4.2 深入研究的设想和建议
（1） 下一步深入研究设想
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，指导专家组认为，国家层面的高超声速基础研究，应继续在所构建的基础研究体系框架下，深化核心科学问题研究，加强在问题驱动、多学科交叉和原创性研究方面的支持。应重点关注的基础问题或研究方向如下。
首先，需要进一步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，特别是“高能量”“极端热”带来的气动、推进、材料和控制等多学科领域的系列问题和挑战。高超声速飞行器边界层转捩明显增强表面加热速率和气动阻力，依然是非常复杂且未得到很好理解的物理现象，提高预测或延迟转捩、维持层流能力将会发挥更大的作用。激波交互作用是高速飞行器无所不在的挑战，它产生了极端的局部条件，导致我们难以预测相关的热和噪声载荷，因此如何准确预测成为基础研究和工程应用的关键。率相关非平衡流动是高超声速飞行最为典型的特征，所带来的最大挑战是化学复杂性的提升导致现有预测能力丧失，因此需要在减少反应和速率不确定性、强化与化学等多学科交叉、理解更多瞬态现象或效应等方面做出更大的努力。非定常分离将导致热载荷增加，产生强烈的壁面压力波动，激励飞行器面板共振，如何在设计中考虑和把握来自于非定常分离的疲劳载荷成为精细化设计的重要因素。
虽然超燃冲压发动机飞行验证试验已经证明其可行性，但在可用、实用和可重复使用方面还面临着诸多科学和技术上的挑战。需要进一步认识超声速燃烧各环节机理，为获取更宽范围、更高鲁棒性和更高效率的点火、传播、稳燃机制及方法提供依据，积极探索提高减阻能力、混合效率和燃烧效率，乃至提高发动机效率的新方法、新途径，解决燃料高效冷却与发动机热防护之间的协同问题；重点关注更大尺度超燃冲压发动机带来的尺寸效应、组合循环发动机循环模式与模态转换机制、连续可调进/排气新途径以及旋转爆轰发动机设计优化方法，发展能够提高上述能力的高置信度数值模拟、试验模拟方法和诊断技术。
耐极端服役环境材料与轻质结构依然是影响高超声速飞行器发展最为根本的控制因素，桑格尔弹道的制约性于此，钱学森弹道的先决条件于此，HTV-2的失败于此，高超声速工程化的最短板也于此。因此，要结合集成计算材料工程（ICME）等手段，增强对超高温材料热、化学和力学稳定性的质量传递动力学、化学反应路径和变形机制的理解，建立自下而上的特种材料设计方法，研究材料远离平衡态行为，利用低维化、人工结构化、集成化、智能化等新方法，从更微观尺度上进行复合和界面控制，创造具有高性能、新效应的新材料。需要关注材料结构之间连接、装配、隔热和密封等带来的科学问题，考虑在新型定向能对抗环境下的生存能力。考虑高超声速飞行器结构局部响应的多场耦合效应和非线性效应，把对材料性能演化的理解集成到结构尺度模拟中，发展基于非确定性框架下的多尺度失效模拟方法，建立组合或耦合载荷下的结构动力学响应分析和寿命预测方法，进一步提高热结构复合材料、新型承载式热防护系统以及主被动结合热防护系统的建模、失效和寿命预报能力。
高超声速飞行器相关的诸多控制理论和方法已经在多次飞行试验中得到验证和不断完善，但对于能够遂行其多重任务使命还任重道远。针对结构和应用特征越来越明确的高超声速飞行器，要提升结构、飞行和轨道控制的综合建模能力，不断丰富其多学科模型功能；面向非结构化环境、非线性响应特征等特殊需求，要发展多元、混合、异构控制系统设计和稳定性分析方法。结合先进传感器、执行机构和信息处理技术，提升实时故障诊断、动态航路规划、自主目标选择、威胁规避和任务重构等智能决策控制能力；通过信息科学、数学、材料、空气动力学和结构动力学等学科有机结合，探索不确定、信息冗余、动态变化、损伤容错和网络环境下的自适应控制和决策方法。
此外，还要充分认知先进测试技术、数值模拟方法和飞行试验在高超声速基础研究中的作用，发展可用于高超声速地面和飞行试验的非扰动、耐极端环境诊断仪器与试验技术，精确感知气动力/热、推进力/热、机械和噪声等载荷及响应，实现远场、近场、表面及亚表面物理效应的无干扰、无损传感与观测，适应高热梯度薄壁结构、大时空跨度边界层转捩、复杂结构区域以及进气道等特殊要求；重视一切能够为复杂系统设计提供精确、可靠、高效分析的计算方法和技术，不断完善多尺度建模（材料、结构、等离子体、流动和燃烧）、多物理场建模（流/固）、不确定性量化、不确定性框架下的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，把握离散性对分析置信度和计算精度的影响；考虑地面模拟试验和数值模拟试验的局限性，提出明确科学实验目标，结合搭载飞行或创造飞行试验条件，针对特定物理效应，设计有效载荷，实现关键物理效应的认识或重要理论、模型和方法的验证。
（2） 下一步发展建议
在基金委两个重大研究计划的支持下，高超声速技术相关基础研究获得了近15年持续资助和稳定发展，全面提升了我国在此领域的基础研究综合能力，有力支撑了国家重大需求关键技术突破，尤其是为可持续发展奠定了坚实的基础，成效显著。但对于近80年步履艰辛的发展历程和所承担的重大历史使命来说，高超声速技术仍面临着诸多科学认知和技术挑战，更加需要长期稳定、目标明确的基础研究的投入和支持。高超声速发展历史经验告诉我们，其最大的挫折莫过于随着项目终结，掌握最新知识和开发经验的科学技术小组被解散并转移到其他项目中。因此需要通过以问题驱动为导向、继续推行重大项目或重大计划，以及与工业部门和用户建立框架性协议等多种形式，保证队伍不散、研究深化不断。
当前正值国家重大科技体制改革时期，这对基础和创新能力建设提出了强烈需求。近空间高超声速飞行器基础研究在鼓励自由探索、增强源头创新能力的同时，更需要明确基础研究在先期探索、关键技术攻关以及应用示范全链条中的地位和定位，鼓励从自然科学到技术科学的升华，聚焦国家重大战略任务，充分发挥其在概念和技术创新中的作用，既要抱有“十年磨一剑”的心态，又需加强积极转化的理念。
力学的双重属性是其在认识世界、改造世界过程中发挥巨大作用的主要原因。从纷杂乱世中高度凝练，认识其本质、把握其规律，从而形成基础与技术的有机协同。力学学科在本重大研究计划中发挥了主导作用，高超声速关键理论与方法也最有可能是力学学科能够取得重大突破、实现“顶天立地”的主要方向和良好契机。因此需要大力提升从工程需求中准确提炼科学问题，并给予彻底解决，再返回到工程中去的能力；同时能够提出创新概念和技术，并使其跨越创新的“死亡之谷”，这其中关键之关键是需要发展能在真实条件下适用的理论和方法，发现革命性的重大理论，引发传统理论变革。
高超声速技术具有鲜明的多学科交叉且强耦合特点，许多科学和工程问题，都需要力学学科内部深度融合及其与其他学科积极交叉。相关基础研究需要继续发展和探索新的资助模式与管理体制，如已经实施的重点支持项目和集成项目等，或设立更多的跨学科项目，借鉴类似美国多学科大学研究倡议（MURI）等的资助方法，提升运用跨学科系统方法思考的能力，促进研究人员思想碰撞与融合，吸引更多高水平人才充实高超声速基础研究力量；需要进一步鼓励理念、概念创新，提高有针对性地发现和洞察前沿与新兴技术应用潜力的能力，探索纳米、增材制造、柔性电子、量子计算、大数据等热点研究领域在高超声速核心科学问题突破中的潜力和可行性，提出引领性、创新性研究方向，关注巴斯德象限（Pasteur's Quadrant）效应，积极促进成果转化。