专家揭示飞行器在上层大气层的机动飞行秘诀

来源:环球时报

【环球时报报道 记者 刘扬】在上月举行的第二十五届中国科协年会主论坛上,中国科协发布了2023重大科学问题(10个)等重大研究课题,包括“如何实现飞行器在上层大气层机动飞行”在内的前沿科学问题入选引发关注。《环球时报》就此采访了中国航天空气动力技术研究院(以下称航天十一院)的相关专家。

航天十一院沈清研究员表示,作为我国空气动力事业发源地,航天十一院的科研人员开创性地提出了“上层大气层空气动力学”概念并进行了相关探索,这项研究将突破传统空气动力学的局限性,带来颠覆性技术创新发展,带动空间飞行器与应用的重大科技进步。

1946年钱学森从空气动力学观点总结出了有关稀薄气体的研究成果,指出在几十公里高空飞行时将会遇到稀薄气体动力学问题。他提出稀薄气体动力学中3个流动领域的划分,为研究稀薄气体动力学作了开创性工作。77年后,航天十一院的科研团队在稀薄气体动力学领域积累了丰富的理论研究和工程应用经验,解决了火星探测、探月工程等国家重大工程中的稀薄气动问题。

沈清表示,“站在前人的肩膀上,研究团队将视野前瞻到了距离地面100-300公里高度(主要是100-200公里)这个人们一直想利用而无法利用的空域,这就是我们提出的‘上层大气层空气动力学’概念”。

为什么要研究上层大气层空气动力学?《环球时报》记者从航天十一院了解到,距地面20公里以内的大气层,是各类飞机的“地盘”,到了20-100公里高度,高超音速飞行器大显身手,高度超过300公里的外太空,飞行器可以绕地球卫星轨道飞行,唯独100-300公里高度,残留的空气使飞行器无法持久飞行,因此这部分空域一直无法被利用。

据介绍,这一空域大气密度极低,在传统的空气动力学理论下,不足以产生维持其在该空域飞行的升力,又存在不可忽视的阻力,而上层大气层空气动力学发展缓慢,尚不满足这一空域飞行器的发展需求。研究一旦取得突破,将带来颠覆性影响,形成新的科学技术体系,做到上层大气层空域的有效利用,带动对地观测、通信等关系民生和国防的重大科技进步,填补在此空域飞行的飞行器空白。

要实现飞行器在上层大气层机动飞行,最需要攻克哪些挑战?专家表示,在100-200公里低/超低地球轨道大气环境条件下,阻力系数和大气密度是飞行器气动力难以预测的最大影响因素,超低阻气动构型是飞行器在这一空域实现长期驻留运行的前提条件,这些难以预测的因素使得低阻气动外形无法设计。依据现有的空气动力学理论,稀薄流区飞行器的升阻比很低,摩阻在总阻力中所占比例很高,不满足低阻飞行器研制需求,需要研究上层大气层空气动力学新理论,揭示其与飞行器作用机理,依据分子与分子、分子与表面的碰撞本质,寻找在这一空域长期驻留的飞行器气动布局。上层大气层空气动力学研究的关键难点和挑战性,体现在它的多尺度特征及多场耦合方面,也是它区别于传统空气动力学的主要方面,例如,气体分子和固体表面的相互作用。新的气体与表面相互作用模型主要采用分子动力学模拟进行构建,目前处于探索阶段,面临的问题是受限于时间和空间尺度的局限性,尚未获得正确性验证。

目前我国的相关研究进展如何?据沈清介绍,研究团队提出了新飞行原理——混合轨道空间机动飞行,开展了四大课题研究,设计新飞行器气动布局、新飞行轨道和控制方式、新材料和结构,并通过我们自己的风洞进行试验验证。