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关于航天空气动力学创新发展的思考，这才是航天技术的核心竞争力！
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茶子
关于航天空气动力学创新发展的思考
沈 清
摘 要 本文基于高超声速技术的发展趋势和最新进展，论述了空气动力学创新发展的必要性。结合高超声速技术中的四项关键技术，分析了空气动力学的地位及其基础研究和技术创新研究的意义。通过对我国航天空气动力学研究的现状的分析，探讨了现实研究工作中存在的四个主要问题，并提出了四条改进的建议。
关键字 航天 高超声速 空气动力学
一、高超声速技术是一种全新的航天技术，对空气动力学提出了新的要求
2010年4月和5月，美国先后进行了X-37B、HTV-2和X-51A的飞行试验，给世界带来了很大的震动。尽管这三次试验并未完全获得成功，但是已经昭示了高超声速技术时代即将到来。
高超声速技术不同于以往的航天技术和航空技术。航空技术是指在稠密大气层内（约20公里高空以下）的飞行技术及其应用。航天技术是指在地球大气层外的空间（约100公里以上）运用的飞行技术及其应用。在20至100公里之间为近空间，大气密度很低，此处的大气层称为稀薄大气层。由于大气稀薄，飞机所获得的气动升力不足而无法在这一空域飞行。又由于存在大气层，航天飞行器也无法在这一空域进行绕地球轨道飞行。高超声速技术的出现，将使得飞行器可以在近空间空域进行飞行，并可以利用在近空间的飞行能力方便地进入太空或从太空安全灵活地返回地面。
1、高超声速技术将造就一类新型航天飞行器
2010年4月22日美国成功试飞的X-37B是一种可重复使用的小型化航天飞机，以取代已使用近30年的大型航天飞机。与现有的航天飞机相比，X-37B尺寸小、重量轻、飞行周期长、成本低，轨道转移灵活，发射和使用更加便捷。
X-37B还不能说是高超声速飞机，它只是航天飞机技术的进一步发展。那么，2010年4月26日美国试飞的HTV-2则是一个全新的高超声速飞行器，是美国“猎鹰”高超声速计划的第二步。“猎鹰”计划将发展一种可以实施全球打击的高超声速飞行器，用常规战斗部执行战略打击行动，即在不使用核武器的情况下利用技术优势实施“我打得到你、你打不到我”的不对称作战行动。HTV-2可以在近空间以20倍的声速飞行8000公里，在1小时内到达地球的任何地方。该飞行器发射9分钟之后与地面失去联系，只取得了部分成功，但是这一概念已获得了初步验证。
2010年5月26日美国试飞了X-51A，这是一种高超声速巡航导弹试验飞行器。与HTV-2利用惯性力和离心力进行高超声速滑翔的飞行方式不同，X-51A利用超声速燃烧冲压喷气发动机推进。这次飞行试验验证了超燃冲压发动机和乘波体气动布局的原理是可行的，预示着高超声速巡航导弹的核心技术即将走向成熟。
这三次飞行试验给我们的启示是：
（1）高超声速飞行器的时代已经来临，必将引发航天技术和军事技术的新变革。即进入太空和从太空返回地面的方式将发生改变，远程快速到达的方式将发生改变，军事作战的方式将发生改变。
（2）未来的空天飞行器的概念正在形成。飞行器基于涡轮基发动机（涡喷发动机或涡扇发动机）从机场起飞并加速到超声速，在涡轮-冲压组合发动机的推动下进一步加速到高超声速，在超燃冲压发动机的推动下进入临近空间飞行。此时，二级飞行器与母机分离，在火箭发动机推动下进入太空。二级飞行器在太空执行完任务，再入大气层返回机场。这就是所谓的TSTO（二级入轨）空天飞行器概念。
（3）在新一代空天飞行器技术发展过程中，将带动新一代航天武器的出现。小尺寸超燃冲压发动机的发展，将出现小尺寸的高超声速巡航导弹。中等尺寸超燃冲压发动机的发展，将出现大型、更远射程的高超声速巡航导弹。超燃冲压发动机与涡轮基发动机组合，将出现全球到达的高超声速侦察与作战飞机。当大尺寸超燃冲压发动机研发成功后，TSTO空天飞机概念就将成为现实。超燃冲压发动机技术是空天飞行器技术中最为关键的一环。
2、高超声速技术是高超声速飞行器的核心技术
传统的航空技术和航天技术是无法实现高超声速飞行的。高超声速飞行需要解决四个关键问题。即高超声速飞行条件下的巡航推进问题；高超声速加热环境下的长时间热防护问题；高超声速飞行器在稀薄大气层内飞行时的高升阻比气动布局问题；高超声速在稀薄大气层内飞行时的飞行控制问题。这四个问题均是基础研究和技术应用的难题，相关技术统称为高超声速技术。
高超声速技术起始于上世纪五十年代。人们在追求飞的更快的竞赛中，提出了研发高超声速飞行器（高超声速的概念可以追溯到20世纪30年代，德国人E.Sanger首先提出这一概念）。但是人们很快发现，高超声速技术存在着几乎不可逾越的障碍。经过几十年的探索、创新和尝试，人们逐步摸索到了解决之路：
为了解决高超声速巡航推进技术问题，人们提出了超燃冲压喷气发动机技术原理和方案。
为了解决长时间热防护技术问题，人们提出了主动冷却和热管理技术。
为了突破高超声速升阻比屏障，人们提出了乘波体技术原理。
为了实现在稀薄大气中的飞行控制，人们提出了喷流直接力控制技术等。
这四项关键技术是不同于传统航空航天技术的新技术。其中，最为困难的是超燃冲压喷气发动机技术。美国历经五十年的探索，超燃冲压喷气发动机终于在X-43A和X-51A演示飞行器上获得了成功的试验验证。
3、空气动力学是高超声速技术的基础，高超声速技术的发展要求空气动力学创新发展
空气动力学是一门应用基础学科，是高超声速技术的基础。简要说明如下。
（1）超燃冲压发动机包括了进气道、稳定段、燃烧室和尾喷管。进气道用于减速气流，并尽可能减少流动动量损失。稳定段用于消除激波干扰，为燃烧室提供稳定的燃烧条件。燃烧室用于燃料与超声速气流的混合与燃烧，将化学能转化为热能。尾喷管则用于将热能转化为动能。超燃冲压发动机的原理就是有效地进行流动组织和燃烧组织，基础是空气动力学和化学反应空气动力学，核心技术是高超声速气流减速、流动控制、混合增强、超声速点火和超声速燃烧。
（2）热防护包括了防热材料技术、热结构技术、热环境控制与管理技术。热环境控制与管理技术的核心是空气动力学。通过空气动力热环境分析，找到高热区和低热区，设计热疏导通道和主动冷却通道。通过气动外形的优化设计，降低局部高热环境。通过弹道与气动热的耦合设计，降低加热峰值等。
（3）高升阻比气动布局设计是空气动力外形设计。高超声速飞行器存在升阻比屏障，即飞行器随着马赫数和飞行高度的提高，升阻比急剧下降。不提高升阻比，就无法实现高超声速巡航飞行。目前，人们提出了乘波体概念，这是一个利用激波产生升力的原理，从理论上提高了升阻比的极限值。
（4）飞行控制的难题在于飞行空域气体稀薄，常规的舵面控制不能为飞行控制提供足够大的气动力。解决方法有两个途径。一是采用喷流直接力控制，或喷流与气动舵面的复合控制。二是采用静不稳定设计，增加飞行器机动飞行的敏捷性。
以上对关键技术的说明表达出三个含义：
（1）空气动力学是基础，高超声速飞行原理需要空气动力学理论，高超声速技术的发展需要空气动力学新原理和新方法；
（2）空气动力学需要与材料、结构、控制、燃烧等学科交叉，拓展空气动力学的研究领域；
（3）空气动力技术需要与推进技术、热防护技术、飞行控制技术融合，推动关键技术的创新发展。
二、关于我国空气动力学创新发展中若干问题的辩证分析
1、我国航天空气动力学发展现状
我国航天技术的发展自1956年以来经历了三个阶段，目前正处于从仿制、跟踪、自主研发的模式向自主创新研发模式的转变过程中。
第一个阶段是仿制阶段。这是我国航天技术的起步阶段，完成了第一代运载火箭和弹道导弹的研制。美国和俄罗斯在他们的航天技术起步阶段，也是在德国V-1和V-2导弹技术的基础上起步的。
第二个阶段是跟踪与自主研发阶段。由于美国和俄罗斯对我国实行技术保密，我国走了一条自主研发的道路。美国和俄罗斯的航天技术比我们先进，跟踪美俄的成功技术、自主研发是我们多快好省地发展航天技术的有效途径。在这个阶段，我国成功地实现了大型运载火箭和战略战术导弹武器的升级换代。在我国的技术研发过程中，也包括了创新的成分，这些创新以引进、消化、吸收和集成创新为主。
我国现在处于航天技术发展的第三个阶段，即自主创新发展的阶段。我们正处于这个阶段的初期。当前，高超声速技术正在成为未来航天技术的主要发展方向，美俄都还没有实现高超声速技术的工程化和实用化。以超燃冲压喷气发动机和其它组合式吸气式喷气发动机为动力、以近空间高超声速巡航飞行为特征的高超声速技术尚有诸多关键技术有待突破，我们在高超声速技术研发时只有参考对象而没有目标对象。如美国的X-37B、HTV-2和X-51A分别是航天飞机、高超声速战略打击和高超声速战术打击武器的参考对象。由于这些飞行器尚处于技术验证和样机研制阶段，我们还不能把他们作为最终的跟踪目标对象。因此，我国在发展高超声速技术时，必须走自主创新发展之路。
我国空气动力学研究体系的设置，是与我国航天技术的发展模式相适应的。现有的空气动力学研究水平可以基本满足仿制和跟踪研制的要求。若要开展自主创新研究，必须构建空气动力学创新研究体系。下表给出了现有的空气动力技术研究与应用能力和高超声速技术对空气动力学创新发展的实际需求。不难发现，高超声速技术对空气动力学的发展提出了诸多新的需求，这些新的需求将要求空气动力学必须创新发展。
表：我国现有空气动力学研究能力与创新发展需求
现有的空气动力技术能力 | 高超声速技术创新发展需求 | |
飞行器 | 再入弹头和飞船返回舱的轴对称体减速外形 | 天地往返运输飞行器的升力体外形 高超声速飞行器的乘波体外形 可控的静不稳定气动布局 |
气动力 | 圆锥轴对称体减速外形的气动力 | 高升阻比气动力设计原理 增升、减阻、降热原理 流动控制原理 |
气动热 | 以烧蚀型防热材料为主的热防护 | 以材料、结构、空气动力学耦合的主动冷却热防护 |
吸气式推进技术 | 应用基础研究 | 高超声速进气道流动 超声速燃烧室流动 混合增强 超声速点火与燃烧组织 流动控制与降热减阻 |
飞行控制 | 空气舵飞行控制 | 高空喷流飞行控制 复合气动飞行控制 不稳定布局的BTT控制 |
空气动力学的创新发展是高超声速技术、乃至未来航天技术创新发展的基础。做好了空气动力学的创新发展，可以为我国从跟踪国外先进技术、自主研发的模式转向自主创新发展的模式，即实现源头上的创新发展，具有战略意义。
2、国外航天空气动力技术发展之借鉴
美国、俄罗斯和欧洲在航天技术的发展上都采取了积极探索、创新发展的模式。他们的发展模式无一例外地体现以下特点：
（1）把航天技术作为国家的战略技术，投入巨资进行先期研发；
（2）注重基础研究和技术创新研究，并有体制保障，目前所有的航天技术均出自他们；
（3）具有能够承受失败、不畏挫折的精神、传统和社会氛围；
（4）拥有一大批勇于探索和创新的高素质科学家和工程技术人才队伍，建设有国际一流的地面模拟与试验设备。
航天飞行器技术有四项关键技术，分别是热防护与结构、推进、飞行控制和气动布局。这四项关键技术的基础是空气动力学理论。
美国、俄罗斯和欧洲最著名的航天技术研究单位NASA、TSAGI、TSNIIMASH、DLR等，都设立了有空气动力学研究中心。特别是NASA，设立有两个空气动力学专业研究中心，分别是Ames中心和Langley中心。
美国在航天技术发展历史上始终追求创新发展，也经历过诸多失败。在高超声速技术发展的道路上，历经多次大起大落。在上世纪五十年代和六十年代，首次分别探索高超声速飞行器X-20和超燃冲压发动机HRE，以失败告终。于是，在上世纪七十年代，启动了高超声速空气动力学基础研究和超声速燃烧基础研究。上世纪八十年代，航天飞机取得了成功，但是高超声速飞行器X-30遇到了失败。上世纪九十年代，航天飞机遇到了严重挫折，“挑战者号”和“哥伦比亚”号航天飞机相继失事。为发展下一代航天技术，美国重新启动高超声速计划，开展X-43A、X-51A高超声速飞行器技术演示试验，重点解决空气动力技术和超燃冲压发动机技术（超燃冲压发动机的核心技术是空气动力学的应用）。本世纪，X-43A在经历初次失败后，取得了两次飞行试验成功的结果。2010年，美国的X-37B、HTV-2和X-51A先后进行了飞行演示验证飞行试验， X-37B获得了成功，HTV-2和X-51A则获得了部分成功。这些事例突出显示了美国人的探索和创新精神，值得我们思考和学习。
俄罗斯也是航天技术创新发展之典范。俄罗斯曾经在美国之前取得了超燃冲压发动机的技术进步，但是由于上世纪末国家分裂、社会动荡、经济衰退，丧失了继续发展的机遇。目前，俄罗斯的空气动力学研究机构TSAGI和TSNIIMASH人才队伍断档，基础研究停顿，新技术研发止步不前，航天型号试验屡次失利。以往积累的雄厚技术基础在高超声速新技术面前正面临过时的危机。
3、我国空气动力学科研中的若干问题
（1）、技术现状与高超声速飞行器发展要求不适应。表现在科研能力不强，缺乏自主创新意识和能力。以往在惯性再入弹头、飞船返回舱方面的技术不能简单升级为升力体、乘波体等新技术。
（2）、人才队伍与空气动力学创新研究的要求不适应。我国的空气动力技术研究有两个基地，分别是中国航天空气动力研究院、中国空气动力研究与发展中心，其它单位有力学所和七所高校。总体上研究规模小、科研队伍小，整体素质与美俄相比不高、经验不足。
（3）、条件保障与创新型研究能力的要求不适应。我国的空气动力学研究是面向传统型号研发的服务保障型，缺乏高水平基础研究和先进的技术创新型的研究条件。
（4）、科研模式与技术创新发展不适应。我国现有的科研模式是成果管理型模式，缺乏激发积极主动的创新研究科研的机制。技术创新研究过程包括了基础研究、新原理探索、新技术应用等多个环节的相互联系和相互促进。目前以高校为主的基础研究、以专业研究所为主的技术研究和以型号设计单位为主的工程应用缺乏有机联系，基本上相对独立。
三、关于我国空气动力学创新发展的思考
空气动力学的学科研究为基础研究，以空气动力学为基础开展的技术研究为应用研究。空气动力应用技术为专业技术，为高超声速技术的研究提供专业技术支撑，为高超声速飞行器的工程研发提供技术保障。高超声速飞行器创新发展的源头是空气动力学的创新发展。在我国现有条件下，如何开展空气动力学的创新发展，是我们开展航天技术创新研究必须思考的首要问题。解决好了，我们将走向一条自主创新的航天技术发展道路。解决不好，我们依旧是跟随国外的航天技术发展的道路。即，别人有什么，我们模仿什么；别人探索什么，我们跟什么。换句话说，别人没有的，我们也没有；别人没有想到的，我们也想不到。
基于前面对我国空气动力学创新发展中四个问题的辩证分析，在此提出我国空气动力学创新发展急迫需要实施的四项举措。
1、加强基础研究、学科交叉和技术融合发展，形成空气动力学创新发展的基础
正确认识基础研究与技术发展的辩证关系，是我们合理布局基础研究和应用研究的前提，是我们做好空气动力技术创新发展顶层设计的前提。西方近代科学技术的快速发展已经给了我们启示，科学基础研究的突破会对科学技术的创新、新技术产业的形成产生巨大的推动作用。
人们在认识上往往存在两个极端倾向。一个认识倾向是为基础研究而进行基础研究。这个认识往往存在于基础研究人群，容易产生为基础研究而研究的思想方式。另一个认识倾向是，基础研究距离应用研究太远，工程需求可以牵引基础研究，不需要超前的基础研究。这个认识往往存在于工程技术人群，忽视了基础研究超前于技术发展的特点，容易造成基础研究落后于工程技术的需要。之所以存在这两种倾向，是因为人们的思维只反映了基础研究与技术发展相互独立的关系。
航天技术属于系统性、复杂性的技术。在航天技术的发展过程中，基础研究与技术发展是相互作用的。技术发展为基础研究提出需求，此时的基础研究为应用基础研究，技术发展起到了牵引作用。当基础研究取得进展，提出技术应用的新原理和新方法时，基础研究起到了推动作用。
针对我国基础研究薄弱、学科之间独立发展、技术研究单位独立运行的现状，应从顶层设计开始，对空气动力学的基础与应用研究进行有方向、有目标地指导。原则是：
针对高超声速技术需求，加强空气动力学的基础研究，即空气动力学理论、方法和应用研究。目标是突破高超声速流动的建模、数值计算、风洞试验、气动热环境、动态飞行等难点问题，实现从科学理论到技术研发不同层面上的对高超声速流动的认识，建立相应的研究手段和试验方法。这是高超声速技术发展对空气动力技术的牵引。
空气动力学与吸气式推进技术、热防护技术、高升阻比气动布局技术、飞行控制技术等关键技术在基础学科上进行交叉、在技术应用上融合发展。在这里，空气动力学起着基础支撑的作用。空气动力学的创新发展可以提出空气动力应用的新概念、新原理、新方法和新技术，可以推动其他关键技术的创新发展。超燃冲压发动机、疏导式热防护、乘波体气动布局等就是空气动力学推动下的技术创新。空气动力学与飞行控制技术相结合，可以设计出可控的静不稳定气动布局，可以突破高超声速飞行器的升阻比屏障，同时也可以使乘波体气动布局这一先进技术原理得以应用。
要实现这一顶层设计，还需要在科研模式上取得相应的改进。在科研模式上，应建立持续的基础研究和致力于技术创新的科研模式，以超前的技术创新研究形成技术储备，并在技术创新和工程应用之间形成牵引与推动的良性互动。
2、加强科研探索型人才培养，建设基础研究与新技术探索双强的研究队伍
国内外专业技术人才的教育形式都是一样的，即完成本科教育后，进入研究生教育，然后进入工作单位在实践中进行岗位职业教育。现阶段，我国的大学本科和研究生教育水平距世界先进水平有较大差距，不能满足我们开展技术创新研究的要求。因此，最后一个阶段的岗位职业教育是弥补高校教育不足最为重要的一课。我个人体会，创新型人才应注重三个方面的素质培养。一是专业知识的训练，二是研究方法的训练，三是培养辩证分析基础研究、应用研究和工程研发之间相互作用关系的思维能力。
航天技术是一项多学科交叉、多种技术融合的系统性、复杂性技术。即使是单项技术的研究，也要涉及到多种研究手段、研究方法的应用和相互补充。空气动力学是科研难度很高的学科，涉及到理论分析、工程建模、数值模拟、风洞试验等多种手段，要解决流动现象认识、机理分析、流动控制原理与方法等诸多难题。在技术创新过程中，要完成技术原理探索、技术应用方法与技术验证等任务，需要多种手段相结合才能实现这一过程。以往服务于型号研发的单独的数值模拟与风洞试验模拟方式不能满足这一要求。对于技术原理试错探索的研究过程，以往简单的输入-输出单向科研模式也不再适用。因此，必须建立一支多学科综合、多专业相互配合的基础研究与新技术探索综合的研究团队，这支队伍应长期致力于基础研究与技术探索双强的研究。
3、改善面向基础研究的科研条件建设，促进新技术的探索研究
我国现有的空气动力学科研条件是面向型号设计，以完成风洞试验为主要任务，存在着基础研究能力极为匮乏、技术创新研究能力极为不足的问题。当我们试图开展技术创新研究时，遇到了没有先进测试手段、没有新型实验方法研发能力、没有多专业协同实验条件的重大障碍。因此，在设置技术创新研究项目时，应同时开展面向基础研究的科研条件建设。在开展空气动力学基础研究时，相关的研究方法和研究手段也将获得新的发展。
4、改进科研管理模式，引导创新技术良性发展
改进现有科研评价方法，增加对基础研究和技术创新研究双强模式的领导和指引，增加对原创技术知识产权的尊重和保护，从机制上促进科研人员和科研资源在基础研究和技术创新双强方向上的投入。即，通过开展持续的基础研究，建立技术创新发展的基础和能力，获得并保持航天技术核心竞争力的优势地位。
四、结束语
本文简单综述了在高超声速技术发展的新趋势下，空气动力学发展的使命和意义。通过对高超声速技术四大关键技术的辩证分析，探讨了我国航天领域空气动力学的发展方向，浅析了当前存在的主要问题。本文针对我国如何进行航天空气动力学的创新发展，提出了四条建议。建议的中心思想是，开展持续的基础研究、致力于技术创新发展、建立航天技术的核心竞争力。
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boli 这家伙很懒，什么也没有留下
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