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重大研究计划“近空间飞行器的关键基础科学问题”2007年度项目指南

日期 2007-06-08   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

  近空间飞行器的发展涉及国家安全与和平利用空间,是目前国际竞相争夺空间技术的焦点之一,是综合国力的体现。本重大研究计划围绕近空间飞行器研究中的重要科学问题,通过多学科交叉研究,增强我国近空间飞行器研究的源头创新能力,为我国未来近空间飞行器的发展奠定技术创新的基础。

  一、科学目标

  以近空间高超声速远程机动飞行器的关键基础科学问题研究为核心,以跨学科的创新理论和源头创新方法为手段,以期在近空间飞行环境下的空气动力学、先进推进的理论和方法、超轻质材料/结构、热环境预测与热防护、高超声速飞行器智能自主控制理论和方法等方面实现如下目标:

  1.在前沿领域研究方面,形成近空间飞行器关键基础科学问题的创新理论与方法,在国际上占有一席之地,为国家相关技术的形成与发展提供基础源泉;

  2.在技术方法的源头创新上有所突破,提升我国在相关领域的自主创新能力,支撑相关技术的跨越式发展;

  3.在该领域聚集和培养一支站在国际前沿、具有理论和源头技术创新能力的优秀研究人才队伍,促进该领域若干个跨学科的基础研究平台的形成,支撑我国近空间飞行器技术的可持续发展。

  本重大研究计划以30-70公里中层近空间的高超声速远程机动飞行器涉及的科学问题为研究重点,在以下几个方面期望获得突破:

  1.飞行器的气动力和离心力相结合的飞行原理与方法;

  2.长时间近空间飞行热环境以及非烧蚀防热原理与方法;

  3.与超声速燃烧等相关的推进机理与方法;

  4.高温、非平衡、粘性干扰、稀薄气体效应和湍流效应相互耦合作用的机理与预测方法;

  5.近空间飞行环境的实验及数值模拟理论和方法,计算流体动力学与计算结构动力学耦合的理论与方法;

  6.超轻质多功能材料、新构型和材料/结构一体化优化设计方法;

  7.材料力热耦合响应机理及热防护结构设计原理与方法;

  8.智能自主控制理论和可变体飞行原理与飞行控制方法。

  二、核心科学问题

  (一)近空间飞行环境下的空气动力学

  研究和发展适合近空间环境特点的高超声速远程机动飞行器,面临着新的空气动力学基础科学和技术问题。在气动布局方面,必须认识高层大气的特定条件下,高超声速流动的基本物理现象;在总体技术基础上,需要研究近空间飞行器高超声速远程、机动飞行时气动力、热为约束的多目标飞行轨道优化设计方法,为发展近空间飞行器提供基础研究储备。

  1.惯性弹道飞行与气动飞行相结合的新飞行原理和气动布局优化:发展多目标一体化优化设计方法,研究高升阻比的布局原理,研究静动态稳定性特征,创立近空间空气动力的新理论与新布局;发展高精度、高分辨率的计算格式以及与边界处理相协调的数值模拟方法;发展实验模拟新理论、新方法。

  2.高温稀薄气体效应、粘性干扰机理与可压缩湍流理论:研究非定常稀薄气体流动机理;发展从连续流到稀薄流以及考虑化学平衡、非平衡效应的统一算法;研究近空间高温条件下真实气体效应以及喷流干扰的真实模拟方法;探索稀薄电离气体流动现象;发展涉及高空粘性干扰的飞行器气动特性预测方法;探索可压缩流动的转捩机理及转捩准则,高速流动的减阻机理。

  3.非烧蚀防热理论和方法:发展气动热、力与热防护的一体化计算方法,高声阻比复杂升力体外形与热结构/热防护的一体化设计方法;研究保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护设计方法与技术、多目标飞行轨道优化设计方法。

  (二)先进推进的理论和方法

  为了实现30-70公里高度近空间内高超声速长时间飞行,吸气式高超声速推进系统必须适应大气密度随高度的增加而急剧下降的特点。随着飞行高度的增加,飞行马赫数必须随之升高,以使燃烧室达到足够的氧气密度。但是,在高马赫数情况下,燃烧释放的能量转化为推力的能力显著下降。例如马赫数为8时,气流的动能与燃烧释放的能量大致相当。因此,对于来流动能的损失必须高度重视。另一方面,高超声速条件下的离解能的利用问题,发动机燃烧室的热防护和热管理问题也须得到足够重视。需要探索适合近空间高超声速飞行的新型推进原理与方法。

  1.高速气流燃烧机理:研究高速气流条件下燃烧的喷射(雾化)、混合、点火和火焰稳定机理与工作过程,流动与燃烧过程的相互作用机理,提高燃烧性能,扩展燃烧工作稳定性范围;探索高效率能量转换的新理论、新方法。

  2.地面实验模拟和流场诊断:研究飞行器高空高速飞行条件模拟的新原理、新方法;建立吸气式高超声速推进系统和飞行器热环境、热结构地面试验方法;发展高速内流与燃烧流场的诊断方法,探索燃烧性能评价理论与方法。

  3.新的推进原理和方法:开展脉冲爆震发动机、组合式循环发动机、激光推进、微波推进和核推进等新型推进原理以及新概念推进理论与方法的探索研究。

  (三)超轻质材料/结构及热环境预测与防热

  近空间高超声速远程机动飞行器为了获得高机动性和长航程,需要发展超轻质、高强韧复合材料以尽可能降低结构重量系数。另一方面,近空间飞行器热防护问题具有复杂的外形、中低热流和长时间加热的特点,为了获得良好的气动特性,一般需采用锐形的前缘结构并保持飞行器外形不变的非烧蚀热防护技术。目前的热环境预测方法和烧蚀型热防护技术难以满足要求,需要发展新的热环境预测方法、新型热防护材料体系与结构概念。

  1.超轻质多功能材料、新构型和材料/结构一体化优化设计:发展超轻质多功能材料及新构型的设计理论与方法,结构与材料的多功能一体化优化设计方法;先进轻质材料的抗冲击设计理论;研究超轻质、防热/热电/吸波/透波多功能先进材料的设计、制备与表征方法。

  2.防热材料与结构:研究非烧蚀超高温材料的强韧化原理,探索超高温耐久性抗氧化、耐烧蚀机理;发展非烧蚀热防护原理和先进宏细观热防护理论,建立高强韧、高温材料与防热结构一体化设计原理与方法。

  3.热环境与热防护的耦合:发展近空间高超声速远程机动飞行器特征区域的热环境参量的准确预测方法;建立计算流体动力学与计算结构动力学相耦合的热环境/结构分析与设计方法;探索新型防热、隔热原理和机制。

  (四)高超声速飞行器智能自主控制理论和方法

  近空间飞行器在高超声速、高机动条件下飞行,对飞行控制、结构控制、气动控制均提出很高的要求,迫切需要研究飞行稳定性与机动性协调的控制、智能自主控制、可变体飞行及其控制等理论和方法,从而适应大范围的飞行环境和更高的机动性。

  1.高超声速飞行器的飞行控制与结构控制:飞行器总体和结构的动力学建模;飞行器的运动稳定性、复杂运动和振动的分析与控制;伺服气动弹性、颤振控制;推进/热控/气动力/姿态协调控制;参数与状态耦合的不确定非线性智能自适应控制;混合异类多操纵面复合控制;余度容错高可靠控制;高动态载体运动信息自主获取方法。

  2.可变体飞行气动原理与控制方法:可变体飞行器气动原理和气动性能预测;可变体飞行器的飞行力学与控制;可变体飞行器在受控变形过程中的飞行稳定性、流动控制与操纵设计方法;可变体飞行器结构的力学建模与控制。

  3.复杂苛刻服役环境下功能器件与智能结构系统:复杂苛刻服役环境下功能器件与结构性能的多场耦合效应、失效机理与可靠性理论;分布式嵌入器件的结构失效破坏机理;智能器件与结构的一体化热设计、自适应热防护;针对可变体飞行器的智能结构、智能器件及其集成理论和技术。

  三、2007年度拟资助的研究项目

  本重大研究计划拟分5个年度受理申请项目,主要以“培育项目”和“重点支持项目”的形式予以资助。对具有比较好的创新性研究思路或比较好的苗头,但尚需一段时间探索研究的申请项目将以“培育项目”方式予以资助,资助强度每项不低于50万元,实验类研究项目的资助强度每项可达80万元左右;对具有较好研究基础和积累,有明确的重要科学问题需要进一步深入系统研究,同时体现学科交叉特征的申请项目将以“重点支持项目”的方式予以资助,资助强度每项约为300万元。

  申请者请注意:作为本重大研究计划项目启动的第一年,本年度只受理“培育项目”的申请。2007年度该计划资助经费总额为2000万元,拟资助“培育项目”30项左右,项目执行期均为3年,即2008年1月-2010年12月。

  四、申请注意事项

  1.申请者在填报申请书前,要认真阅读本指南。必须在该重大研究计划的核心科学问题内进行选题,同时要体现学科交叉研究的特征以及对解决核心科学问题和实现计划总体目标的贡献。不符合项目指南的申请将不予受理。为避免重复资助,项目申请应注意与重大科技专项、863和973等国家相关科技计划的区别、关联与侧重。

  2. 为加强项目的学术交流,促进多学科交叉与集成,本重大研究计划每年将举办一次资助项目的年度学术交流会,并不定期地组织相关领域的学术研讨会。获资助项目负责人有义务参加重大研究计划指导专家组和管理工作组所组织的上述学术交流活动。

  3.申请书中,资助类别请选择“重大研究计划”, “培育项目”的亚类说明选择“面上项目”,附注说明选择“近空间飞行器的关键基础科学问题”,申请代码可根据实际研究内容由申请者自行选择并填写。

  4.申请书由数理科学部受理。申请项目由数理科学部、工程与材料科学部、信息科学部等组成的管理工作组组织专家评审。

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