航空航天与工程科学.ppt

航空航天与工程科学杜善义2015.04航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.前言2.新型航天器对工程科学的需求3.新型航空器面临的主要工程科学问题4.临近空间飞行器空天一体化5.思考与结论航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.前言1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石1.21.2 航空航天航空航天是人类社会二十世纪伟大的科技成是人类社会二十世纪伟大的科技成就之一就之一1.31.3力学家力学家对航空航天发展的作用对航空航天发展的作用1.41.4新型航空航天器新型航空航天器为工程科学（力学）提出许为工程科学（力学）提出许多挑战性问题多挑战性问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的工程科学是人类社会进步的基石基石工程科学工程科学“工程科技与人类生存息息相关。工程科技创新驱动着历工程科技与人类生存息息相关。工程科技创新驱动着历史车轮飞速旋转，为人类文明进步提供了不竭动力源泉。史车轮飞速旋转，为人类文明进步提供了不竭动力源泉。改革开放改革开放3030多年来，中国经济社会快速发展，其中多年来，中国经济社会快速发展，其中工程科技工程科技创新驱动功不可没。创新驱动功不可没。实现梦想、应对挑战、创造未来，实现梦想、应对挑战、创造未来，对工程科技进步和创新提出了新的使命对工程科技进步和创新提出了新的使命。”国家主席习近平国家主席习近平在出席在出席20142014年国际工程科技大会并发表题为年国际工程科技大会并发表题为让工程科技造福人类、创造让工程科技造福人类、创造未来未来的主旨的主旨演讲演讲航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的基石工程科学是人类社会进步的基石科学科学技术技术工程工程产品产品促进学科交叉融合，促进学科交叉融合，催生新学科催生新学科拓展科学研究对象拓展科学研究对象与科学试验条件与科学试验条件高度综合工程技术高度综合工程技术最新成果最新成果极端需求推动技术极端需求推动技术创新创新综合体现国家科技实力综合体现国家科技实力提升民族自信心与安全感提升民族自信心与安全感航空器、航天器航空器、航天器导弹、空间武器导弹、空间武器高新技术转化民生产品高新技术转化民生产品航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的工程科学是人类社会进步的基石基石钱学森先生的工程科学理念钱学森先生的工程科学理念qq“要产生有科学依据的工程理论需要另一种事业的人。而这个工要产生有科学依据的工程理论需要另一种事业的人。而这个工作内容本身也成为人们知识的一个新的部门：作内容本身也成为人们知识的一个新的部门：技术科学技术科学”qq“我们需要自然科学、技术科学和工程科学三个部门我们需要自然科学、技术科学和工程科学三个部门同时并进，同时并进，相互影响相互影响，相互相互提携提携，决不能有一面偏废，决不能有一面偏废”qq“我是主张我是主张技术科学技术科学说的说的”，“在技术科学领域里在技术科学领域里有力学，或清有力学，或清楚楚一点一点叫叫应用力学应用力学”（钱学森钱学森.论论技术科学技术科学.科学通报，科学通报，19571957；现；现代代科学技术的科学技术的结构结构.上海交通大学出版社，上海交通大学出版社，19981998）w w2020世纪初德国伟大的数学家世纪初德国伟大的数学家F.KleinF.Klein（克莱因克莱因）开创工程科学）开创工程科学学派学派w wL.PrandltL.Prandlt（普朗特普朗特）、）、Theodore von KarmanTheodore von Karman（冯（冯 卡门）卡门）和和TimoshenkoTimoshenko（铁木辛柯）、钱学森等继承并发扬（铁木辛柯）、钱学森等继承并发扬航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石力学既是基础科学，又主要是技术科学力学既是基础科学，又主要是技术科学pp研研究究能能量量和和力力以以及及它它们们与与固固体体、液液体体及及气气体体的的平平衡衡、变变形形或或运运动动的的关关系系w w所阐明的规律具有普适性所阐明的规律具有普适性w w是工程技术的理论基础，是工程技术的理论基础，广泛应用而不断发展广泛应用而不断发展pp科学技术科学技术化，技术科学化化，技术科学化力学是既古老又年轻的科学力学是既古老又年轻的科学pp经典力学经典力学近代力学近代力学现代力学现代力学pp学科内涵在不断的丰富和发展学科内涵在不断的丰富和发展与时俱进与时俱进w w物理力学，生物力学，地球动力学、化学流体力学、物理力学，生物力学，地球动力学、化学流体力学、.钱学森先生创建了中科大力学系钱学森先生创建了中科大力学系航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石力学是科学与工程的桥梁，贯穿于人类社会的方方面力学是科学与工程的桥梁，贯穿于人类社会的方方面面，科学知识作用于人类社会往往离不开力学的支撑面，科学知识作用于人类社会往往离不开力学的支撑开瓶器静力学杠杆原理摩天轮运动学匀速转动航班起飞动力学加速运动生物力学（biomechanics）纳米力学（Nanomechanics）磁流体力学（magneto-fluidmechanics）近近代代力力学学经经典典力力学学航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科技成就之一：二十世纪伟大的科技成就之一：航空航天航空航天在认识自然和改造自然的过程中最活跃、发展最迅速、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表征一个国家科学技术先进性的重要标志虽然与军事应用密切相关，但其技术转化极大的改变了人虽然与军事应用密切相关，但其技术转化极大的改变了人类社会的生活方式，类社会的生活方式，改变了世界的面貌改变了世界的面貌；通过新技术、新产品、新材料以及新的管理方法向国民经通过新技术、新产品、新材料以及新的管理方法向国民经济各部门推广和转移，带来了十分济各部门推广和转移，带来了十分可观的间接经济效益可观的间接经济效益；拓展了人类的认知空间拓展了人类的认知空间，为人类文明进步作出了重要贡献。，为人类文明进步作出了重要贡献。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科技成就之一：二十世纪伟大的科技成就之一：航空航天航空航天孔明灯火箭古代达芬奇扑翼飞行器文艺复兴古代人类的奇思妙想孟格菲兄弟热气球16世纪莱特兄弟飞机20世纪加加林1961杨利伟2003核裂变碎片火箭光速的12%，46天抵达人马座类地行星欧洲高超声速运输机Ma5，90min欧亚到达航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科技成就之一：二十世纪伟大的科技成就之一：航空航天航空航天无线通讯全球旅游天气预报走进日常生活的航天十大发明1.无线工具2.烟雾报警器3.强化婴儿食品4.橡胶再生利用5.新型耳道体温计6.快捷型牙套7.防护漆8.更好的心脏起搏器9.抗磨损型眼镜10.舒适的运动鞋内底航空航天与工程科学航空航天与工程科学18811963,冯卡门建立的超音速空气动力学是现代航天的基础。1942年10月，V-2导弹成功发射推动空气动力学技术发展。1957年10月4日，第一颗人造地球卫星成功发射推动工程力学技术的发展。1969年7月20日，在具有摆脱空间困境能力前提下，人类首次成功登月。1981年4月12日，结合大攻角再入返回等关键力学技术，第一架航天飞机获得成功,推动了高超真实气体效应的认识和研究。1998至今，在动力学分析与控制技术基础上，国际空间站成功完成多项航天任务。2003年10月15日，CZ-2F运载火箭与神舟五号载人飞船组合体出现“8Hz”低频振动，推动稳定性理论及控制理论的应用与发展。2012年8月6日，好奇号火星探测器成功降落火星，推动稀薄气体中着陆、悬停等技术的发展。2013年 12月 14日 21时许，嫦娥三号在月球无大气情况下克服逼近、悬停等5大技术难题，成功软着陆。1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用力学助推航空航天发展，航空航天发展牵引力学进步！力学助推航空航天发展，航空航天发展牵引力学进步！航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 历代力学大师共同缔造航空航天事业历代力学大师共同缔造航空航天事业开普勒(15711630)牛顿（1643-1721）齐奥尔科夫斯基（1857-1935）世界航天之父行星运动三大定律万有引力，创立经典力学航天发展基础首次探讨从火箭到人造卫星的诸多问题。冯卡门（1881-1963）航空航天时代的科学奇才开创了数学和基础科学在航空航天领域的应用。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 历代力学大师共同缔造航空航天事业历代力学大师共同缔造航空航天事业钱学森（1911 2009）中国航天之父将力学领域重要研究成果进行工程转化，研制中国首枚国产导弹，中程弹道导弹，中国首颗人造地球卫星，参与与研制美国首枚弹道导弹。任新民（1915）两弹一星元勋导弹总体和液体发动机技术专家，中国导弹与航天技术的重要开拓者之一，中国航天事业五十年最高荣誉奖获得者。王希季（1921）“两弹一星”功勋奖章获得者中国空间事业开创人之一，卫星总设计师、空间返回技术学科的带头人，国家科学技术进步奖特等奖获得者庄逢甘（1925 2010）高超声速空气动力试验技术开拓者空气动力学家，组织领导了我国主要的空气动力学实验基地建设，为发展我国航天事业作出了突出贡献钱学森先生创建的中国科大力学系钱学森先生创建的中国科大力学系航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 力学领域航天四杰力学领域航天四杰哈尔滨工业大学一般力学专业，博士学位。历任哈尔滨工业大学航天学院航天工程与力学系主任、航天学院院长、哈尔滨工业大学副校长，航天五院副院长，航天科技集团副总经理、总经理，工业和信息化部副部长，广东省委书记、政法委书记，中共十八届中央委员，第十一届全国政协委员马兴瑞袁家军北京航空学院、航空航天部五院501部,博士学位。历任五院501部结构室副主任，部副主任，院长助理、神舟一号常务副总指挥，五院副院长、院长、神二至神五号总指挥，航天科技集团副总经理，中国科协第七、八届全国委员会副主席，宁夏回族自治区党委常委、自治区政府副主席，浙江省委常委、常务副省长、省政府党组副书记。国防科技大学固体力学专业，博士学位，中国工程院院士。历任中国载人航天工程办公室总体室主任，酒泉卫星发射中心总工程师，载人航天工程发射场系统总设计师，中国载人航天工程总指挥、中国载人航天工程总设计师，中国宇航学会理事，中国科协常委。周建平张柏楠国防科技大学固体力学系学士，中国空间技术研究院空间飞行器设计专业，硕士学位。历任载人航天工程飞船系统副总设计师，“神舟”六号飞船系统总设计师，曾先后获“神舟号试验飞船”国防科技一等奖、“飞船总体构形与布局优化设计”国防科技二等奖和航天科技集团“载人航天功臣”荣誉称号。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.41.4新型航空航天器为力学提出许多新型航空航天器为力学提出许多挑战性问题挑战性问题航空航天科技进步与力学学科发展航空航天科技进步与力学学科发展相互依赖、相互促进、相辅相互依赖、相互促进、相辅相成；相成；采用新概念、新技术的新型航空器和航天器，为更好地执行载采用新概念、新技术的新型航空器和航天器，为更好地执行载人飞行、深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务，人飞行、深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务，具有如下典型特点：具有如下典型特点：更为苛刻的服役环境，更高的可靠性和结更为苛刻的服役环境，更高的可靠性和结构效率，更强的抗极端能力，更严格的控制精度，尽可能满足构效率，更强的抗极端能力，更严格的控制精度，尽可能满足长寿命和低成本长寿命和低成本等，这对飞行器的设计带来了一系列等，这对飞行器的设计带来了一系列新的力学新的力学问题问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.新型航天器对力学的要求2.12.1新型航天器发展趋势新型航天器发展趋势2.22.2新型航天器的力学要求新型航天器的力学要求2.2.12.2.1重型运载火箭重型运载火箭2.2.22.2.2大形变结构空间飞行器大形变结构空间飞行器2.2.32.2.3天地往返可重复使用航天器天地往返可重复使用航天器2.2.42.2.4临近空间飞行器临近空间飞行器2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.12.1新型航天器发展趋势新型航天器发展趋势随着航天技术的快速发展，为满足越来越多样化的任随着航天技术的快速发展，为满足越来越多样化的任务需求，提出和发展了一系列新型航天器，它们或是务需求，提出和发展了一系列新型航天器，它们或是基于现有航天器技术演变，或者一种全新的设计概念基于现有航天器技术演变，或者一种全新的设计概念阿瑞斯V号载货火箭大型/重型运载火箭高分二号卫星大型变结构空间飞行器龙飞船天地往返可重复使用航天器临近空间飞行器航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.22.2新型航天器的力学要求新型航天器的力学要求大型组合体耦合载荷与环境获取大尺寸结构地面试验验证多场环境下复合材料结构动强度设计力热耦合试验验证航天器变参数动力学分析技术航天器刚-柔-液非线性耦合问题气动布局多学科多目标协同设计高效轻质热防护飞行器气动力/热特性高效高精度预测气动参数辨识与天地换算气动与结构声光等多学科耦合效应评估工程难题与力学界中的科学问题关系矩阵多场耦合作用下飞行器结构响应规律高温复合材料结构失效机理复杂流场特性下的耦合失控机理非线性刚/柔/液耦合作用机理可压缩湍流与转捩流动机理复杂真实气体效应动力学模型气动力/热/结构多学科耦合动力学航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.12.2.1重型运载火箭重型运载火箭固液耦合分析星箭耦合分析力热复合试验技术热强度试验热模态试验热噪声试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.22.2.2大型变结构空间飞行器大型变结构空间飞行器非线性刚-柔-液耦合动力学分析技术大型变结构组合体建模、辨识、振动抑制技术大型复杂空间机械臂技术鑫诺二号、串联贮箱示意图空间站三舱组合体基本构型FREND机械臂航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.32.2.3天地往返可重复使用航天器天地往返可重复使用航天器复杂流场特性下的耦合失控分析技术复杂真实气体效应评估技术超燃与混合动力技术X-37B再入流场高温真实气体效应超然冲压发动机地面试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.42.2.4临近空间飞行器临近空间飞行器大空域、全速域、高升阻比气动布局设计复合材料结构动强度设计与高效轻质结构热防护技术气动力/热/结构多学科耦合动力学响应分析与评估技术乘波体升力体旋成体X-37B梯度化轻质X-37舵面力热联合试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题序号序号问题问题内涵内涵1热-噪声-结构多场耦合分析问题多场耦合机理分析；热模态分析；多场耦合响应分析；力热环境下耐高温材料及结构强度评估；2复合材料疲劳损伤分析问题复合材料结构破坏机理；复合载荷下结构疲劳损伤累积模型；基于损伤力学的结构疲劳寿命预示；3航天器刚-柔-液耦合动力学分析问题大型柔性部件动力学建模与复杂动态响应问题；变质量液体非线性晃动动力学分析方法；刚-柔-液耦合系统动力学分析与稳定性机理；4振动与噪声控制技术问题振动噪声主动控制技术；多物理场耦合作用下复杂动力学与控制技术；新型材料与结构非线性振动控制技术；5大型复杂空间机构技术问题机构动力学；结构动力学与控制；稳定性与形面保持精度；航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题6特殊功能结构、机构技术问题空间碎片清除；在轨服务；舱外悬停；月壤着陆；7低Re数气动特性预测与大展弦比柔性翼非线性气动弹性分析问题低Re数层流分离与转捩准确预测与演化规律；动力系统低Re数复杂气动效应及作用机理；大展弦比低翼载飞行器运动响应异常特性及作用机理；大展弦比大变形飞行器气动结构飞行力学一体化分析技术；8高效轻质非烧蚀热防护问题高超飞行器大空域气动热环境精确预示技术高效轻质防热材料设计与力学特性分析技术新概念微/非烧蚀防热结构设计高超飞行器热防护系统地面试验考核技术9高超空气动力学问题高超声速飞行器气动布局概念研究高超飞行器新概念热防护原理高温真实气体效应和稀薄效应激波边界层干扰效应超燃冲压发动机气动力热问题研究10可压缩湍流及其流动机理问题可压缩湍流结构、转捩机理和转捩准则可压缩湍流模式理论及其标定方法可压缩湍流稳定性理论及其数值模拟方法、风洞试验、流动显示湍流流动控制及降热减阻、增混技术航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.新型航空器面临的主要力学问题3.13.1轻质材料结构优化设计轻质材料结构优化设计3.1.13.1.1一体化设计一体化设计3.1.23.1.2复合材料变形预测与控制复合材料变形预测与控制3.23.2气动弹性及其控制与利用气动弹性及其控制与利用3.2.13.2.1飞行动力学飞行动力学/气动弹性力学耦合分析气动弹性力学耦合分析3.2.23.2.2气动弹性主动控制气动弹性主动控制3.33.3减阻降噪减阻降噪3.3.13.3.1飞机增升与减阻飞机增升与减阻3.3.23.3.2机体噪声抑制机体噪声抑制航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.13.1轻质材料结构优化设计轻质材料结构优化设计提高结构效能降低全寿命成本轻质高性能：降低结构重量系数可设计与整体成形：结构功能与完整性耐久性：抗疲劳、耐腐蚀维护性：检修周期安全性经济性舒适性环保性大型客运飞机、无人机等新一代航空器对于大型客运飞机、无人机等新一代航空器对于轻质高强轻质高强材料的应用需求是明确而迫切的材料的应用需求是明确而迫切的航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.13.1轻质材料结构优化设计轻质材料结构优化设计机体结构机体结构复合材料化复合材料化程度是飞机先进性重要标志，复程度是飞机先进性重要标志，复合材料特有的力学本构特征和可设计性，为航空器设合材料特有的力学本构特征和可设计性，为航空器设计提出了计提出了新的力学要求新的力学要求可设计性，大幅度减重结构/功能一体化结构整体优化降低全寿命成本2030 增加有效载荷 提升飞行器功能 增大航程、降低油耗翼身融合、整体成型减少零件数，提高安全性承载、防热、颤振、隐身、透波、智能耐疲劳、抗腐蚀，部件寿命显著延长航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.1.13.1.1一体化设计一体化设计u设计基础取决于材料性能表征、评价u设计水平应用水平，多尺度、多物理场分析，不确定性，充分发挥材料性能，完成高效轻质结构设计设计设计/制造一体化，材料制造一体化，材料/结构一体化结构一体化提高结构设计水提高结构设计水平平航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.1.23.1.2复合材料变形预测与控制复合材料变形预测与控制通过固化工艺控制方法研究，解决热成型工艺过程纤通过固化工艺控制方法研究，解决热成型工艺过程纤维维/基体热膨胀不匹配带来的基体热膨胀不匹配带来的变形和残余应力变形和残余应力问题是当问题是当下研究热点之一下研究热点之一飞机典型部件变形控制温度不均匀温度场热胀冷缩效应铺层铺层方向铺叠次序非对称铺层模具模具材料模具刚度模具厚度脱模剂加强筋加强筋的限制作用加强筋设计工装型面变形控制p复合材料结构件固化成型机理研究p大型复合材料结构件固化变形影响因素分析p大型复合材料结构件固化成型质量优化分析降低成本，提高质量！航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.23.2气动弹性及其控制与利用气动弹性及其控制与利用气动弹性主要气动弹性主要研究弹性结构在空气中运动的特性研究弹性结构在空气中运动的特性，气，气动弹性及其控制与利用是大型客机、大翼展无人机等动弹性及其控制与利用是大型客机、大翼展无人机等航空器设计航空器设计必须重点关注的力学问题之一必须重点关注的力学问题之一气动弹性气动弹性静气动弹性静气动弹性动气动弹性动气动弹性气动力结构变形新的气动力新的变形平衡或发散变形载荷、发散、操控效率等惯性力、气动力、弹性力相互作用动气动弹性扰动消失或发散颤振、抖振、突风响应等气动弹性三角航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.2.13.2.1飞行动力学飞行动力学/气动弹性力学耦合分析气动弹性力学耦合分析高高空无人机、大型客机等高高空无人机、大型客机等大柔性航空器大柔性航空器存在飞行动存在飞行动力学与气动弹性力学力学与气动弹性力学强耦合特征强耦合特征，需要新的力学方法，需要新的力学方法才能合理分析才能合理分析“太阳神”翼尖变形量达半展长25%B787翼尖变形已达到半翼展的12%美国大展弦比飞翼验证机X56A发生机翼弹性一弯模态和机体飞行力学短周期俯仰模态相互耦合的体自由度颤振而解体航空航天与工程科学航空航天与工程科学动力学建模3.2.23.2.2气动弹性主动控制气动弹性主动控制在传统伺服弹性力学的基础上，拓展控制系统的功能，在传统伺服弹性力学的基础上，拓展控制系统的功能，通过主动控制单独或多个舵面偏转，改善飞机气动弹通过主动控制单独或多个舵面偏转，改善飞机气动弹性性能或飞行性能性性能或飞行性能颤振抑制阵风减缓机动减缓美AFW(Active Flexible Wing)研究计划航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.33.3减阻降噪减阻降噪减阻降噪对于提升新型航空器尤其是民用大型客机的减阻降噪对于提升新型航空器尤其是民用大型客机的舒适性与经济性具有重大的意义舒适性与经济性具有重大的意义缝翼襟翼Boeing 747-400客机噪声测试Boeing 737-800的小翼(前)和A319的翼尖装置(后)航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.3.13.3.1飞机增升与减阻飞机增升与减阻增升装置是一种为飞机增升装置是一种为飞机/机翼提供额外升力的部件或机翼提供额外升力的部件或机构，主要包括：前缘缝翼、后缘襟翼、前缘襟翼、机构，主要包括：前缘缝翼、后缘襟翼、前缘襟翼、边条翼、边界层控制等边条翼、边界层控制等Airbus A310-300前缘缝翼增升Boeing 747的后退三开缝襟翼Boeing 747的前缘襟翼边界层控制增升涡流产生噪声航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.3.13.3.1飞机增升与减阻飞机增升与减阻阻力对于航空器续航能力和机动能力都有着重要的影阻力对于航空器续航能力和机动能力都有着重要的影响，响，气动阻力控制气动阻力控制已经逐渐成为新型航空器研制过程已经逐渐成为新型航空器研制过程中的中的主要力学问题主要力学问题之一之一CL/CD升阻比V飞行速度SFC比燃料消耗WL基本重量WF燃料总重根据Breguet公式，若保持航程不变，增加1个阻力点（CD=0.0001）相当于要减少8位乘客（每位乘客按250磅计算）美X-48b翼身融合体气动外形TA-4SU的涡流发生器NASA-NP2微孔减阻壁板航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.3.23.3.2机体噪声抑制机体噪声抑制机体噪声指飞机飞行过程中，气流流过飞机结构产生机体噪声指飞机飞行过程中，气流流过飞机结构产生的气动噪声，会对飞机的安全性、经济性、舒适性及的气动噪声，会对飞机的安全性、经济性、舒适性及环保型产生重要影响环保型产生重要影响通过减小缝翼缝隙实现降噪抑制起落架非定常涡脱落导致噪声分析航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.临近空间飞行器空天一体化4.14.1临近空间技术发展迫切需要高水平工程科学临近空间技术发展迫切需要高水平工程科学人才的补充人才的补充4.24.2临近空间的概念临近空间的概念4.34.3临近空间飞行器临近空间飞行器4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义4.54.5临近空间技术的科学问题与解决工具临近空间技术的科学问题与解决工具航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.14.1临近空间技术发展迫切需要高水平临近空间技术发展迫切需要高水平工程科学人才的补充工程科学人才的补充临近空间开发利用临近空间开发利用是近年来国家（尤其是航空航天领域）重点是近年来国家（尤其是航空航天领域）重点发展方向，其对于国家和民族的发展方向，其对于国家和民族的重要意义不亚于重要意义不亚于“两弹一星两弹一星”；作为一个融合了作为一个融合了几乎所有航空航天技术几乎所有航空航天技术的新兴高新技术前沿领的新兴高新技术前沿领域，临近空间技术的发展面临域，临近空间技术的发展面临大量的工程科学问题需要解决大量的工程科学问题需要解决；高水平工程科学技人才高水平工程科学技人才是临近空间技术发展的是临近空间技术发展的重要推动力量重要推动力量；可以预见，随着临近空间技术的发展，可以预见，随着临近空间技术的发展，航空航天领域将出现大航空航天领域将出现大量的工程科学人才需求量的工程科学人才需求。航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.24.2临近空间的概念临近空间的概念 “临近空间”是指介于普通航空飞行器的飞行空间和航天器轨道空间之间的区域，一般定义为距海平面20100公里的空域，包括大部分平流层、全部中间层和部分热层，跨电离层和非电离层。航空航天与工程科学航空航天与工程科学航天器下不来（阻力过大）航空器上不去（升力不够）4.24.2临近空间的概念临近空间的概念尚未被系统的开发与利用密度特点：密度特点：空气稀薄、阻力较小，存在密度切变，可实现高超声速飞空气稀薄、阻力较小，存在密度切变，可实现高超声速飞 行；稀薄气体可为飞行器提供一定的升力和机动控制力行；稀薄气体可为飞行器提供一定的升力和机动控制力温度特点：温度特点：高度及昼夜引起的温度变化显著，对该空域内飞行器的温控高度及昼夜引起的温度变化显著，对该空域内飞行器的温控 系统要求苛刻系统要求苛刻风场特点：风场特点：运动方向水平为主，在不同季节、空域上随机特征较强，增运动方向水平为主，在不同季节、空域上随机特征较强，增 加了飞行器设计难度加了飞行器设计难度辐射特点：辐射特点：紫外线、粒子射线会对临近空间飞行器的机体、电子设备等紫外线、粒子射线会对临近空间飞行器的机体、电子设备等 产生不良影响产生不良影响其他特点：其他特点：伴有重力波、行星波及夜光云等复杂物理现象，对飞行器的伴有重力波、行星波及夜光云等复杂物理现象，对飞行器的 影响还有待进一步认识影响还有待进一步认识航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.34.3临近空间飞行器临近空间飞行器临近空间飞行器是指利用临近空间环境特点，实现在临近空间飞行器是指利用临近空间环境特点，实现在临近空间长时飞行，并用以执行特定任务的一类飞行临近空间长时飞行，并用以执行特定任务的一类飞行器器pp克服地球引力实现持久自主飞行；克服地球引力实现持久自主飞行；pp有效利用稀薄空气环境下的气动力实现高效飞行；有效利用稀薄空气环境下的气动力实现高效飞行；pp适应临近空间特殊的物理环境实现可靠飞行。适应临近空间特殊的物理环境实现可靠飞行。航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.34.3临近空间飞行器临近空间飞行器临近空间飞行器按飞行速度可以大致分为低动态临近空间飞行器按飞行速度可以大致分为低动态（Ma1Ma1Ma1）两大类和区域驻留、）两大类和区域驻留、低速巡飞、超声速、高超声速四个子类低速巡飞、超声速、高超声速四个子类高空飞艇太阳神RATTLRSHTV2临近空间飞行器低动态高动态区域驻留飞行器亚声速巡航飞行器超声速飞行器高超声速飞行器航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义以以毛毛泽泽东东为为代代表表的的第第一一代代党党和和国国家家领领导导人人决决策策发发展展了了以以“两两弹弹一一星星”为为代代表的尖端武器技术，为我国的航天事业的发展奠定了良好开端。表的尖端武器技术，为我国的航天事业的发展奠定了良好开端。中中国国正正处处于于伟伟大大复复兴兴的的战战略略机机遇遇期期，经经历历着着由由大大国国向向强强国国的的历历史史蜕蜕变变，开发临近空间可为我国实现跨越式发展提供强大动力。开发临近空间可为我国实现跨越式发展提供强大动力。以以邓邓小小平平、江江泽泽民民为为代代表表的的第第二二代代、第第三三代代领领导导人人决决策策发发展展了了以以“载载人人航航天天工工程程”及及“探探月月工工程程”等等为为代代表表的的先先进进航航天天技技术术，使使我我国国成成为为真真正正意意义义上上的航天大国。的航天大国。二二十十一一世世纪纪初初，党党和和国国家家领领导导集集体体作作出出了了“开开展展临临近近空空间间飞飞行行器器的的技技术术和和应用研究应用研究”的决策，这必将成为我国由航天大国迈向航天强国的里程碑。，这必将成为我国由航天大国迈向航天强国的里程碑。航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义军事意义军事意义新军事变革形势下的国际安全形式1）世界传统战略平衡被打破u导弹防御体系正在逐步建立u超级大国拥有大量进攻性核打击力量u进攻性非核精确打击力量的快速发展2）信息地位日趋重要u卫星防御能力弱、对敏感地区进行实时信息覆盖需要一定周期u传统航空器生存能力差、滞空时间短，难以满足战时长时间信息支撑的需求3）太空已进入军事战略视野u谁能控制太空，谁就能控制地球u空间控制依赖于快速廉价进出空间的能力航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义临近空间高超声速飞行器是有效突破导弹防御体系，提升战略、常规威慑能力及非对称打击能力的利器X-43AHyFlyX-51冷计划飞行速度：310Ma 飞行距离：几百几千公里飞行高度：2030km 时敏目标快速打击飞行器IGLA飞行速度：10Ma25Ma飞行距离：几千至上万公里 飞行高度：30km高超声速战略武器HTV-2航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义兵贵神速，出奇制胜兵贵神速，出奇制胜速度极高：20Ma，拦截难度极大；弹道多变：摆脱传统椭圆再入弹道模式，大机动能力进一步加大了其拦截难度；打击突然性强：两个小时之内覆盖全球任何目标航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义世界各国对于中国大力发展临近空间技术的反应世界各国对于中国大力发展临近空间技术的反应p日本：中国的高超音速导弹让日本面临严重危险，美国使日本面对中国的高超音速导弹无能为力，而“大难临头，美国不会管我们的”外交学者杂志网站。p德国：中国在军事领域总是“一鸣惊人”对华盛顿来说却是“冰冷的事实”，给五角大楼敲响了警钟。它映射出中国的世界大国地位和世界权力的重新分布“战争资讯”网站。p英国：，华盛顿因此十分担忧。今后面临不敢武力干预北京的局面，否则白宫就面临导弹的直接覆盖的危险，而五角大楼毫无拦截的能力每日星报。p美国：“它们的速度极快，优势在于能够突破导弹防御体系，如果你拥有这种速度极快的导弹，就可以轻易击中目标。”哈德逊研究所政治军事研究室主任理查德.怀兹航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义军事意义军事意义新军事变革形势下的国际安全形式1）世界传统战略平衡被打破u导弹防御体系正在逐步建立u超级大国拥有大量进攻性核打击力量u进攻性非核精确打击力量的快速发展2）信息地位日趋重要u卫星防御能力弱、对敏感地区进行实时信息覆盖需要一定周期u传统航空器生存能力差、滞空时间短，难以满足战时长时间信息支撑的需求3）太空已进入军事战略视野u谁能控制太空，谁就能控制地球u空间控制依赖于快速廉价进出空间的能力航空航天与工程科学航空航天与工程科学快速抵近侦察平台巡航速度：5Ma巡航高度：2535km侦查范围：3000km4.44.4临近空间开发利用的意义临近空间开发利用的意义临近空间飞行器可以大幅提升战场信息感知与对抗能力HAA 太阳神信息感知与对抗平台留空时间：数天数年飞行高度：2030km飞行速度：0.4-0.5T/Tm0.4-0.5T/Tm0.4-0.5T/Tm0.4-0.5情况，主要针对金情况，主要针对金情况，主要针对金情况，主要针对金属材料的高温蠕变力学体系日臻完善属材料的高温蠕变力学体系日臻完善属材料的高温蠕变力学体系日臻完善属材料的高温蠕变力学体系日臻完善航天航空领域的发展，将材料或结构服役条件拓展到航天航空领域的发展，将材料或结构服役条件拓展到航天航空领域的发展，将材料或结构服役条件拓展到航天航空领域的发展，将材料或结构服役条件拓展到更高温区（更高温区（更高温区（更高温区（1500150015001500），性能要求也愈发苛刻），性能要求也愈发苛刻），性能要求也愈发苛刻），性能要求也愈发苛刻当前高速飞行器结构效率与可靠性之间的矛盾突出，急当前高速飞行器结构效率与可靠性之间的矛盾突出，急当前高速飞行器结构效率与可靠性之间的矛盾突出，急当前高速飞行器结构效率与可靠性之间的矛盾突出，急需发展新的力学理论、方法和技术需发展新的力学理论、方法和技术需发展新的力学理论、方法和技术需发展新的力学理论、方法和技术航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.5.14.5.1高温固体力学高温固体力学起起起起飞飞飞飞重量重量重量重量更高更高更轻更轻更强更强 大气层内高超声速飞行器大气层内高超声速飞行器 革命性提升远程快速到达、机动和生存革命性提升远程快速到达、机动和生存能力，也是抢占临近空间的关键能力，也是抢占临近空间的关键 提出超高温非烧蚀防热新需求提出超高温非烧蚀防热新需求 可重复使用天地往返运输系统可重复使用天地往返运输系统 高效、可靠、低成本的空天往返高效、可靠、低成本的空天往返 需要发展重复使用需要发展重复使用/轻质轻质/可靠防热技术可靠防热技术 载人航天与深空探测（月球、火星）载人航天与深空探测（月球、火星）神舟多次成功返回，未来面对更高的神舟多次成功返回，未来面对更高的再再入入速度和更苛刻的热防护要求速度和更苛刻的热防护要求 航空发动机、固体火箭发动机、超航空发动机、固体火箭发动机、超燃发动机燃发动机热-滑翔滑翔:中中热流、高焓、低动压热流、高焓、低动压-再入再入:高热流、高焓、低动压高热流、高焓、低动压-巡航巡航:高热流、低焓、高动压高热流、低焓、高动压航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.5.14.5.1高温固体力学高温固体力学临近空间临近空间飞行器飞行器高温固体高温固体力学力学强非线性：强非线性：控制方程、材料本构、控制方程、材料本构、边界边界/载荷条件等载荷条件等强耦合性：强耦合性：服役环境、环境与材服役环境、环境与材料响应、环境料响应、环境/结构响应等结构响应等非确定性：非确定性：环境与载荷、材料性环境与载荷、材料性能、模型置信度等能、模型置信度等多尺度性：多尺度性：空间（微纳空间（微纳-宏观）、宏观）、时间（微秒时间（微秒-小时级）小时级）挑战高温带来的材高温带来的材料和结构问题料和结构问题耐高温复合材耐高温复合材料自身的问题料自身的问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学4.5.14.5.1高温固体力学高温固体力学高温材料高温材料-环境耦合作用问题环境耦合作用问题强激波强激波强激波强激波非平衡流动非平衡流动非平衡流动非平衡流动材料面材料面材料面材料面/体耦合体耦合体耦合体耦合非平非平非平非平衡衡衡衡过渡带过渡带过渡带过渡带气相化学气相化学气相化学气相化学反应边界层反应边界层反应边界层反应边界层来流来流来流来流M1飞行器飞行器飞行器飞行器激波层激波层激波层激波层壁面化学壁