“飛行器如何在上層大氣層機動飛行”？專家這樣說

來源：環球時報

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

航天十一院沈清研究員表示，作為我國空氣動力事業發源地，航天十一院的科研人員開創性地提出了“上層大氣層空氣動力學”概念并進行了相關探索，這項研究將突破傳統空氣動力學的局限性，帶來顛覆性技術創新發展，帶動空間飛行器與應用的重大科技進步。

1946年錢學森從空氣動力學觀點總結出了有關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問題。他提出稀薄氣體動力學中3個流動領域的劃分，為研究稀薄氣體動力學作了開創性工作。77年后，航天十一院的科研團隊在稀薄氣體動力學領域積累了豐富的理論研究和工程應用經驗，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’概念”。

為什么要研究上層大氣層空氣動力學？《環球時報》記者從航天十一院了解到，距地面20公里以內的大氣層，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。

據介紹，這一空域大氣密度極低，在傳統的空氣動力學理論下，不足以產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發展緩慢，尚不滿足這一空域飛行器的發展需求。研究一旦取得突破，將帶來顛覆性影響，形成新的科學技術體系，做到上層大氣層空域的有效利用，帶動對地觀測、通信等關系民生和國防的重大科技進步，填補在此空域飛行的飛行器空白。

要實現飛行器在上層大氣層機動飛行，最需要攻克哪些挑戰？專家表示，在100200公里低/超低地球軌道大氣環境條件下，阻力系數和大氣密度是飛行器氣動力難以預測的最大影響因素，超低阻氣動構型是飛行器在這一空域實現長期駐留運行的前提條件，這些難以預測的因素使得低阻氣動外形無法設計。依據現有的空氣動力學理論，稀薄流區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新理論，揭示其與飛行器作用機理，依據分子與分子、分子與表面的碰撞本質，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研究的關鍵難點和挑戰性，體現在它的多尺度特征及多場耦合方面，也是它區別于傳統空氣動力學的主要方面，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模擬進行構建，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。

目前我國的相關研究進展如何？據沈清介紹，研究團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，設計新飛行器氣動布局、新飛行軌道和控制方式、新材料和結構，并通過我們自己的風洞進行試驗驗證。