近空间飞行器重大研究计划：瞄准未征服的新空域

清华大学的冯雪教授正在工作

国防科技大学教授梁与专家讨论了爆震燃烧试验台的试验改进方案。

哈尔滨工业大学课题组进行了高温力学性能试验。

中国科技大学王建华研究小组开展强化冷却基础研究。

编者按:今天，传统飞机无法进入、航天器无法起飞的“临近空间”已经成为全球战略竞争的焦点，也带来了前所未有的技术挑战。2007年，中国国家自然科学基金发起了一项重大研究项目“临近空间飞行器的关键基础科学问题”。九年来，在该计划的支持下，中国在临近空间飞行器的研究方面取得了一系列突破。最近，主要计划通过了验收。本基金版总结了该项目的经验和四项具有代表性的科研成果，以充分展示这一重大项目。

■本报记者甘晓

在过去的一百年里，航天飞行器的研发已经成为人类最大的科技创新活动。然而，在我们的上空仍有一部分空域很少进行长期飞行和应用——传统飞机无法进入的“临近空间”，航天器也无法离开。如今，临近空间已经成为全球战略竞争的焦点，带来了前所未有的技术挑战。

2007年，中国国家自然科学基金(以下简称“国家自然科学基金”)启动了“临近空间飞行器关键基础科学问题”重大研究项目(以下简称“重大项目”)。经过九年的实施，该重大计划取得了丰硕的研究成果，并于近期顺利通过验收。

“我们已经为进入、控制和利用人类未征服的临近空间奠定了坚实的科学和人才基础。”中国工程院院士、重大计划专家组组长杜告诉《中国科学日报》。

扮演领袖和旗帜的角色

哈尔滨工业大学教授、重大项目秘书组组长孟松河表示，目前国际上还没有统一的近空间定义，近空间通常指20至100公里的空域，具有空气稀薄、气流稳定、太阳能丰富等环境特征。

“临近空间相对稀薄的空气不仅可以提供升力，降低气动阻力和热负荷，还可以为推进系统提供氧化剂，为长期高效的高超音速飞行提供理想的走廊，大大提高远程快速到达、对时间敏感目标的快速响应、廉价可靠的进入太空等人类太空飞行能力，将对未来的国家安全和人民生活带来革命性的影响。”孟松河说。

半个多世纪以来，人类为实现近空间高超音速飞行做出了许多努力。然而，由于缺乏对相关基础科学问题的了解，基础研究没有得到持续的支持，也未能取得积极的成果。

从第九个五年计划开始，中国逐渐增加了在高超音速领域的投资。《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》提出重点关注高超声速推进系统、可压缩湍流理论、高温气体热力学、新材料结构力学等重大航天力学问题，以满足“国防科技和航天建设保障国家安全的迫切战略需求”。

随后，基金委员会确定了“基础研究要服务于国家重大需求”的指导思想，重点关注与近空间高超音速远程机动飞行器相关的关键科学问题，并及时启动重大研究项目。

"这是中国第一个高超音速飞行的系统基础研究项目，发挥着先导和先导作用."杜对说:

该重大计划实施以来，在提高核心科学问题研究能力、人才培养和研究模式方面取得了重要成果，成为近空间高超声速飞行器发展和创新的供应方。

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，以前不理解的东西现在可以理解了。以前没见过的现在看见了。与此同时，一些先进的安排已经作出。这为工程实践从经验型上升到理论指导型，走出一条有自己特色的道路奠定了基础。”

多学科整合寻求突破

在重大计划实施过程中，专家组的顶层设计和积极引导作用得到充分发挥。临近空间飞行器的关键基础科学问题首先被确定为“临近空间飞行环境的空气动力学”、“先进推进理论和方法”、“超轻型材料/结构和热环境预测与保护”、“高超音速飞行器的智能自主控制理论和方法”以及其他四个核心科学问题。

“从认知的过程和功能来看，这四个核心科学问题体现了高超声速飞行器‘空气动力学需要先行，动力是核心，结构和材料是基础，控制是关键’的学科特征。”杜告诉《中国科学》的记者。

高超声速飞行器是一个复杂系统，体现了多学科高度集成和非线性耦合的特点。主要计划由基金会委员会数学科学部牵头，由工程与材料科学部和信息科学部联合组织实施。“研究过程体现了力学、物理、化学、数学、材料科学、信息科学和其他相关基础学科的交叉和整合。”孟松河告诉《中国科学》的记者。

孟松河进一步介绍说，四个核心科学问题各自的研究方向和内容加强了跨学科整合。例如，空气动力学问题应该强调推进和控制的要求，以及结构和材料的限制。推进问题不仅要考虑流动和燃烧的综合，还要注意热保护和控制引起的相关问题。

与此同时，通过加强“关键支持项目”和“项目组”，研究人员在热防护、减阻、机体/推进一体化等方面提出了许多新概念。七个整合项目体现了“问题驱动”与核心科学问题的“大协同”，促进了关键科学问题的突破。

在杜看来，这一重大计划的组织和实施为跨学科和多学科的整合找到了多种渠道，是其主要贡献之一。

“磨刀和砍柴”都是事实。

对临近空间飞行器的研究需要科学认知和工程实践的紧密结合。工程实践只有在基础理论取得突破后才能得到推进，基础研究成果只有通过飞行试验才能得到验证。研究人员这样比喻:如果基础科学研究是“磨刀”，那么工程实践就是“砍柴”。在此之前，两位研究者之间很少有交流的机会，这限制了这一领域的快速发展。

中国科技大学的王建华教授是一位从事强化冷却前沿研究的科学家。他的主要方向是多孔介质中传热传质过程的建模、数值模拟和实验技术。

"在参与重大研究项目之前，我很少考虑我的研究可以应用到哪里."王建华告诉《中国科学》的记者。在过去的九年里，她在交流和讨论活动中结识了包括工程研究人员在内的许多相关领域的研究人员，她的理论研究也受到了工程部的重视。

对此，王建华表示，正是这个重大计划为她提供了这种可能性。“对于我们的基础研究人员来说，这个计划起到了很好的指导作用，引导我们关注国家的主要需求，提炼科学问题，从源头上解决工程问题。”

清华大学冯学教授也坚持“满足工程应用需求，探索基础科学关键问题”的研究理念，实践了“工程应用制图基础科学，基础科学支撑工程应用”的研究理念。他们开发了高温和超高温在线测量和表征方法，弥补了传统标记点或数字图像相关技术的不足，促进了学科的发展。他们的研究成果也已推广应用到多个工程单位。

他们认为，工程实践与基础科学相结合的理念极大地增强了工程单位对该学科领域研究的重视，为后续相关学科在工程领域发挥更大作用奠定了基础。

人才培养保证可持续发展

吸引和培养人才是基础研究的重要任务，是提高一个领域创新能力和可持续发展的关键。2004年，回到中国后不久，王建华得到了国家自然科学基金的资助。"当我第一次回家时，我的研究小组只有我和一名研究生."她回忆道。在九年重大研究项目的稳步支持下，其研究团队逐步扩大，目前有三名副研究员和七名研究生。

许多参与这一重大项目的科学家对王建华也有类似的经历。“高温环境下热防护涂层的力学性能测试及失效机理研究”方向一直支持冯雪。他带领团队开发了高温光学，并独立开发了高温试验的科学仪器，获得了一系列原创性成果，如热防护系统地面检查的结构视觉测量。在项目的支持下，冯雪还获得了杰出青年基金和国家杰出青年基金。目前，他已成为清华大学航空航天学院非常规环境下的力学和微器件领域的学术带头人。

在过去的九年里，这个主要项目涉及29个支持单位和近700名研究人员，并培养了数千名博士和硕士毕业生。它不仅为航天领域注入了新鲜血液，而且有效地促进了航天研究团队与基础研究团队的结合。

“为了在任何领域或方向上变得更大更强，我们必须首先拥有人。未来，这样一个基础研究团队将支持中国临近空间飞行器乃至整个空间飞行器的可持续发展。”杜对说:

《中国科学日报》(第六版基金，2017年1月23日)

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