术途径。同时，近空间高超声速技术作为一项覆盖整个空天领域的关键使能技术，对未来载人航天和深空探测等国家战略需求影响巨大。
从桑格尔空天飞机算起，至今已有近80年努力。“高超声速是未来，但可能总是未来”这句话形象地反映了高超声速技术发展的艰巨性、挑战性和长期性。高超声速的最大挑战来自于基础研究资源有限，但潜在影响巨大。两类高超声飞行器关键科学和技术问题如图11所示。
图11 两类高超声速飞行器关键科学和技术问题[52]
美国空军结合近些年来近空间高超声速技术的发展态势，从飞行马赫数与高温非平衡效应影响程度的关系层次出发，总结了滑翔和巡航两类飞行器主要面临的科学与技术层面问题。随着超燃发动机关键技术的突破和飞行试验成功，Ma 10以下的高超声速巡航飞行主要面临系统集成挑战，即由吸气式推进系统集成带来的诸多问题，包括对层流-湍流转捩与不稳定激波干扰影响特性的理解及热管理问题等。这一类飞行器自由流马赫数通常相对较低，热化学非平衡效果不显著。与此相反，高马赫数助推滑翔飞行器主要面临尚不明确的气动热物理现象带来的科学挑战，即高马赫数飞行激波产生解离环境中热化学非平衡给系统带来的诸多问题。热化学过程决定激发内部状态、释放能量产生热能和气动热/力现象的准确预测，需要通过模拟所需有关反应速率精确度的提升而逐步提高能力；非平衡气体环境和材料表面反应之间的相互作用也成为挑战，预测能力都依赖于基本热化学反应速率的准确掌握，包括气体、气-表面界面和材料表面附近区域。许多空气热力学的进展都是基于动能、内能或化学能等模式之间的转换获得的新见解。主导能量转换机制的知识可能会被用来提出实现控制宏观流动性的革命性方法，流场可以被设计成有利于最佳能量转换的机制，从而达到最优流动状态的应用，也可能产生流动控制的新方法。
虽然超燃冲压发动机技术的突破让人欢欣鼓舞，但必须正视当前具有导弹尺度、碳氢燃料的超燃冲压发动机，基本具备了一次性使用结构和基于载荷叠加的结构寿命预测能力。未来的需求包括如何进一步提高超燃冲压发动机的性能和效率，拓宽其工作马赫数范围，解决尺度放大带来的系列问题，发展可重复使用碳氢燃料超燃发动机和组合循环发动机，逐步完善可持续高速巡航的推进/机体一体化设计和分析方法，发现与探索新的推进概念和物理模型。
近空间高超声速飞行器对于“减重”有着特殊要求，这对材料与结构的轻质化、抗极端环境化和多功能化提出了协同要求，尤其是对“比性能”的要求更为突出，如比强度、比刚度、比体积、比能量、比功率等。因此需要开发更高性能的结构/功能材料，探索更具效率的结构概念，还要通过结构设计耦合更多功能，达到系统减重的目的。新一代复合材料应聚焦于多功能驱动设计，还有“成本降低50%，制造能耗减少75%”的潜力可挖。材料设计与微结构控制已经深入到纳观尺度，将会大幅提升材料的性能和功能。如何将具有纳米化结构材料的革命性性能转化到宏观尺度主承力结构中，是当前的主要任务；如何能够承受高超声速飞行器气动载荷和推进系统带来的极端服役条件，依然是高速飞行器发展最为关键的问题。如果想进一步挖掘潜力，需要考虑服役环境与材料响应的耦合机制，关注材料远离平衡态行为、材料表面损伤行为、能率变化条件下损伤行为以及动态界面行为，这对气动热防护、发动机内防护以及含能材料的研究非常关键。
近空间高超声速飞行器控制代表着富有激情的挑战，包括考虑物理约束，推进高度非线性、推力与高度之间强耦合，控制面尺寸带来非最小相位行为，以及分析气动力-热-动力学行为未知引起高度模型不确定性等问题，既要面对这些强烈的技术挑战，又要面对难以在地面设施中复现服役条件的限制。无论是采用依赖于频域中的经典控制设计方法、基于物理模型的控制设计知识模型，还是采用与飞机相似的非线性动力学反演控制方法，都很难在高超声速飞行器控制设计中克服逆向不稳定性动力学、鲁棒性质全局（半全局）解、飞行器一体化物理限制依顺性等难题，需要发展新的理论和方法。