商品详情
书名：新型飞行器中的关键力学问题
定价：98.0
ISBN：9787030545060
作者：中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果，涉及自然科学各学科领域，是目前规模*大的学科发展战略研究项目。
《中国学科反战战略·新型飞行器中的关键力学问题》系统介绍了21世纪以来国内外所提出的各种新型或新概念飞行器的背景、发展态势，重点阐述了由此对力学学科带来的新挑战、新需求，详细分析了力学学科相关领域的研发进展和存在的问题，并就目前需求迫切、学科关注的17个关键科学问题进行了详细论述。
目录：
目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xv
**章 绪论 1
**节 力学与航空航天 1
第二节 新型飞行器发展态势 3
一、国际上新型飞行器发展态势 3
二、我国新型飞行器发展态势与任务使命 21
第三节 新型飞行器对力学的新需求和新挑战 22
一、空气动力学 23
二、固体力学 25
三、动力学与控制 26
四、试验与数值模拟 26
第四节 未来发展思考和建议 27
参考文献 28
第二章 先进战斗机气动设计的发展与挑战 30
**节 引言 30
第二节 目前气动设计的研发体系 31
一、气动设计的任务和手段 31
二、CFD的发展 34
三、风洞试验的创新 36
第三节 当前面临的需求与挑战 37
一、气动与“X”综合优化设计 37
二、精益敏捷的气动设计流程提升 38
三、减阻设计和阻力的精确确定 39
四、非定常气动力 40
五、流动控制技术 41
第四节 结束语 42
参考文献 42
第三章 空气动力学的新问题 43
**节 引言 43
第二节 为什么会有新问题 44
第三节 新问题是什么 48
参考文献 49
第四章 高超声速飞行器气动特性与湍流问题 50
**节 问题提出 50
第二节 相关研究发展态势 52
一、复杂多效应耦合作用 52
二、流动转捩与层流分离问题 57
三、飞行器气动布局与动态特性 59
第三节 当前面临的需求和挑战 62
第四节 未来发展建议 64
参考文献 65
第五章 高超声速气动热力学问题 67
**节 背景需求 67
一、发展大气层内高速飞行器的需求 70
二、可重复使用天地往返运输系统的需求 71
三、载人航天和深空探测未来发展的需求 72
第二节 国外研究现状和发展态势 73
第三节 国内研究现状和发展态势 75
第四节 关键问题和挑战 76
一、高温气体与非平衡效应及其建模 76
二、非平衡流场的地面模拟与流场重构 77
三、气动热环境与材料表面的多物理场/多尺度耦合作用机制 79
第五节 未来发展重点与建议 84
参考文献 86
第六章 飞行器流动控制问题 87
**节 问题提出 87
第二节 相关研究发展态势 88
一、格尼襟翼 88
二、涡流发生器 89
三、仿生流动控制技术 90
四、环量控制 91
五、合成射流 92
六、等离子体激励器 93
第三节 当前面临的需求与挑战 94
一、技术性问题 94
二、可靠性问题 95
三、工艺性问题 95
第四节 未来发展建议 96
一、先进实验技术及数值方法研究 96
二、流动控制基础研究 96
三、流动控制应用研究 96
四、流动控制新方法研究 97
五、飞行器总体及流动控制应用一体化设计研究 97
六、发展路径及可行性分析 97
参考文献 97
第七章 飞行器低雷诺数流动问题 99
**节 问题提出 99
第二节 相关研究发展态势 100
一、经典层流分离泡理论及相关的新发现 101
二、低雷诺数气动特性的非线性特征 105
三、低雷诺数流动的数值模拟和风洞试验 107
四、低雷诺数流动三维效应 111
第三节 当前面临的需求和挑战 112
一、低雷诺数效应对飞行器性能的影响 112
二、低雷诺数气动特性预测精度 113
三、低雷诺数流动机理、演化规律及低雷诺数效应的有效抑制 114
四、低雷诺数飞行器伴随的飞行力学响应和气动弹性问题 115
参考文献 116
第八章 新型空天推进系统中的力学问题 118
**节 问题提出 118
第二节 相关研究发展态势 119
一、新型推进系统基本原理 119
二、高超声速流动机理及控制理论研究 123
三、超声速燃烧机理及燃烧增强机制研究 125
四、超声速传热机理及先进发动机热防护方法研究 128
第三节 当前面临的需求与挑战 130
一、超燃冲压发动机 130
二、爆震发动机 131
三、组合循环发动机 132
第四节 未来发展建议 133
参考文献 134
第九章 飞行器轻质结构力学问题 135
**节 问题提出 135
第二节 新概念飞行器结构优化设计理论 136
一、新一代结构拓扑优化理论与方法 136
二、多目标多约束近似模型的优化理论与方法 137
三、飞行器非确定性结构优化设计理论与方法 137
四、面向考虑制造特征的飞行器结构优化理论与方法 137
第三节 新概念飞行器结构力学 138
一、可展开结构力学性能分析与设计 138
二、智能结构力学性能分析与设计 139
三、整体结构力学性能分析与设计 139
四、考虑集中力扩散的结构力学性能分析与设计 140
第四节 未来发展建议 140
参考文献 141
第十章 多功能/智能材料与微系统力学问题 143
**节 问题提出 143
第二节 相关研究发展态势 145
一、基于压电材料的振动控制系统 145
二、自给、自感知与自适应智能微系统 146
三、植物物质运输多功能系统与仿真系统 147
四、自愈合材料与微系统 148
五、基于柔性介电弹性体材料的变形结构 149
六、基于智能材料的变体飞行器结构 150
七、基于高应变聚合物复合材料的空间可展开结构 151
八、基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构 152
九、力学相关方向发展态势 153
第三节 当前面临的需求与挑战 156
一、主动大变形纤维增强复合材料的力学行为 156
二、变形/承载一体化、变刚度的多功能材料技术 157
三、多物理场耦合作用条件下的多功能材料力学行为 157
四、轻质/大输出力的驱动材料及其器件技术 158
第四节 未来发展建议 158
一、自感知、自适应多功能材料与微系统的设计与研制 159
二、主动大变形复合材料及其结构的力学行为研究 159
三、多功能材料与微系统多场耦合条件下的本构理论研究 160
四、多功能材料与微系统的结构力学性能和失效行为表征 160
参考文献 161
第十一章 高温材料与结构力学问题 162
**节 问题提出 162
第二节 相关研究发展态势 164
第三节 当前面临的需求与挑战 169
一、高温性能测试与表征技术的局限性 169
二、高温材料体系的复杂性 170
三、高温本构关系与强度理论的挑战性 170
四、材料高温行为研究的多学科性 171
第四节 未来发展建议 171
参考文献 172
第十二章 多物理化学场耦合力学问题 173
**节 问题提出 173
第二节 相关研究发展态势 174
一、体烧蚀问题日益受到重视 175
二、局部细观烧蚀与氧化损伤受到广泛关注 176
三、烧蚀过程的多物理机制耦合现象凸显 178
四、非平衡烧蚀及非空气介质烧蚀在防热分析中的重要性提高 179
五、力/热/氧综合考核及多变量测试技术需求明显 180
第三节 当前面临的需求与挑战 181
一、高声速飞行器不同气动加热环境下材料耐热极限的确定与准确预示 181
二、防热材料与结构向轻质、薄层、高可靠方向发展，但现有研究基础仍难以对材料的工艺改进做出有效支撑 182
三、化学动力学基本参数及烧蚀传热中的基础物性参数缺乏 182
四、可用于基础研究表征物理/化学反应耦合现象的实验与测试手段不足 183
第四节 未来发展建议 183
一、复杂组分与复杂形态化学反应特性与宏观烧蚀建模研究 183
二、材料细观烧蚀原理与建模研究 183
三、材料体烧蚀原理与建模研究 184
四、非稳态流动、燃烧与非附着流动的烧蚀建模问题 184
五、材料氧化、流失、内部热解过程等与气体流动的综合建模与模拟 184
六、烧蚀建模及理论预测的不确定度研究 185
七、复杂力/热加载条件的地面模拟再现试验与测试技术 185
参考文献 185
第十三章 大尺寸航天器结构动力学问题 187
**节 问题提出 187
第二节 相关研究发展态势 190
一、柔性附件展开动力学 190
二、充液航天器动力学 191
三、组合体柔性动力学 192
四、不确定性动力学 193
五、连接结构非线性动力学 194
六、大型动力学试验 195
第三节 当前面临的需求与挑战 196
一、充液航天器动力学 196
二、组合体柔性动力学 196
三、不确定性动力学 197
四、连接结构非线性动力学 197
五、大型动力学试验 197
第四节 未来发展建议 197
参考文献 198
第十四章 高超声速飞行器结构动力学问题 200
**节 问题提出 200
第二节 飞行器动态载荷环境特征 202
一、飞行器载荷量级高 202
二、气动热环境严酷 203
三、多次、重复载荷环境 204
第三节 当前面临的需求与挑战 204
一、大型复杂结构动力学建模与仿真 205
二、结构声振耦合响应分析问题 205
三、高超声速飞行器气动弹性与热气动弹性问题 205
四、高超声速飞行器气动伺服弹性与热气动伺服弹性问题 206
五、热防护结构/热结构损伤与寿命评估问题 206
六、飞行器高温动力学响应分析问题 207
七、飞行器力热复合试验技术问题 208
第四节 未来发展建议 208
参考文献 209
第十五章 高超声速风洞气动试验数据相关理论与关联方法 210
**节 问题提出 210
第二节 风洞数据相关性研究进展 212
一、高超声速风洞实验技术发展 212
二、气动力关联方法研究进展 214
三、气动热关联方法研究进展 215
第三节 风洞实验数据多空间相关理论 217
第四节 泛函优化数据关联方法 219
第五节 相关理论和关联方法的验证与应用 221
第六节 当前面临的需求和挑战 227
第七节 未来发展建议 228
参考文献 229
第十六章 验证和确认与不确定性量化问题 231
**节 问题提出 231
第二节 相关研究发展态势 233
一、建模与模拟的验证与确认方法论 233
二、模型验证与确认在飞行器结构分析中的应用 235
三、基于非确定性的结构设计 238
四、不确定性量化方法 239
第三节 当前面临的需求与挑战 242
一、复杂环境下先进飞行器系统不确定源辨识及表征 242
二、模型确认方法需要进一步发展与完善 243
三、先进飞行器系统高效不确定多学科优化设计 244
四、试验能力与成本限制带来的挑战 244
第四节 未来发展建议 245
参考文献 247
第十七章 虚拟试验与数字孪生问题 249
**节 问题提出 249
第二节 相关研究发展态势 251
一、复合材料结构虚拟测试技术现状 251
二、复合材料结构虚拟测试的常用软件与发展方向 253
三、利用“数字孪生”方法进行飞行器结构寿命预测的概念内涵 254
第三节 当前面临的需求与挑战 257
一、多场耦合分析方法 257
二、多尺度破坏建模 257
三、将结构有限元与破坏模型紧密结合 258
四、不确定性的定量、建模和控制 258
五、对共享的大数据库的操作 259
六、高分辨率的结构分析能力 259
第四节 未来发展建议 259
参考文献 261
第十八章 力学前沿与创新应用问题 262
**节 问题提出 262
第二节 仿生力学与未来飞行器 263
第三节 软体机器人与可变形飞行器 264
第四节 基于柔性电子技术的智能蒙皮/隐身/人机融合飞行器 266
第五节 神经网络动力学与未来飞行器 268
第六节 智能健康监测与未来飞行器 270
参考文献 272
关键词索引 274
在线试读：
**章 绪论
**节 力学与航空航天
力学是关于力、运动及其关系的科学，研究介质运动、变形、流动的宏、微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验，自阿基米德奠定了静力学基础以来，在一千多年的发展历程中，形成了以“牛顿力学”“连续介质力学”为代表的严密、成熟的理论体系，及“实验观测”“力学建模”“理论分析”“数值计算”相结合的研究方法。在实验和假设基础之上，通过精妙的力学建模和推理过程建立理论，用严格而理性的数学思维描绘复杂物质世界的现象，进而深化对实际问题中基本规律的认识；应用理论和实验相结合的方法，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决自然科学和工程技术中的关键科学问题。20世纪以来，力学进入了以应用力学为重要标志的蓬勃发展新阶段，它不仅遍及各个工程领域，而且对科学技术进步、社会经济发展起到了难以估量的促进作用。在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快速发展，不断提升模型的描述和预测能力，积极谋求与其他学科进行交叉创新（国家自然科学基金委员会，中国科学院，2012）。
人类追求飞天梦想的历程与力学学科密切相关，它们相互依赖、相互促进、相辅相成。首先，力学是支撑航空航天技术发展*重要的基础学科，任何一个空天飞行器概念，无不以力学重大理论和方法的突破为基础而提出，并得以实现。同时，力学学科的理论和方法贯穿于所有飞行器设计、研制、试验和应用的各个环节，为解决诸多技术和工程问题提供了*有效的手段，这些问题和需求也是力学学科不断发展、完善、拓展的*大驱动力。一大批广为人知的力学家，如开普勒、牛顿、胡克、拉格朗日、柯西、纳维、斯托克斯、普朗克、米塞斯、格里菲斯、齐奥尔科夫斯基、冯·卡门、钱学森等，为拓展人类时空利用能力做出了不可磨灭的贡献。1686年，牛顿完成了科学史上*伟大的著作之一《自然哲学的数学原理》，从力学的基本概念和基本定律出发，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，这是所有飞行力学的根源，也是人类能够摆脱地球引力，进入太空，实现轨道飞行*根本的依据。1755年欧拉（Euler）得出了描述无黏性流体运动的微分方程。19世纪上半叶法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程，即著名的N-S方程，构成了经典流体力学的基础。1883年，齐奥尔科夫斯基提出利用反作用装置作为太空旅行工具的推进动力，他对这种火箭动力的定性解释是，火箭运动的理论基础是牛顿第三定律和能量守恒定律；1903年发表了论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思和原理图。1919年，罗伯特·戈达德发表经典论文《到达极高空的方法》，开创了人类航天飞行时代。
“从1910年到1960年这五十年，力学工作者对当时新兴的航空技术和航天技术震撼世界的成果，做出了巨大的贡献，他们是时代的英雄”（钱学森，1979）。普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计的基础，使重于空气的飞行器飞行成为现实，极大地推进了空气动力学的发展；冯·卡门发现了一个叫作形状阻力的阻力源，被定名为“卡门涡街”，成为飞机、船舶和赛车设计的理论基础；20世纪40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨声速面积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破了“声障”，实现了跨声速和超声速飞行。流体力学和热力学的结合产生了高超声速空气动力学，20世纪50年代到60年代初，确立了高超声速无黏流理论和气动力的工程计算方法，推动了远程导弹和人造卫星的发展。钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念，1943年，与他人合作发表《远程火箭的评论与初步分析》，奠定了地地导弹和探空火箭的理论基础；1949年提出了“助推-滑翔”弹道和高超声速火箭飞机设想。
如果说动力学催生了人类的飞天梦，流体力学拓展了时空域，那么固体力学是使之得以实现的基石。从古老的材料力学、弹性力学，到伴随航空航天需求发展的塑性力学、断裂力学，再到体系完善的连续介质力学和功能强大的有限元方法，均为轻质、高效、可靠的飞行器结构设计和研制提供了*有效的手段。
航空航天技术是20世纪人类在认识自然和改造自然的过程中*活跃、发展*迅速、对人类社会生活*有影响的科学技术领域之一，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志。迄今的航空航天活动，虽然还只是人类离开地球这个摇篮的*初几步，但它的作用已远超出科学技术领域，对政治、经济、军事以至人类社会生活都产生了广泛而深远的影响。
第二节 新型飞行器发展态势
航空航天技术是高度综合的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取力学、物理、数学、化学等诸多基础科学和其他应用科学领域的*新成就，高度综合、运用了材料、能源、制造、信息、控制等科技的*新成果。上述科学技术在航空航天领域的需求牵引和应用中相互交叉、渗透，又产生了一些新的学科，并在航空航天技术的推动下发展提高。进入21世纪，航空航天工业呈现空前辉煌的局面，人类已经踏上了火星表面，也飞过了太阳系的边缘，利用各类航空器实现了地球各个角落的快捷、便利、可靠到达。同时，在人类征服时空、拓展时空、利用时空的强烈愿景下，在技术进步、需求牵引的双力驱动下，催生了诸多采用新概念、新原理、新技术、新方法的新型飞行器，它们或有别于传统航空、航天飞行器，或较传统飞行器的性能有大幅度提升。
一、国际上新型飞行器发展态势
（一）新型运载器
为满足空间探索和应用需求，大运载能力重新得到高度重视。尽管美国“土星V”、苏联“能源号”运载火箭曾具备过百吨级的近地轨道运载能力，但已是昨日辉煌。为了满足未来载人登月、登陆火星、深空探测及新一代空间站等重大需求，世界航天大国竞相发展大有效载荷能力的重型运载火箭。2015年，美国国家航空航天局（NASA）计划研制历史上*大的运载火箭太空发射系统（SLS），能够将100多吨的货物送到近地轨道，高度达到120m。在此之前，美国太空探索技术公司（Space-X）已经开始了重型猎鹰（Falcon Heavy）运载火箭的研制，高69.2m，地球低轨道载荷达53t，推力达16900kN，可以将货物、人员送上月球、小行星甚至火星。与此同时，俄罗斯也启动了将重达100t的有效载荷送入近地轨道的重型运载火箭计划，新型“安加拉”运载火箭将成为雄心勃勃的重型运载火箭计划的基础。安加拉是新一代无毒、无污染运载火箭系列，将取代“联盟号”外所有的现役运载火箭，采用模块化、系列化、通用化设计理念，发展四个系列多种型号。2014年，“安加拉5”型运载火箭成功首飞，其近地轨道载荷高达24.5t。该火箭通过使用不同类型的模块，由“安加拉”衍生出轻型、中型和重型三个级别，其用途是将航天器送入低、中、高圆形及椭圆形轨道和飞向太阳系各行星的转移轨道。计划中的“安加拉A7V”型近地轨道运载能力达到40.5t，“安加拉A100”型将达到110t。图1-1为美国SLS运载火箭计划。
图1-1 美国SLS运载火箭计划
与现役大型运载火箭相比，这些新型重型运载火箭的结构尺寸增长近一倍量级。例如，现役运载火箭芯级直径一般为3～5m，长度为30～60m；而重型火箭芯级直径在10m左右，总长在100m左右。起飞重量和推力也从目前的几百吨量级提高到2000t以上量级。运载能力的提升不仅要面临大尺寸结构的设计、制造、评价和可靠性等带来的诸多科学和技术问题，还要应对气动、过载、噪声、振动、冲击等综合力学载荷量级成倍增长带来的艰巨挑战。
快速响应且经济可承受的进出空间能力变得越来越重要。能够使常规航天发射能力实现和航空器一样的成本、可操作性和可靠性，一直是人们追求的目标。大幅度降低航天运输成本是当前影响航天工业快速发展的主要障碍，而重复使用是降低成本的关键一步。美国航天飞机是人类历史上**个投入实际应用的可重复使用运载器，从1981年“哥伦比亚号”发射成功，到2011年“亚特兰蒂斯号”在肯尼迪航天中心安全着陆，完成其谢幕之旅，意味着美国30年的航天飞机时代结束。虽然航天飞机屡创辉煌，成为航天史上的一个里程碑，但从可靠性和经济可承受性来看，没有达到预期的目标。航天飞机的退役导致美国低轨道载人航天能力的缺失，俄罗斯“联盟号”飞船成为当时载送人员往返于国际空间站的**飞行器。这促使美国加快研制新一代宇宙飞船“猎户座”以及“战神”运载火箭接棒载人航天活动，尽可能减少这一空缺时间。同时，NASA选择了两家创新能力强的私营企业运送货物到国际空间站，一是Space-X（利用其研发的“猎鹰9号”运载火箭和“龙”飞船），二是轨道科学公司（Orbital Sciences Corporation）（利用其研发的“安塔瑞斯”运载火箭和“天鹅座”飞船）。
NASA希望其新一代载人飞船成为未来太空探索活动中的多面手，可以执行往返空间站、载人登月、载人登陆火星等多重任务。“猎户座”飞船（图1-2）融入了计算机、电子、生命支持、推进系统及热防护系统等诸多领域的*新技术成果，总重量约25t，太空舱直径约为5m，内部空间比“阿波罗”飞船大2.5倍，可同时向国际空间站输送6名宇航员，或向月球输送4名宇航员。飞船采用了更加高效可靠的热防护技术及隔热层脱落技术，以减轻着陆重量，返回舱本身则可以重复使用10次。
Space-X公司除了发展国际空间站货物运输和卫星发射任务外，还大力发展可部分重复使用的运载火箭技术和载人航天技术，经历了多次失败后，2015年12月“猎鹰9号”成功实现一级火箭陆上回收，2016年4月成功实现一级火箭海上平台回收。“龙”飞船也完成了太空悬停测试，为运送宇航员至国际空间站提供了关键的技术验证。Space-X公司的探索与创新，有可能革命性地降低航天运输成本，对整个宇航工业产生颠覆性影响。图1-3为Space-X公司的“猎鹰”运载火箭与“龙”飞船。
图1-2 “猎户座”飞船
图1-3 Space-X公司的“猎鹰”运载火箭与“龙”飞船
目前，空间运输成本在每千克1万～2万美元，极大地限制了空间利用的规模和效益，Space-X公司已经实现了成本降低一半以上，如果能够实现可重复使用，还可以进一步大幅度降低成本。发射费用的降低，还有可能引发航天器设计理念的改变。
定价：98.0
ISBN：9787030545060
作者：中国科学院
版次：1
出版时间：2017-11
内容提要：
“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果，涉及自然科学各学科领域，是目前规模*大的学科发展战略研究项目。
《中国学科反战战略·新型飞行器中的关键力学问题》系统介绍了21世纪以来国内外所提出的各种新型或新概念飞行器的背景、发展态势，重点阐述了由此对力学学科带来的新挑战、新需求，详细分析了力学学科相关领域的研发进展和存在的问题，并就目前需求迫切、学科关注的17个关键科学问题进行了详细论述。
目录：
目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xv
**章 绪论 1
**节 力学与航空航天 1
第二节 新型飞行器发展态势 3
一、国际上新型飞行器发展态势 3
二、我国新型飞行器发展态势与任务使命 21
第三节 新型飞行器对力学的新需求和新挑战 22
一、空气动力学 23
二、固体力学 25
三、动力学与控制 26
四、试验与数值模拟 26
第四节 未来发展思考和建议 27
参考文献 28
第二章 先进战斗机气动设计的发展与挑战 30
**节 引言 30
第二节 目前气动设计的研发体系 31
一、气动设计的任务和手段 31
二、CFD的发展 34
三、风洞试验的创新 36
第三节 当前面临的需求与挑战 37
一、气动与“X”综合优化设计 37
二、精益敏捷的气动设计流程提升 38
三、减阻设计和阻力的精确确定 39
四、非定常气动力 40
五、流动控制技术 41
第四节 结束语 42
参考文献 42
第三章 空气动力学的新问题 43
**节 引言 43
第二节 为什么会有新问题 44
第三节 新问题是什么 48
参考文献 49
第四章 高超声速飞行器气动特性与湍流问题 50
**节 问题提出 50
第二节 相关研究发展态势 52
一、复杂多效应耦合作用 52
二、流动转捩与层流分离问题 57
三、飞行器气动布局与动态特性 59
第三节 当前面临的需求和挑战 62
第四节 未来发展建议 64
参考文献 65
第五章 高超声速气动热力学问题 67
**节 背景需求 67
一、发展大气层内高速飞行器的需求 70
二、可重复使用天地往返运输系统的需求 71
三、载人航天和深空探测未来发展的需求 72
第二节 国外研究现状和发展态势 73
第三节 国内研究现状和发展态势 75
第四节 关键问题和挑战 76
一、高温气体与非平衡效应及其建模 76
二、非平衡流场的地面模拟与流场重构 77
三、气动热环境与材料表面的多物理场/多尺度耦合作用机制 79
第五节 未来发展重点与建议 84
参考文献 86
第六章 飞行器流动控制问题 87
**节 问题提出 87
第二节 相关研究发展态势 88
一、格尼襟翼 88
二、涡流发生器 89
三、仿生流动控制技术 90
四、环量控制 91
五、合成射流 92
六、等离子体激励器 93
第三节 当前面临的需求与挑战 94
一、技术性问题 94
二、可靠性问题 95
三、工艺性问题 95
第四节 未来发展建议 96
一、先进实验技术及数值方法研究 96
二、流动控制基础研究 96
三、流动控制应用研究 96
四、流动控制新方法研究 97
五、飞行器总体及流动控制应用一体化设计研究 97
六、发展路径及可行性分析 97
参考文献 97
第七章 飞行器低雷诺数流动问题 99
**节 问题提出 99
第二节 相关研究发展态势 100
一、经典层流分离泡理论及相关的新发现 101
二、低雷诺数气动特性的非线性特征 105
三、低雷诺数流动的数值模拟和风洞试验 107
四、低雷诺数流动三维效应 111
第三节 当前面临的需求和挑战 112
一、低雷诺数效应对飞行器性能的影响 112
二、低雷诺数气动特性预测精度 113
三、低雷诺数流动机理、演化规律及低雷诺数效应的有效抑制 114
四、低雷诺数飞行器伴随的飞行力学响应和气动弹性问题 115
参考文献 116
第八章 新型空天推进系统中的力学问题 118
**节 问题提出 118
第二节 相关研究发展态势 119
一、新型推进系统基本原理 119
二、高超声速流动机理及控制理论研究 123
三、超声速燃烧机理及燃烧增强机制研究 125
四、超声速传热机理及先进发动机热防护方法研究 128
第三节 当前面临的需求与挑战 130
一、超燃冲压发动机 130
二、爆震发动机 131
三、组合循环发动机 132
第四节 未来发展建议 133
参考文献 134
第九章 飞行器轻质结构力学问题 135
**节 问题提出 135
第二节 新概念飞行器结构优化设计理论 136
一、新一代结构拓扑优化理论与方法 136
二、多目标多约束近似模型的优化理论与方法 137
三、飞行器非确定性结构优化设计理论与方法 137
四、面向考虑制造特征的飞行器结构优化理论与方法 137
第三节 新概念飞行器结构力学 138
一、可展开结构力学性能分析与设计 138
二、智能结构力学性能分析与设计 139
三、整体结构力学性能分析与设计 139
四、考虑集中力扩散的结构力学性能分析与设计 140
第四节 未来发展建议 140
参考文献 141
第十章 多功能/智能材料与微系统力学问题 143
**节 问题提出 143
第二节 相关研究发展态势 145
一、基于压电材料的振动控制系统 145
二、自给、自感知与自适应智能微系统 146
三、植物物质运输多功能系统与仿真系统 147
四、自愈合材料与微系统 148
五、基于柔性介电弹性体材料的变形结构 149
六、基于智能材料的变体飞行器结构 150
七、基于高应变聚合物复合材料的空间可展开结构 151
八、基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构 152
九、力学相关方向发展态势 153
第三节 当前面临的需求与挑战 156
一、主动大变形纤维增强复合材料的力学行为 156
二、变形/承载一体化、变刚度的多功能材料技术 157
三、多物理场耦合作用条件下的多功能材料力学行为 157
四、轻质/大输出力的驱动材料及其器件技术 158
第四节 未来发展建议 158
一、自感知、自适应多功能材料与微系统的设计与研制 159
二、主动大变形复合材料及其结构的力学行为研究 159
三、多功能材料与微系统多场耦合条件下的本构理论研究 160
四、多功能材料与微系统的结构力学性能和失效行为表征 160
参考文献 161
第十一章 高温材料与结构力学问题 162
**节 问题提出 162
第二节 相关研究发展态势 164
第三节 当前面临的需求与挑战 169
一、高温性能测试与表征技术的局限性 169
二、高温材料体系的复杂性 170
三、高温本构关系与强度理论的挑战性 170
四、材料高温行为研究的多学科性 171
第四节 未来发展建议 171
参考文献 172
第十二章 多物理化学场耦合力学问题 173
**节 问题提出 173
第二节 相关研究发展态势 174
一、体烧蚀问题日益受到重视 175
二、局部细观烧蚀与氧化损伤受到广泛关注 176
三、烧蚀过程的多物理机制耦合现象凸显 178
四、非平衡烧蚀及非空气介质烧蚀在防热分析中的重要性提高 179
五、力/热/氧综合考核及多变量测试技术需求明显 180
第三节 当前面临的需求与挑战 181
一、高声速飞行器不同气动加热环境下材料耐热极限的确定与准确预示 181
二、防热材料与结构向轻质、薄层、高可靠方向发展，但现有研究基础仍难以对材料的工艺改进做出有效支撑 182
三、化学动力学基本参数及烧蚀传热中的基础物性参数缺乏 182
四、可用于基础研究表征物理/化学反应耦合现象的实验与测试手段不足 183
第四节 未来发展建议 183
一、复杂组分与复杂形态化学反应特性与宏观烧蚀建模研究 183
二、材料细观烧蚀原理与建模研究 183
三、材料体烧蚀原理与建模研究 184
四、非稳态流动、燃烧与非附着流动的烧蚀建模问题 184
五、材料氧化、流失、内部热解过程等与气体流动的综合建模与模拟 184
六、烧蚀建模及理论预测的不确定度研究 185
七、复杂力/热加载条件的地面模拟再现试验与测试技术 185
参考文献 185
第十三章 大尺寸航天器结构动力学问题 187
**节 问题提出 187
第二节 相关研究发展态势 190
一、柔性附件展开动力学 190
二、充液航天器动力学 191
三、组合体柔性动力学 192
四、不确定性动力学 193
五、连接结构非线性动力学 194
六、大型动力学试验 195
第三节 当前面临的需求与挑战 196
一、充液航天器动力学 196
二、组合体柔性动力学 196
三、不确定性动力学 197
四、连接结构非线性动力学 197
五、大型动力学试验 197
第四节 未来发展建议 197
参考文献 198
第十四章 高超声速飞行器结构动力学问题 200
**节 问题提出 200
第二节 飞行器动态载荷环境特征 202
一、飞行器载荷量级高 202
二、气动热环境严酷 203
三、多次、重复载荷环境 204
第三节 当前面临的需求与挑战 204
一、大型复杂结构动力学建模与仿真 205
二、结构声振耦合响应分析问题 205
三、高超声速飞行器气动弹性与热气动弹性问题 205
四、高超声速飞行器气动伺服弹性与热气动伺服弹性问题 206
五、热防护结构/热结构损伤与寿命评估问题 206
六、飞行器高温动力学响应分析问题 207
七、飞行器力热复合试验技术问题 208
第四节 未来发展建议 208
参考文献 209
第十五章 高超声速风洞气动试验数据相关理论与关联方法 210
**节 问题提出 210
第二节 风洞数据相关性研究进展 212
一、高超声速风洞实验技术发展 212
二、气动力关联方法研究进展 214
三、气动热关联方法研究进展 215
第三节 风洞实验数据多空间相关理论 217
第四节 泛函优化数据关联方法 219
第五节 相关理论和关联方法的验证与应用 221
第六节 当前面临的需求和挑战 227
第七节 未来发展建议 228
参考文献 229
第十六章 验证和确认与不确定性量化问题 231
**节 问题提出 231
第二节 相关研究发展态势 233
一、建模与模拟的验证与确认方法论 233
二、模型验证与确认在飞行器结构分析中的应用 235
三、基于非确定性的结构设计 238
四、不确定性量化方法 239
第三节 当前面临的需求与挑战 242
一、复杂环境下先进飞行器系统不确定源辨识及表征 242
二、模型确认方法需要进一步发展与完善 243
三、先进飞行器系统高效不确定多学科优化设计 244
四、试验能力与成本限制带来的挑战 244
第四节 未来发展建议 245
参考文献 247
第十七章 虚拟试验与数字孪生问题 249
**节 问题提出 249
第二节 相关研究发展态势 251
一、复合材料结构虚拟测试技术现状 251
二、复合材料结构虚拟测试的常用软件与发展方向 253
三、利用“数字孪生”方法进行飞行器结构寿命预测的概念内涵 254
第三节 当前面临的需求与挑战 257
一、多场耦合分析方法 257
二、多尺度破坏建模 257
三、将结构有限元与破坏模型紧密结合 258
四、不确定性的定量、建模和控制 258
五、对共享的大数据库的操作 259
六、高分辨率的结构分析能力 259
第四节 未来发展建议 259
参考文献 261
第十八章 力学前沿与创新应用问题 262
**节 问题提出 262
第二节 仿生力学与未来飞行器 263
第三节 软体机器人与可变形飞行器 264
第四节 基于柔性电子技术的智能蒙皮/隐身/人机融合飞行器 266
第五节 神经网络动力学与未来飞行器 268
第六节 智能健康监测与未来飞行器 270
参考文献 272
关键词索引 274
在线试读：
**章 绪论
**节 力学与航空航天
力学是关于力、运动及其关系的科学，研究介质运动、变形、流动的宏、微观行为，揭示力学过程及其与物理、化学、生物学等过程的相互作用规律。力学起源于对自然现象的观察和生产劳动中的经验，自阿基米德奠定了静力学基础以来，在一千多年的发展历程中，形成了以“牛顿力学”“连续介质力学”为代表的严密、成熟的理论体系，及“实验观测”“力学建模”“理论分析”“数值计算”相结合的研究方法。在实验和假设基础之上，通过精妙的力学建模和推理过程建立理论，用严格而理性的数学思维描绘复杂物质世界的现象，进而深化对实际问题中基本规律的认识；应用理论和实验相结合的方法，由表象到本质，由现象到机理，由定性到定量，解决自然科学和工程技术中的关键科学问题。20世纪以来，力学进入了以应用力学为重要标志的蓬勃发展新阶段，它不仅遍及各个工程领域，而且对科学技术进步、社会经济发展起到了难以估量的促进作用。在学科发展和工程应用的“双力驱动”下快速发展，不断提升模型的描述和预测能力，积极谋求与其他学科进行交叉创新（国家自然科学基金委员会，中国科学院，2012）。
人类追求飞天梦想的历程与力学学科密切相关，它们相互依赖、相互促进、相辅相成。首先，力学是支撑航空航天技术发展*重要的基础学科，任何一个空天飞行器概念，无不以力学重大理论和方法的突破为基础而提出，并得以实现。同时，力学学科的理论和方法贯穿于所有飞行器设计、研制、试验和应用的各个环节，为解决诸多技术和工程问题提供了*有效的手段，这些问题和需求也是力学学科不断发展、完善、拓展的*大驱动力。一大批广为人知的力学家，如开普勒、牛顿、胡克、拉格朗日、柯西、纳维、斯托克斯、普朗克、米塞斯、格里菲斯、齐奥尔科夫斯基、冯·卡门、钱学森等，为拓展人类时空利用能力做出了不可磨灭的贡献。1686年，牛顿完成了科学史上*伟大的著作之一《自然哲学的数学原理》，从力学的基本概念和基本定律出发，不但从数学上论证了万有引力定律，而且把经典力学确立为完整而严密的体系，这是所有飞行力学的根源，也是人类能够摆脱地球引力，进入太空，实现轨道飞行*根本的依据。1755年欧拉（Euler）得出了描述无黏性流体运动的微分方程。19世纪上半叶法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述黏性不可压缩流体动量守恒的运动方程，即著名的N-S方程，构成了经典流体力学的基础。1883年，齐奥尔科夫斯基提出利用反作用装置作为太空旅行工具的推进动力，他对这种火箭动力的定性解释是，火箭运动的理论基础是牛顿第三定律和能量守恒定律；1903年发表了论文《利用喷气工具研究宇宙空间》，提出了液体推进剂火箭的构思和原理图。1919年，罗伯特·戈达德发表经典论文《到达极高空的方法》，开创了人类航天飞行时代。
“从1910年到1960年这五十年，力学工作者对当时新兴的航空技术和航天技术震撼世界的成果，做出了巨大的贡献，他们是时代的英雄”（钱学森，1979）。普朗特提出的边界层理论奠定了低速飞机设计的基础，使重于空气的飞行器飞行成为现实，极大地推进了空气动力学的发展；冯·卡门发现了一个叫作形状阻力的阻力源，被定名为“卡门涡街”，成为飞机、船舶和赛车设计的理论基础；20世纪40年代中期至50年代，可压缩气体动力学理论的迅速发展，以及对超声速流中激波性质的理论研究，特别是跨声速面积律的发现和后掠翼新概念的提出，帮助人们突破了“声障”，实现了跨声速和超声速飞行。流体力学和热力学的结合产生了高超声速空气动力学，20世纪50年代到60年代初，确立了高超声速无黏流理论和气动力的工程计算方法，推动了远程导弹和人造卫星的发展。钱学森在火箭与航天领域提出了若干重要的概念，1943年，与他人合作发表《远程火箭的评论与初步分析》，奠定了地地导弹和探空火箭的理论基础；1949年提出了“助推-滑翔”弹道和高超声速火箭飞机设想。
如果说动力学催生了人类的飞天梦，流体力学拓展了时空域，那么固体力学是使之得以实现的基石。从古老的材料力学、弹性力学，到伴随航空航天需求发展的塑性力学、断裂力学，再到体系完善的连续介质力学和功能强大的有限元方法，均为轻质、高效、可靠的飞行器结构设计和研制提供了*有效的手段。
航空航天技术是20世纪人类在认识自然和改造自然的过程中*活跃、发展*迅速、对人类社会生活*有影响的科学技术领域之一，也是表征一个国家科学技术先进性的重要标志。迄今的航空航天活动，虽然还只是人类离开地球这个摇篮的*初几步，但它的作用已远超出科学技术领域，对政治、经济、军事以至人类社会生活都产生了广泛而深远的影响。
第二节 新型飞行器发展态势
航空航天技术是高度综合的现代科学技术，自其形成以来，一直汲取力学、物理、数学、化学等诸多基础科学和其他应用科学领域的*新成就，高度综合、运用了材料、能源、制造、信息、控制等科技的*新成果。上述科学技术在航空航天领域的需求牵引和应用中相互交叉、渗透，又产生了一些新的学科，并在航空航天技术的推动下发展提高。进入21世纪，航空航天工业呈现空前辉煌的局面，人类已经踏上了火星表面，也飞过了太阳系的边缘，利用各类航空器实现了地球各个角落的快捷、便利、可靠到达。同时，在人类征服时空、拓展时空、利用时空的强烈愿景下，在技术进步、需求牵引的双力驱动下，催生了诸多采用新概念、新原理、新技术、新方法的新型飞行器，它们或有别于传统航空、航天飞行器，或较传统飞行器的性能有大幅度提升。
一、国际上新型飞行器发展态势
（一）新型运载器
为满足空间探索和应用需求，大运载能力重新得到高度重视。尽管美国“土星V”、苏联“能源号”运载火箭曾具备过百吨级的近地轨道运载能力，但已是昨日辉煌。为了满足未来载人登月、登陆火星、深空探测及新一代空间站等重大需求，世界航天大国竞相发展大有效载荷能力的重型运载火箭。2015年，美国国家航空航天局（NASA）计划研制历史上*大的运载火箭太空发射系统（SLS），能够将100多吨的货物送到近地轨道，高度达到120m。在此之前，美国太空探索技术公司（Space-X）已经开始了重型猎鹰（Falcon Heavy）运载火箭的研制，高69.2m，地球低轨道载荷达53t，推力达16900kN，可以将货物、人员送上月球、小行星甚至火星。与此同时，俄罗斯也启动了将重达100t的有效载荷送入近地轨道的重型运载火箭计划，新型“安加拉”运载火箭将成为雄心勃勃的重型运载火箭计划的基础。安加拉是新一代无毒、无污染运载火箭系列，将取代“联盟号”外所有的现役运载火箭，采用模块化、系列化、通用化设计理念，发展四个系列多种型号。2014年，“安加拉5”型运载火箭成功首飞，其近地轨道载荷高达24.5t。该火箭通过使用不同类型的模块，由“安加拉”衍生出轻型、中型和重型三个级别，其用途是将航天器送入低、中、高圆形及椭圆形轨道和飞向太阳系各行星的转移轨道。计划中的“安加拉A7V”型近地轨道运载能力达到40.5t，“安加拉A100”型将达到110t。图1-1为美国SLS运载火箭计划。
图1-1 美国SLS运载火箭计划
与现役大型运载火箭相比，这些新型重型运载火箭的结构尺寸增长近一倍量级。例如，现役运载火箭芯级直径一般为3～5m，长度为30～60m；而重型火箭芯级直径在10m左右，总长在100m左右。起飞重量和推力也从目前的几百吨量级提高到2000t以上量级。运载能力的提升不仅要面临大尺寸结构的设计、制造、评价和可靠性等带来的诸多科学和技术问题，还要应对气动、过载、噪声、振动、冲击等综合力学载荷量级成倍增长带来的艰巨挑战。
快速响应且经济可承受的进出空间能力变得越来越重要。能够使常规航天发射能力实现和航空器一样的成本、可操作性和可靠性，一直是人们追求的目标。大幅度降低航天运输成本是当前影响航天工业快速发展的主要障碍，而重复使用是降低成本的关键一步。美国航天飞机是人类历史上**个投入实际应用的可重复使用运载器，从1981年“哥伦比亚号”发射成功，到2011年“亚特兰蒂斯号”在肯尼迪航天中心安全着陆，完成其谢幕之旅，意味着美国30年的航天飞机时代结束。虽然航天飞机屡创辉煌，成为航天史上的一个里程碑，但从可靠性和经济可承受性来看，没有达到预期的目标。航天飞机的退役导致美国低轨道载人航天能力的缺失，俄罗斯“联盟号”飞船成为当时载送人员往返于国际空间站的**飞行器。这促使美国加快研制新一代宇宙飞船“猎户座”以及“战神”运载火箭接棒载人航天活动，尽可能减少这一空缺时间。同时，NASA选择了两家创新能力强的私营企业运送货物到国际空间站，一是Space-X（利用其研发的“猎鹰9号”运载火箭和“龙”飞船），二是轨道科学公司（Orbital Sciences Corporation）（利用其研发的“安塔瑞斯”运载火箭和“天鹅座”飞船）。
NASA希望其新一代载人飞船成为未来太空探索活动中的多面手，可以执行往返空间站、载人登月、载人登陆火星等多重任务。“猎户座”飞船（图1-2）融入了计算机、电子、生命支持、推进系统及热防护系统等诸多领域的*新技术成果，总重量约25t，太空舱直径约为5m，内部空间比“阿波罗”飞船大2.5倍，可同时向国际空间站输送6名宇航员，或向月球输送4名宇航员。飞船采用了更加高效可靠的热防护技术及隔热层脱落技术，以减轻着陆重量，返回舱本身则可以重复使用10次。
Space-X公司除了发展国际空间站货物运输和卫星发射任务外，还大力发展可部分重复使用的运载火箭技术和载人航天技术，经历了多次失败后，2015年12月“猎鹰9号”成功实现一级火箭陆上回收，2016年4月成功实现一级火箭海上平台回收。“龙”飞船也完成了太空悬停测试，为运送宇航员至国际空间站提供了关键的技术验证。Space-X公司的探索与创新，有可能革命性地降低航天运输成本，对整个宇航工业产生颠覆性影响。图1-3为Space-X公司的“猎鹰”运载火箭与“龙”飞船。
图1-2 “猎户座”飞船
图1-3 Space-X公司的“猎鹰”运载火箭与“龙”飞船
目前，空间运输成本在每千克1万～2万美元，极大地限制了空间利用的规模和效益，Space-X公司已经实现了成本降低一半以上，如果能够实现可重复使用，还可以进一步大幅度降低成本。发射费用的降低，还有可能引发航天器设计理念的改变。