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。

　　在讨论过程中，大家认为航天器结构动力学是一个既经典又现代的研究领域，新型航天器结构从小到大、从简单到复杂，大柔性与多体组合与固液混合，服役时间长，热环境恶劣，同时要求长寿命、高精度、低成本等，进而带来非定常、多体耦合，力热耦合、主动控制等特殊问题，而地面模拟试验能力和手段存在很大不足；这迫切需要工程部门对其中所蕴含的科学问题深入理解，也更需要在此方面的基础研究能够得到长期稳定的支持。与会专家认为，环境和载荷是目前该领域最为薄弱的研究环节，而这是航天器设计的基础，希望能够引起足够的重视，加强其基础研究和技术积累。无论是长期在轨航天器，还是长时间高超声速飞行器、可重复使用空天飞行器，热声振疲劳问题表现突出，而以往航天界对此重视不够，现在必须要重点考虑材料和结构疲劳问题；同时是针对高温薄壁结构，噪声载荷在真实服役热/力/噪声/振动耦合作用中的权重越来越大，我国在这方面研究不多，需要结构动力学与流体力学、高温固体力学进一步融合，为解决上述问题提供技术手段。

　　三、高温固体力学

　　与会专家在《高温固体力学的研发进展与发展趋势》、《材料高温力学性能宏微观分析与测试技术》、《高超声速气动热弹性问题》、《航天器结构多尺度分析与优化——现状与挑战》、《若干智能材料应用于航天器中的关键力学问题》报告中，从大气层内长时间高超声速飞行的需求出发，针对轻质防隔热一体化、热结构及超高温陶瓷复合材料等所面临的材料本身及相关结构的高温服役行为等问题，介绍了国内外最新研究进展与发展趋势；分析了气动力、弹性力、惯性力、气动热之间的强弱耦合关系、介绍了国内外在求解方法、热弹性效应、主动控制等方面的进展；基于新型航天器的精细化设计需求，分析了多尺度分析及优化方法的现状与挑战

　　在讨论过程中，大家认为传统航天器热防护系统或高温结构，主要考虑其承受热相关载荷等功能性要求，较少考虑力学性能，或通过加大安全裕度来保证结构完整性，但也出现过多次热致结构失效的问题，至今未能得到彻底解决。由于缺乏高温试验手段和理论指导，许多高温下的失效问题通常借助于常温下的研究结果或规律来分析和判断，不深入，也不彻底。高温固体力学的发展随需求变化呈现了不连续、不系统，且规模较小的状况，难以满足新型航天器高结构效率和高可靠性的发展要求。多名专家提出，既要发展高温、超高温材料和结构性能的测试技术与能力，也要关注虽然环境温度不高（300 - 500℃），但会发生剧烈物理化学反应的材料性能测试和表征方法。

　　四、共识与建议

　　与会专家一致认为：

　　 （1）力学是航天器设计的基础，并贯彻于整个研发和应用过程，我国从航天大国走向航天强国，必须要加强力学基础研究，发展新理论、新方法和新技术，不断提高我们解决航天工程中与力学相关问题和原始创新的能力；

　　 （2）从新型航天器发展态势来看，主要研究对象的大型化、复杂化，服役环境超常化、耦合化，使用要求的严格化、精细化等对力学学科带来严峻的挑战，对这些来自工程中的挑战所蕴含更深层次的科学问题，以及现有能力的局限性还需要进一步总结和凝练；

　　 （3）工程部门应对型号任务的压力巨大，导致对某些科学问题的理解不够深入，而基础或应用基础研究人员对需求把握不清，导致研究成果的针对性、适用性不强，如何做好“架桥”工作，实现产学研的有机结合、实现协同创新是一个亟待解决的问题；

　　 （4）倡导工业部门进一步增加对力学基础研究的重视，尊重基础研究的科学发展规律，对航天所必需的基础研究方向给予长期稳定的支持；倡导力学研究者树立为工程师服务的意识，发挥力学在科学和工程中桥梁作用，发扬“实验、建模、定量化预报”的优势，鼓励年轻人提出和开展有创新、有风险的研究工作，容忍其尝试和失败；

　　 （5）地面试验、数值模拟和飞行试验“三位一体”是航天器研发的主要技术途径。地面模拟具有很大的局限性，需要发展新原理、新方法、新手段；自主知识产权软件发展问题受到限制，影响我国研究和创新能力的提升，必须重视这一问题；必须加强基于科学认知和能力提升目标的飞行试验研究；

　　 （6）力学学科必须从其自身内部，包括动力学与控制、流体力学和固体力学之间进行深度融合，并与数、理、化、材料、电、控制等多学的交叉，应对新型航天器发展需求和挑战，促进学科自身不断发展和完善。

　　与会专家建议：

　　 （1）工业界、科学界和管理部门要高度重视我国航天科技由大变强中存在的问题和不足，把握机遇，做好顶层规划，充分发挥力学在航天发展和创新中的作用；

　　 （2）建议科技管理部门针对会议讨论过程中达成共识的关键问题，如数值模拟方法的验证与确认、环境与载荷谱、环境与材料的耦合响应、结构动响应分析与寿命预测、先进测试与表征技术、不确定性分析与优化等，组织跨领域、跨学科的力量联合攻关；

　　 （3）针对目前影响基础研究成果转化、产学研有机结合和创新能力提升的机制与体制问题，建议有关部门能够给出具体措施，如改进现有评价体系和机制，完善知识产权保护机制和成果共享机制，统筹规划大型试验设施，适度公开工程试验结果等。