香山会议第508次-新型航天器中的力学问题

新型航天器中的力学问题

——香山科学会议第508次学术讨论会综述

航天科技是二十世纪人类最伟大的成就之一，它深刻改变了人类的生活方式和观念，在提高生活质量、影响世界格局、彰显国家意志、保证国家安全、倍增经济发展、引领科技进步等方面发挥着重要作用。

力学是研究力与运动基本规律和实际应用的科学，更是基础科学与重大工程技术之间的桥梁。回顾人类追求飞天梦想的发展历程，航天科技与力学相互依赖、相互促进、相辅相成。力学通过自身综合及与其它学科相互交叉渗透，在解决众多工程技术问题基础上，尤其是在航天器高性能、高精度、高可靠等苛刻要求驱动下，步入现代力学时代，解决问题的能力更强，范围更宽，方法更为丰富，为航天科技的快速发展做出了重要贡献。2014年10月28日至29日，香山科学会议在北京召开了主题为“新型航天器中的力学问题”的第508次学术讨论会。中国航天科技集团杜善义教授、西北电子科技大学郑晓静教授、北京理工大学胡海岩教授和北京航空航天大学李椿萱教授担任会议执行主席，来自中国航天科技集团，相关高等院校、科研院所的

54名专家学者参加了会议。会议围绕（1）高速空气动力学；（2）高温固体力学；（3）复杂航天器结构动力学进行深入讨论

中国航天科技集团公司科技委于登云研究员做了《新型航天器的发展趋势及对力学学科的新挑战》主题评述报告。他首先阐述了航天科技进步与力学学科发展之间相互依赖、相互促进、相辅相成的密切关系，并指出：我国由航天大国向航天强国迈进的进程中，为更好地执行深空探测、载人航天、天地往返和卫星及卫星应用等多项任务，需要一系列功能性更强、复杂性更高、个性化更突出的包括大型/重型运载火箭、大型变结构空间飞行器、天地往返可重复使用航天器以及临近空间飞行器等；新型航天器面临更为苛刻的服役环境，要求更高的可靠性和结构效率、更强的抗极端能力、更严格的控制精度，同时要满足长寿命和低成本等需求，这对航天器设计和研制带来了一系列新的挑战；这些挑战具体体现在大型组合体耦合载荷与环境获取、大尺寸结构地面试验验证、多场环境下复合材料结构动强度设计、力热耦合试验验证、航天器变参数动力学分析、航天器刚-柔-液非线性耦合分析、气动布局多学科多目标协同设计、高效轻质热防护、飞行器气动力/热特性高效高精度预测、气动参数辨识与天地换算、气动与结构/声/光等多学科耦合效应评估等十一项工程需求或技术难题；急需力学研究者在多场耦合作用下飞行器结构响应规律、复杂流场特性下的耦合失控机理、非线性刚/柔/液耦合作用机理、可压缩湍流与转捩流动机理、复杂真实气体效应动力学模型、高温复合材料结构失

效机理、气动力/热/结构多学科耦合动力学等七个方面取得突破；建议针对这些新挑战和新机遇，充分发挥工程单位、科研院所与高校的协同创新作用，进一步开展深入的基础研究和关键技术攻关，提升我国新型航天器的研制水平和创新能力。

与会专家针对主题评议报告进行了认真、热烈的讨论，从不同层面和角度提出自己的观点和看法。大家一致认为，力学贯穿于航天器设计、分析、试验、工艺、制备、评价和应用整个环节，新型航天器的大型化、复杂化，服役环境的超常化、使用性能的高要求化，给已有理论、计算、实验等带来巨大挑战；由极端工况、强非线性、快时变性等问题带来的关键力学问题若不加以解决，将会严重影响我国航天科技和工业的未来发展。大家一致认为，航天器力学的共性问题集中在地面实验和数值模拟上，航天器研制需要充分的地面试验考核和验证，但地面试验方法在模拟真实服役环境上存在很大局限性，尤其是我国的系统性试验能力不足，测试手段相对简单，严重缺乏飞行试验和验证能力，亟待加强相关的基础研究。需要关注发动机内流、跨介质水动力学、低空大动压、轻质结构优化可制造性、工程优化方法等方面的研究；许多制造、工艺和工程问题在本质上是理论和基础问题，应进一步挖掘工程需求中深层次的理论问题。有专家指出，目前社会及媒体对我国航天科技成就的评价过于盲目和乐观，学术界应客观分析我国航天科技存在的问题，实事求是地向社会和媒体进行介绍；目前学术界的“孤岛”式研究多，过度关注学术论文，从工程中提炼

科学问题和开展创新研究不够，许多学术研究缺乏真正的工程背景和需求。与会专家一致认为，当前缺乏工业部门、研究机构与高校间的有机联合机制，需认真做好“架桥”工作，加强协同创新，要在评价机制等方面做出改进。

一、高速空气动力学

与会专家在《高超声速空气动力学的发展及思考》、《高超声速气动力/热数值模拟理论与方法研究》、《高温气体动力学研究进展与趋势》、《高超声速气动力热模拟与科学问题》的报告中分别从高性能计算、物理建模、多学科交叉、优化设计、试验与模拟的耦合等方面介绍了国外发展情况和重点，分析了我们目前的主要进展与差距；分析了高温气体流动中激波与热化学反应耦合；从几何、动力学和热力学相似等角度出发，分析了CFD方法、气动力风洞、电弧风洞和推进风洞试验在模拟真实服役状态方面的局限性。

在讨论过程中，大家普遍认为高超声速空气动力学非常复杂，缺乏基础性认识会直接影响工程成败，有重要理论意义和不可替代性。俞鸿儒研究员提出目前我国跟踪式研究太多，中国人很聪明，为什么老是跟踪别人，要自主创新，要鼓励年轻人敢于做有风险的尝试。安复兴研究员详细分析了美国HTV-2两次飞行失败情况，并指出其根本原因是误差带问题，马赫数10以上在地面无法模拟，只能通过数

值模拟，飞行中会暴露问题。有专家认为我们在此方面曾建立了比较完整的研究体系，保证了我国相关型号的发展，现在面临着非平衡、非定常、与表面耦合等新的挑战，同时认为数值计算越来越重要，处理方式不同对结果影响很大，现在研究方法的能力有所退步，建议研究自己的CFD软件。大家认为需要加强数值模拟方法的验证与确认工作，高度关注有自主知识产权的软件开发与集成，适当条件下共享飞行试验、大型地面试验结果。

二、复杂航天器结构动力学

与会专家在《具有时变特征的航天结构动力学》、《通信卫星等大型航天器动力学分析设计技术的进展与展望》、《大型航天器结构振动与控制问题》、《高超声速飞行器结构热/振动/噪声耦合问题》报告中，阐述了开展具有时变特征的航天结构动力学研究的重要性，分析了上述研究在动力学建模、数值模拟和地面模拟试验中面临的困难； 提出了新一代平台和航天器的需求及工程研制中面临的理论挑战，并呼吁应持续支持此方向的基础研究；指出在航天器姿轨机动、进出地影及太阳翼/天线运动过程中会激发结构振动，对其高精度性能和任务能力产生严重影响，甚至导致结构破坏，大型化、柔性化则是结构振动分析和控制面临的严峻的挑战；分析了高超声速飞行器服役环境、结构特征以及现行工程解决方法的局限性，并给出了热结构复合材料的热噪声试验现象、响应规律等研究结果。