科创中国

行业领域

航空航天技术

需求背景

具备超高速度、超高温度、超长作用时间等特点的流体/固体跨介质作用是未来各类型高端装备共同面临的极端环境，如快速响应低轨道卫星、深空探测与返回器、超高速飞行器与临近空间长期驻留飞行器等，极端状态流体与作用对象界面产生的高温跨介质热/力/化学行为是众多国防武器装备和前沿科学探索项目面临的共性基础重大科学问题。如：1）深空探测第二第三宇宙速度进入/返回再入问题。火星、小行星及未来的地外天体的远程探测与返回面临极高速度飞行及极高焓气动环境问题，而轻量化设计和突破“黑障”又对相关理论和预示提出了更高要求；2）临近空间超高速度低空高机动飞行问题。高速低空飞行给飞行器带来了高强度和高脉动量的力/热载荷，甚至与结构存在耦合响应，带来温度超限及热气动弹性等问题，给防热/突防带来了不确定性；3）地外天体撞击地球与空间高速粒子撞击人造飞行器问题。地外天体高速进入地球大气和高速粒子的冲击会引起接触界面高温化学反应和结构损伤，对灾害评估和有效的避险措施提出了研究需求；4）发动机内流燃烧与防热结构相互作用问题。大推力高马赫数固体、液体和冲压发动机的发展带来了多相流加热、烧蚀与侵蚀及结构防护设计问题。

需解决的主要技术难题

热/力/化学耦合研究存在的主要技术难题：

一是高速飞行多物理场/多尺度耦合作用机制机理尚不明晰。对于典型的弹道再入飞行器要解决高温非平衡流场参数的有效预测，同时还要解决材料表面特性与非平衡流场耦合影响问题。高焓非平衡流动气体与防热材料表面之间由于存在温度场、浓度场、速度场等多物理场的耦合作用，在不同时间和空间尺度上发生复杂的物理/化学反应，使热力学、化学现象与流动扰动耦合问题突出。气动热环境带来的对流、辐射和化学热等热载荷，使得防热材料发生氧化、烧蚀、相变等物理化学反应生成新的气/液/固相产物，不仅直接导致材料表面辐射、催化、导热等特性发生非线性变化，而且引起材料表面宏、微观结构的改变，提高了材料内外传热/传质机制的复杂性，导致传热传质研究由宏观到微观的原理性转变，但这些问题的理论和方法亟待进一步发展。

二是支撑热/力/化学耦合研究的数理模型、高效高精度算法和基础数据库还较欠缺。在建模方面，耦合作用下的催化模型、氧化模型及材料多组分分子力场模拟方法难以精确建立；反映多物理化学机制的综合作用下的高温烧蚀、机械剥蚀、粒子侵蚀带来的微结构与局部热环境的变化特征的耦合建模存在困难；揭示微观动力学机理的热/力/化学耦合建模存在不足。在算法方面，高超声速高温流动、烧蚀/剥蚀/侵蚀变化与结构响应物理紧耦合，时间尺度的差异性给数值求解带来严重的刚性问题，运动边界给网格重构、场信息交互等带来困难。更为基础的是，长期以来高温气体化学反应、辐射光谱、材料物理化学响应等基础数据严重依赖国外文献，且难以覆盖背景飞行器的服役环境，尚未形成面向飞行器研发的自主化高温热/力/化学基础数据库。

三是高时空分辨、多维信息融合的地面试验模拟方法和高温测量手段有限。地面模拟实验和先进测量技术是研究热防护机理支撑飞行器研发的重要手段。受限于各类地面模拟试验设备能力，来流状态/组分与飞行状态不同，防热材料热响应机理也有显著的差异，难以复现真实飞行环境，需要根据环境特征和防热材料响应的物理本质，建立科学的地面模拟理论和方法。如电弧加热设备由于在运行过程中存在“电极烧损”现象而难以满足防热材料机理研究需求，亟需研制具备产生纯净、高焓化学非平衡流场的地面模拟设备。面向高端装备研制，高热时变环境使传统的接触式、浸入式测量方式难以适应，需要发展结合光、声、电等多元测量原理的高时空分辨、多维信息融合的测量技术。高温非接触测量领域高端仪器，如高频脉动压力传感器等，一直是欧美对我严格禁运的主要方面，而国内相关高温测量技术尚难以形成能力，亟待独立自主开发。

四是天地相关性研究基础薄弱，多源数据获取结果存在差异，标准化不够，难以共享协同应用。获取高速飞行器气动热与热防护数据通常有三种途径：风洞实验、数值计算和飞行试验。这三种途径各有优缺点：风洞实验可以模拟更多状态，但难以复现真实飞行环境，且存在洞壁干扰和支架影响；数值模拟尽管可以模拟全域情况，但受模型、算法、网格等影响，结果保真度待进一步提高；飞行试验可以获得真实飞行环境下的气动数据，但是受传感器安装方式、测量精度、采样频率及后处理影响，重复性测量代价高昂。目前该领域研究尚未形成标准化规范，导致各类研究结论差异性巨大，甚至出现方向相悖的结论。因此，亟需发展高温跨介质的热/力/化学耦合研究的天地相关性模拟理论和研究方法，加强热/力/化学耦合数据的标准化工作，以期实现共享协同应用，进而带动行业共同发展。

五是热/力/化学耦合研究力量分散，面向高端装备关键基础问题系统性研究相对滞后。高端装备研制是实现空天科技领域高水平自立自强的根本。尽管我国高速飞行器发展突飞猛进，部分领域走在世界前列，但精细化设计水平不足，主要表现为高超声速飞行器设计冗余度高，而制约飞行器研发的热/力/化学耦合机理等热防护问题未得到根本性解决。长期以来，热防护相关研究力量分散在空气动力学、工程热物理、固体力学等学科领域，缺乏系统性研究。研究人员多专注于单一学科，面对热/力/化学耦合的融合性人才欠缺，与此相关的学科体系和研究力量尚未固化。

期望实现的主要技术目标

一是面向关键基础问题，整合国内研究力量，坚持原创导向，建立热/力/化学耦合研究的新生态。以习近平总书记关于加快建设创新型国家，坚持自主创新、重点跨越、支撑发展、引领未来的总体要求及科技创新的“四个面向”的基本精神为指导，针对跨介质热/力/化学耦合问题进行多维度多层次解析，建议针对基础理论与建模问题，坚持面向世界科技前沿、坚持原创思维导向，建立相对长期的基础研究规划政策和支持措施，如加强在基金及重大计划中的系统性组织和实施等；对现阶段制约高端装备发展的关键技术，提炼共性问题，坚持面向国家重大需求，整合国内优势及跨学科力量，开展专项课题研究，真正满足技术“引领”高端装备的跨越式发展需求。

二是坚持自立自强、自主发展，持续推进多场耦合设计算法和软件研发，提升飞行装备数字化设计能力。国产工业软件是先进飞行装备研制的必备工具，实现装备数字化设计的必由之路。通过相关政策措施鼓励行业内的联合研究，集中优势资源开展高性能计算框架、数值离散与数据交互方法及物理模块的应用开发等研究，结合先进软件工程和高性能计算技术，发展热/力/化学耦合的高分辨率强鲁棒性数值计算方法，形成具有自主知识产权面向工程的国产软件系统，提升飞行装备数字化设计能力。

三是推动极端高温条件下热/力/化学耦合实验平台建设和国产自主专用传感器的研发，加强高温热/力/化学耦合现象的确认与验证。发展以电感耦合等离子体风洞等为代表的新型高超声速热环境模拟地面试验平台建设，推动极端高温条件下的国产自主专用传感器的研发。包括基于极高温复杂组分离解电离的非平衡流场重构技术、基于气-固反应组元的浓度诊断技术及烧蚀后退及氧化损伤的三维重构技术等。针对热/力/化学耦合特有现象及关键设计问题，鼓励发展地面模拟试验技术和开展专业化的气动飞行试验，加强计算、地面试验和飞行试验的数据相关性分析，形成模拟理论和验证方法，为高端装备设计提供支撑。

四是建立热/力/化学耦合问题基础数据库，发展适用于复杂多物理场耦合的高效、高精度数理模型，构建基于数据和模型的数据共享平台。通过不同分析手段，包括数值模拟、实验测量以及飞行试验等，获得多源异构大数据，建立热/力/化学耦合问题基础数据库；通过人工智能方法，深度利用跨域多源大数据，构建数据驱动的热/力/化学耦合智能模型。联合国内各家优势单位，建立相关数据与模型标准，形成数据和模型的共享平台。

五是建立长期稳定的热/力/化学耦合交叉型学科人才培养模式，形成常态化的学术交流机制。高温跨介质的热/力/化学耦合研究是一项跨学科的研究，须通过国家和行业学会的长期稳定支持，完善激励与评价机制，进一步促进相关学科的交叉与融合，培育新兴学科和交叉型研究人才，形成国家战略科技力量；构建跨学科的学术交流机制或组织，形成常态化的交流平台，促进重大基础理论和技术的原始创新，引领国际相关领域研究，推动新时代空天装备研制和空天科技高水平发展。

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