作者:甘晓 来源:中国科学报 发布时间:2017/1/23 12:12:12
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近空间飞行器重大研究计划:瞄准未征服的新空域

清华大学教授冯雪在工作中

国防科技大学教授梁剑寒在爆震燃烧试验台与专家探讨实验改进方案。

哈尔滨工业大学课题组开展高温力学性能试验。

中国科技大学王建华课题组进行强化冷却基础研究。

编者按:当今,传统航空器上不去、航天器下不来的“近空间”,已成为全球战略竞争的焦点,也带来了前所未有的科技挑战。2007年,国家自然科学基金委员会启动了重大研究计划项目“近空间飞行器的关键基础科学问题”。九年来,在该计划支持下,我国近空间飞行器研究取得一系列突破性进展。近日,该重大计划通过验收。本期基金版梳理总结该计划取得的经验及四项代表性的科研成果,以期充分展现这一重大项目。

■本报记者 甘晓

近百年来,航空航天器的研发已成为人类最大规模的科技创新活动。不过,在我们头顶上尚有一段鲜有持久飞行和应用的空域——传统航空器上不去、航天器下不来的“近空间”(Near Space)。如今,近空间成为全球战略竞争的焦点,带来前所未有的科技挑战。

2007年,国家自然科学基金委员会(以下简称“基金委”)启动了“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“重大计划”)。通过九年的实施,该重大计划取得了丰硕研究成果,近日顺利通过验收。

“我们为进入、控制和利用近空间这一人类尚未征服的空域,奠定了坚实的科学和人才基础。”该重大计划指导专家组组长、中国工程院院士杜善义告诉《中国科学报》记者。

扮演引领和旗帜角色

该重大计划秘书组组长、哈尔滨工业大学教授孟松鹤介绍,近空间目前国际上尚无统一定义,通常指20至100公里之间的空域,具有空气稀薄、气流平稳、太阳能丰富等环境特征。

“近空间相对稀薄的空气不仅可以提供升力,减缓气动阻力和热载荷,还可以提供推进系统氧化剂,为实现长时间、高效的高超声速飞行提供理想走廊,大幅度提升远程快速到达、时间敏感性目标快速响应,廉价可靠进入空间等人类空天飞行能力,将会给未来国家安全和人民生活带来革命性的影响。”孟松鹤表示。

半个多世纪以来,人类为实现近空间高超声速飞行已付出诸多努力,但由于对相关基础科学问题认识不足,基础研究未能得到持续支持,而始终未能修成正果。

从“九五”计划开始,我国逐步加大了在高超声速领域的投入。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)提出重点研究高超声速推进系统、可压缩湍流理论、高温气体热力学、新材料结构力学等航空航天重大力学问题,满足“国防科技与航空航天建设为维护国家安全提供保障的迫切战略需要”。

随后,基金委明确了“基础研究要为国家重大需求服务”的指导思想,以近空间高超声速远程机动飞行器涉及的关键科学问题为重点,及时启动了重大研究计划。

“这是我国第一个关于高超声速飞行的系统性基础研究计划,扮演着引领和旗帜的角色。”杜善义表示。

该重大计划实施以来,在提升核心科学问题研究能力、人才培养、研究模式上取得重要成果,成为近空间高超声速飞行器发展和创新的供给侧。

该重大计划指导专家组成员、国防科技大学教授王振国说:“通过加强基础研究,以前不明白的地方,现在有些明白了,以前看不到的东西,现在看到了,同时还做了一些超前的部署。这为工程实践从经验型上升到理论指导型,完全走出一条有自己特色的路,奠定了基础。”

多学科融合寻找突破

该重大计划实施过程中,充分发挥了指导专家组的顶层设计和主动引导作用,将近空间飞行器的关键基础科学问题首先明确为“近空间飞行环境的空气动力学”“先进推进理论和方法”“超轻质材料/结构及热环境预测与防热”“高超声速飞行器智能自主控制理论和方法”等四个核心科学问题。

“从认识的过程和作用来看,这四个核心科学问题体现了‘气动需先行,动力为核心,结构与材料是基础,控制是关键’的高超声速飞行器学科特点。”杜善义告诉《中国科学报》记者。

高超声速飞行器是一个复杂的系统,体现了多学科高度一体化与非线性耦合的特征。该重大计划由基金委数理科学部牵头,联合工程与材料科学部和信息科学部组织实施。“研究过程体现了对力学、物理、化学、数学、材料科学、信息科学等相关基础学科交叉与融合的促进。”孟松鹤向《中国科学报》记者表示。

孟松鹤进一步介绍,四个核心科学问题中的每一个研究方向和内容都强化了多学科交叉与融合。例如,气动问题要强调推进与控制的要求、结构和材料的限制,推进问题不仅要求流动、燃烧一体化考虑,而且要关注防热与控制带来的相关问题。

同时,通过强化“重点支持项目”“项目群”等方式,研究人员在防热减阻、机体/推进一体化等方面提出了诸多新概念。7个集成项目则体现了“问题驱动”和核心科学问题间的“大协同”,促进了关键科学问题的突破。

在杜善义看来,该重大计划的组织实施,为多学科、多领域的交叉融合找到了多种渠道,是其重大贡献之一。

“磨刀砍柴”两不误

近空间飞行器的研究要求科学认知和工程实践密切结合。工程实践需要基础理论突破后才能推进,基础研究成果则要通过飞行试验才能验证。研究人员这样比喻道:如果说基础科研是“磨刀”,那么,工程实践就是“砍柴”。此前,两个部分研究人员交流机会较少,制约了这一领域的快速发展。

中国科技大学教授王建华是一名从事强化冷却前沿研究的科学家,主要方向是多孔介质传热传质过程的建模、数值模拟方法及实验技术。

“参与重大研究计划前,我很少考虑自己的研究能应用在什么地方。”王建华告诉《中国科学报》记者。九年间,她在交流研讨活动中结识了来自许多相关领域的研究者,包括工程研究者,而她的理论研究也被工程部门关注。

对此,王建华表示,正是该重大计划为她提供了这一可能。“对我们基础研究者而言,这个计划非常好地发挥了引导作用,引导我们去关注国家重大需求,提炼出科学问题,从源头上解决工程难题。”

清华大学教授冯雪也秉承了“既满足工程应用需求、又探索关键基础科学问题”的研究理念,实践了“工程应用牵引基础科学、基础科学支撑工程应用”的研究思路。他们开辟了高温及超高温在线测量表征手段,弥补了传统标记点或数字图像相关技术的不足,推动了学科发展,其研究成果也推广应用到多个工程单位。

在他们看来,工程实际与基础科学相结合的思路极大地加强了工程单位对本学科领域研究的关注,为后续相关学科在工程领域发挥更重要的作用奠定了基础。

人才培养保障可持续发展

吸引和培育人才是基础研究的重要使命,是一个领域创新能力提升和可持续发展的关键。2004年,王建华回国后不久,便得到国家自然科学基金的支持。“刚刚回国时,我的课题组只有我和一名研究生。”她回忆。在重大研究计划长达九年的稳定支持下,其研究组逐渐壮大起来,目前已经有3名副研究员和7名研究生。

许多参与该重大计划的科学家与王建华有着类似的经历。冯雪得到了“高温环境下热防护涂层力学性能测试及失效机理研究”方向的持续支持。他带领团队发展了高温光学并自主研制高温试验科学仪器,获得了热防护系统地面考核的结构级可视化测量等一系列原创性成果。冯雪也在项目资助下获得优秀青年基金、国家杰出青年基金。目前,他已成为清华大学航天航空学院非常规环境下力学与微器件方向的学术带头人。

九年来,该重大计划共涉及29个依托单位、研究人员近700人,已经培养博士、硕士毕业生上千名,不仅为航空航天领域注入了新鲜的血液,还有效地促进了航空航天研究队伍与基础研究队伍的结合。

“任何一个领域或方向的做大、做强,首先必须要有人,未来,这样一支基础研究队伍将支撑起我国近空间飞行器乃至整个空天飞行器的可持续发展。”杜善义表示。

《中国科学报》 (2017-01-23 第6版 基金)
 

 

 
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