“飛行器如何在上層大氣層機動飛行”？專家這樣說

來源：環(huán)球時報

【環(huán)球時報報道 記者 劉揚】在上月舉行的第二十五屆中國科協(xié)年會主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布了2023重大科學(xué)問題（10個）等重大研究課題，包括“如何實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行”在內(nèi)的前沿科學(xué)問題入選引發(fā)關(guān)注。《環(huán)球時報》就此采訪了中國航天空氣動力技術(shù)研究院（以下稱航天十一院）的相關(guān)專家。

航天十一院沈清研究員表示，作為我國空氣動力事業(yè)發(fā)源地，航天十一院的科研人員開創(chuàng)性地提出了“上層大氣層空氣動力學(xué)”概念并進(jìn)行了相關(guān)探索，這項研究將突破傳統(tǒng)空氣動力學(xué)的局限性，帶來顛覆性技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展，帶動空間飛行器與應(yīng)用的重大科技進(jìn)步。

1946年錢學(xué)森從空氣動力學(xué)觀點總結(jié)出了有關(guān)稀薄氣體的研究成果，指出在幾十公里高空飛行時將會遇到稀薄氣體動力學(xué)問題。他提出稀薄氣體動力學(xué)中3個流動領(lǐng)域的劃分，為研究稀薄氣體動力學(xué)作了開創(chuàng)性工作。77年后，航天十一院的科研團(tuán)隊在稀薄氣體動力學(xué)領(lǐng)域積累了豐富的理論研究和工程應(yīng)用經(jīng)驗，解決了火星探測、探月工程等國家重大工程中的稀薄氣動問題。

沈清表示，“站在前人的肩膀上，研究團(tuán)隊將視野前瞻到了距離地面100300公里高度（主要是100200公里）這個人們一直想利用而無法利用的空域，這就是我們提出的‘上層大氣層空氣動力學(xué)’概念”。

為什么要研究上層大氣層空氣動力學(xué)？《環(huán)球時報》記者從航天十一院了解到，距地面20公里以內(nèi)的大氣層，是各類飛機的“地盤”，到了20100公里高度，高超音速飛行器大顯身手，高度超過300公里的外太空，飛行器可以繞地球衛(wèi)星軌道飛行，唯獨100300公里高度，殘留的空氣使飛行器無法持久飛行，因此這部分空域一直無法被利用。

據(jù)介紹，這一空域大氣密度極低，在傳統(tǒng)的空氣動力學(xué)理論下，不足以產(chǎn)生維持其在該空域飛行的升力，又存在不可忽視的阻力，而上層大氣層空氣動力學(xué)發(fā)展緩慢，尚不滿足這一空域飛行器的發(fā)展需求。研究一旦取得突破，將帶來顛覆性影響，形成新的科學(xué)技術(shù)體系，做到上層大氣層空域的有效利用，帶動對地觀測、通信等關(guān)系民生和國防的重大科技進(jìn)步，填補在此空域飛行的飛行器空白。

要實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行，最需要攻克哪些挑戰(zhàn)？專家表示，在100200公里低/超低地球軌道大氣環(huán)境條件下，阻力系數(shù)和大氣密度是飛行器氣動力難以預(yù)測的最大影響因素，超低阻氣動構(gòu)型是飛行器在這一空域?qū)崿F(xiàn)長期駐留運行的前提條件，這些難以預(yù)測的因素使得低阻氣動外形無法設(shè)計。依據(jù)現(xiàn)有的空氣動力學(xué)理論，稀薄流區(qū)飛行器的升阻比很低，摩阻在總阻力中所占比例很高，不滿足低阻飛行器研制需求，需要研究上層大氣層空氣動力學(xué)新理論，揭示其與飛行器作用機理，依據(jù)分子與分子、分子與表面的碰撞本質(zhì)，尋找在這一空域長期駐留的飛行器氣動布局。上層大氣層空氣動力學(xué)研究的關(guān)鍵難點和挑戰(zhàn)性，體現(xiàn)在它的多尺度特征及多場耦合方面，也是它區(qū)別于傳統(tǒng)空氣動力學(xué)的主要方面，例如，氣體分子和固體表面的相互作用。新的氣體與表面相互作用模型主要采用分子動力學(xué)模擬進(jìn)行構(gòu)建，目前處于探索階段，面臨的問題是受限于時間和空間尺度的局限性，尚未獲得正確性驗證。

目前我國的相關(guān)研究進(jìn)展如何？據(jù)沈清介紹，研究團(tuán)隊提出了新飛行原理——混合軌道空間機動飛行，開展了四大課題研究，設(shè)計新飛行器氣動布局、新飛行軌道和控制方式、新材料和結(jié)構(gòu)，并通過我們自己的風(fēng)洞進(jìn)行試驗驗證。