近空间飞行器的关键基础科学问题_航空航天

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“中国基础研究报告”编辑委员会

主　编　杨　卫副主编　高瑞平　韩　宇委　员　　　　王长锐　王岐东　冯雪莲　　　　杨列勋　杨俊林　邹立尧　　　　张兆田　张香平　陈拥军　　　　周延泽　...

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总　序

合抱之木生于毫末，九层之台起于垒土。基础研究是实现创新驱动发展的根本途径，其发展水平是衡量一个国家科学技术总体水平和综合国力的重要标志。步入新世纪以来，我国基础...

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前　言

“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划（以下简称本重大研究计划）是我国第一个系统性的高超声速基础研究计划，从2007年立项实施，到2016年顺利结题，历...

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第1章　项目概况

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1.1　项目介绍

近空间一般是指20～100km的空域，其大气密度变化剧烈。很长一段时间内，这个具有“特殊”大气环境特征的空域在空天飞行器的发展中被忽略，或由于其特殊科学问题的“...

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1.1.1　总体布局

近空间高超声速技术将给未来国家安全和国民日常生活带来革命性影响，成为21世纪国际空天技术竞争的战略制高点，许多国家都将其作为国家战略目标。本重大研究计划是“空天...

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1.1.2　工作方针和实施思路

本重大研究计划的工作方针是，“需求做牵引、基础为基点；思路要新颖、探索是根本；储备于未来、跨越再提升”，即本重大研究计划立足于基础研究，注意处理好与国家重大科技...

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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...

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1.2　研究情况

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1.2.1　总体科学目标

本重大研究计划以30～70km中层近空间高超声速远程机动飞行器涉及的科学问题为研究重点，总体科学目标如下： ①在前沿领域研究方面，形成近空间飞行器关键基础科学问...

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1.2.2　核心科学问题

本重大研究计划拟解决的核心科学问题及其项目如下。 ①近空间飞行环境下的空气动力学。重点研究近空间高速飞行高温、非平衡、黏性干扰、稀薄气体效应和湍流效应耦合作用机...

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1.3　取得的重大进展

本重大研究计划以国防建设为需求，开展基础性、前瞻性、先导性的相关基础科学问题研究，旨在解决我国近空间飞行器发展中的深层次问题，涉及国家安全与和平利用空间，具有十...

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第2章　国内外研究情况

人类生活依赖于对空间和时间的运用，借助知识和科技获得进步。21世纪以来，人类社会进入了太空、深海、极地等新空间大开发时代，其中，近空间这一通常穿越、鲜有应用的空...

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2.1　国外近空间飞行器技术发展动态和趋势

20世纪30年代，桑格尔（Eugen Sanger）提出了“滑翔-跳跃”弹道概念和“银鸟”亚轨道轰炸机设想[4-6]。1948年秋，为克服弹道导弹的弱点，钱学森...

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2.2　国外近空间高超声速基础研究情况

提及高超声速技术，人们除了认同其革命性、颠覆性、改变游戏规则等意义和作用外，普遍认为大气层内高超声速飞行是最为复杂和危险的飞行区域。经历了半个多世纪的艰苦努力，...

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2.3　我国近空间高超声速飞行器发展情况

我国发展近空间高超声速飞行器技术，主要依靠国家安全和利益保障、国民经济可持续发展的需求牵引，以及科学探索和技术发展的驱动。从“九五”计划开始，我国针对载人航天、...

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第3章　重大研究成果

指导专家组成员和特邀专家遴选出本重大研究计划的21项代表性成果，涵盖气动、推进、材料与结构、控制等四个主要研究方向关键科学问题。这些成果充分体现了本重大研究计划...

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3.1　高超声速流动的转捩和湍流研究

高超声速飞行时，边界层内的温度往往超过600K，此时分子的振动自由度将被激发，完全气体模型将不再适用，需研究飞行器表面周围由高温引起的真实气体效应的影响。此时，...

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3.2　可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究

随着对飞行器的飞行效率、机动性和多任务适应能力等综合需求的不断提高，智能变形飞行器近年来逐渐在学术界和航空工业界掀起了研究热潮。然而，智能变形飞行器还是一个崭新...

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3.3　超声速流中判定物面流动分离边界的多种途径研究及延续研究

高超声速流绕过物体表面的三维凸起物会引起局部流场中的激波与边界层干扰。通常干扰流场中的激波系和边界层特性与无干扰情况相比，均发生明显的变化，并导致物面上的局部压...

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3.4　中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制的探索

稀薄气体动力学和高温气体动力学是流体力学研究中还不十分成熟的两个分支学科，相关流动问题涉及分子碰撞、化学反应和宏观流动等多尺度耦合，以及流动、传热和化学反应等多...

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3.5　三维可压缩非定常分离的理论和数值模拟研究

分离和旋涡是常见的流动现象，三维分离产生的旋涡，既可能增加升力（如流向涡产生的涡吸力），又可能由于分离流态的变化，引起气动性能的降低（如涡轴抬升以及涡破裂）。因...

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3.6　碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

碳氢燃料超声速燃烧火焰稳定是流动与燃烧高度耦合的过程，本项目通过实验、数值模拟和光学测量相结合，摸清了稳焰模式与存在条件、稳焰模态转换的关键影响因素、火焰稳定极...

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3.7　碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

碳氢燃料的燃烧过程是一个非常复杂的物理、化学和力学过程，其中有大量的中间产物生成，如OH、CH、C2等小自由基。要实现对燃料燃烧化学反应过程的控制，需要研究燃烧...

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3.8　超声速气流中缓燃与爆震的传播、相互转化机理及其应用研究

爆震燃烧因其较高的释热效率在推进领域备受关注，是先进高超声速推进技术的一个重要发展方向，在推进系统中有广阔的应用前景。爆震燃烧是耦合了强激波和波后剧烈化学反应并...

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3.9　高超声速气流新概念压缩系统研究

采用吸气式推进系统的高超声速飞行器中，高速气流首先在进气道内被预设的压缩面所压缩，给下游的燃烧室提供所需要的流量和流场。作为推进系统热力循环的第一步，进气气流的...

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3.10　主动冷却陶瓷基复合材料及其结构研究

超燃冲压发动机是近空间高超声速飞行器关键的部件，其燃烧温度高，压力大，持续时间长，并且对构件尺寸要求严格，不能产生烧蚀，传统材料无法满足这些要求。主动冷却C/S...

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3.11　近空间高超声速飞行器自主协调控制研究

高超声速飞行器由于其本身复杂的力学特点和受力状况会产生不同类型、不同物理机制的运动耦合，所以耦合、可解耦的条件以及耦合的利用和协调就成为高超声速飞行器控制的重要...

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3.12　高超声速飞行器建模与精细姿态控制研究

高超声速飞行器的精细姿态控制，一般要求其动态误差小于±1°。但高超声速飞行器不是纯刚体，在飞行中会产生弹性振动。这些固有的振动信息被传感器测量到，并通过控制系统...

《近空间飞行器的关键基础科学问题》简介

“中国基础研究报告”编辑委员会

总　序

前　言

目录

第1章　项目概况

1.1　项目介绍

1.1.1　总体布局

1.1.2　工作方针和实施思路

1.1.3　综合集成与学科交叉情况

1.2　研究情况

1.2.1　总体科学目标

1.2.2　核心科学问题

1.3　取得的重大进展

第2章　国内外研究情况

2.1　国外近空间飞行器技术发展动态和趋势

2.2　国外近空间高超声速基础研究情况

2.3　我国近空间高超声速飞行器发展情况

第3章　重大研究成果

3.1　高超声速流动的转捩和湍流研究

3.2　可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究

3.3　超声速流中判定物面流动分离边界的多种途径研究及延续研究

3.4　中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制的探索

3.5　三维可压缩非定常分离的理论和数值模拟研究

3.6　碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

3.7　碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

3.8　超声速气流中缓燃与爆震的传播、相互转化机理及其应用研究

3.9　高超声速气流新概念压缩系统研究

3.10　主动冷却陶瓷基复合材料及其结构研究

3.11　近空间高超声速飞行器自主协调控制研究

3.12　高超声速飞行器建模与精细姿态控制研究

《近空间飞行器的关键基础科学问题》简介

“中国基础研究报告”编辑委员会

总 序

前 言

目录

第1章 项目概况

1.1 项目介绍

1.1.1 总体布局

1.1.2 工作方针和实施思路

1.1.3 综合集成与学科交叉情况

1.2 研究情况

1.2.1 总体科学目标

1.2.2 核心科学问题

1.3 取得的重大进展

第2章 国内外研究情况

2.1 国外近空间飞行器技术发展动态和趋势

2.2 国外近空间高超声速基础研究情况

2.3 我国近空间高超声速飞行器发展情况

第3章 重大研究成果

3.1 高超声速流动的转捩和湍流研究

3.2 可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究

3.3 超声速流中判定物面流动分离边界的多种途径研究及延续研究

3.4 中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制的探索

3.5 三维可压缩非定常分离的理论和数值模拟研究

3.6 碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

3.7 碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

3.8 超声速气流中缓燃与爆震的传播、相互转化机理及其应用研究

3.9 高超声速气流新概念压缩系统研究

3.10 主动冷却陶瓷基复合材料及其结构研究

3.11 近空间高超声速飞行器自主协调控制研究

3.12 高超声速飞行器建模与精细姿态控制研究

总　序

前　言

第1章　项目概况

1.1　项目介绍

1.1.1　总体布局

1.1.2　工作方针和实施思路

1.1.3　综合集成与学科交叉情况

1.2　研究情况

1.2.1　总体科学目标

1.2.2　核心科学问题

1.3　取得的重大进展

第2章　国内外研究情况

2.1　国外近空间飞行器技术发展动态和趋势

2.2　国外近空间高超声速基础研究情况

2.3　我国近空间高超声速飞行器发展情况

第3章　重大研究成果

3.1　高超声速流动的转捩和湍流研究

3.2　可变体飞行器气动原理与变形结构力学研究

3.3　超声速流中判定物面流动分离边界的多种途径研究及延续研究

3.4　中低近空间尖头体气动加热特性预测及高热流控制的探索

3.5　三维可压缩非定常分离的理论和数值模拟研究

3.6　碳氢燃料超声速燃烧室火焰稳定机理实验研究

3.7　碳氢燃料超声速燃烧机理构建和实验验证

3.8　超声速气流中缓燃与爆震的传播、相互转化机理及其应用研究

3.9　高超声速气流新概念压缩系统研究

3.10　主动冷却陶瓷基复合材料及其结构研究

3.11　近空间高超声速飞行器自主协调控制研究

3.12　高超声速飞行器建模与精细姿态控制研究