國家自然科學基金新增代碼“航空航天力學”內涵及重要研究領域

陳猛，劉汝盟，王立峰，羅亞中，索濤，潘翀，張攀峰，*，董國軒，胡海巖

1.國家自然科學基金委員會 數學物理科學部，北京 100085

2.南京航空航天大學 航空學院，南京 210016

3.國防科技大學 空天科學學院，長沙 410073

4.西北工業大學 航空學院，西安 710072

5.北京航空航天大學 航空科學與工程學院，北京 100191

6.北京理工大學 宇航學院，北京 100081

1 新增“航空航天力學”申請代碼的背景

力學是關于物質相互作用與運動的科學，研究介質運動、變形、流動的宏觀與微觀過程，揭示上述過程及其與物理學、化學、生物學等過程的相互作用規律與機理［1］。力學是一門基礎學科，是眾多自然科學的基石和重要組成部分，同時也是工程科學的基礎，是科學與工程結合的橋梁，特別是以路德維?！て绽侍睾臀鲓W多·馮·卡門等為代表的應用力學學派，把力學與航空航天等新興工業的發展緊密結合起來，為近代力學的發展開辟了新天地［1］。

航空航天發展與力學基礎研究緊密相關，力學基礎理論突破引領了航空航天技術的革新，而航空航天的發展也不斷為力學提出新的基礎科學問題，二者螺旋上升發展。從人類第1 次飛行到亞聲速、跨聲速、超聲速飛行都是基于基礎力學理論的重大飛躍，應用力學學派創始人路德維?！て绽侍氐倪吔鐚永碚?，以及俄羅斯空氣動力學家尼古拉·葉戈羅維奇·儒科夫斯基的升力環量定理，為解決飛機氣動設計提供了理論基礎；美國空氣動力學家理查德·惠特科姆提出的跨聲速/超聲速面積律促使現代飛機突破“音障”；錢學森等建立的高超聲速理論為高超聲速飛行器和軌道飛行器的發展奠定了基礎；而艾薩克·牛頓、約瑟夫·拉格朗日及亨利·龐加萊等通過對N體問題的研究為航天軌道設計提供了理論支撐；如圖1 所示。

圖1 力學基礎理論突破和航空航天發展密切聯系Fig.1 Tight connections between aerospace development and breakthroughs in fundamental mechanics theories

中國力學學科的發展與航空航天密不可分。1956 年錢學森籌辦中國科學院力學研究所，提出要堅持工程科學思想，解決火箭、導彈發展需求中的關鍵技術和核心科學問題，設立了高速空氣動力學、高溫固體力學、化學流體力學等研究方向。同年錢學森在力學學科規劃的基礎上，提出了《建立我國國防航空工業的意見書》，并組建中國第1 個火箭、導彈研究機構——國防部第五研究院。在《1956—1967 年科學技術發展遠景規劃》中，首次確定了力學是一級學科，指出“近代的航空、火箭技術的發展中，力學研究是先導”，并確定了發展空氣動力學等學科以助推航空工業，哈爾濱工業大學、北京航空航天大學、南京航空航天大學、西北工業大學等院校圍繞航空航天領域設立了力學專業/系。進入21 世紀以來，為適應航空航天快速發展對綜合學科的迫切需要，30 余所高校以力學學科為主體先后成立了航空航天院系，為我國航空航天技術的發展培育了一系列創新成果與優秀人才隊伍。

近年來飛行器已從亞聲速、超聲速飛行進入高超聲速飛行時代，并且呈現空天一體化的趨勢，而中國也正由航空航天大國向航空航天強國邁進，這對力學的發展提出了新的需求和挑戰。一方面跨域極限飛行對力學學科提出了新的基礎科學問題，例如：近空間稀薄氣體效應導致連續介質假設失效；高超聲速引起的真實氣體效應、非平衡效應顯著，高溫氣動加熱導致結構熱失效熱破壞問題。另一方面未來空天融合、氣動推進一體化、氣動結構控制一體化的飛行器高效緊湊構型設計取決于力學分支學科乃至與其他相關學科的深度交叉融合，例如：高超聲速飛行環境下熱-力-結構一體化需要氣動力、氣動熱以及結構變形的強耦合研究；內外流一體化、氣動-結構-控制一體化都需要耦合各學科實現性能最優化設計等。這些核心基礎科學問題是制約航空航天技術發展的“卡脖子”問題，也為力學學科發展提供了新的增長點。而原有的“動力學與控制”“固體力學”“流體力學”一級代碼重點關注單一分支學科的基礎科學問題，與現代航空航天發展態勢對力學學科深度融合交叉的要求不符合。相關分支學科的部分專家也缺乏對航空航天背景的了解，對于是否是航空航天力學研究中“真問題”“真需求”不能準確判斷，不利于對目標導向的基礎研究形成合理的評價機制。為適應航空航天融合發展的新趨勢，強化目標導向的力學基礎研究，有必要將原分散在各代碼下的航空航天力學研究方向集中起來，形成新的一級申請代碼，促進基礎研究交叉融通并支撐航空航天的發展。

2 “航空航天力學”申請代碼新增過程

在“十一五”“十二五”期間，國家自然科學基金委員會（以下簡稱基金委）數學物理科學部瞄準中國航空航天未來發展超前布局了兩個重大研究計劃，吸引了一批優秀力學工作者和航空航天科技工作者共同開展基礎研究，并在國家自然科學基金數理科學“十三五”規劃戰略研究報告中建議在力學學科代碼中增加“航空航天力學”代碼［2-3］。2019 年，力學學科“十四五”發展戰略研究啟動“航空航天力學”代碼新增工作，對航空航天領域自然科學基金項目申請情況、航空航天領域高等院校和科研院所相關研究隊伍情況進行了統計調研。

2022 年3 月開始，數理科學部力學學科處多次組織航空航天領域相關科研人員進行專題研討，論證航空航天未來發展趨勢對力學學科基礎研究提出的挑戰和機遇，并按照相關院校研究專業設置和航空航天部門劃分梳理航空航天力學分支研究領域，討論“航空航天力學”申請代碼資助的內涵及范疇，梳理了二級代碼、研究方向和關鍵詞等具體組成，形成了申請代碼新增方案。2022 年7 月—2023 年8 月，數 理 科 學 部 通 過 函 件、召開專題研討會、調研等多種形式，征求了數理科學部專家咨詢委員會委員（力學）、力學學科“十四五”發展戰略研究專家組、力學領域院士和資深專家以及相關高等院校航空航天院系的意見，特別是2023 年6 月基金委副主任江松院士帶隊前往航空航天行業單位進行調研并征求對“航空航天力學”申請代碼新增方案的意見與建議，針對專家和單位提出的具體意見和建議逐一進行了梳理匯總，完善補充到申請代碼新增方案中。

2023 年9 月，數理科學部對新增申請代碼方案與原有申請代碼中涉及航空航天領域部分進行了統籌協調，部分申請代碼和研究方向進行了合并和遷移，并會同相關科學部對“航空航天力學”新增申請代碼的交叉部分進行了溝通和研討，進一步厘清了代碼涵蓋范疇，聚焦于系統性、前瞻性、戰略性布局航空航天力學基礎科學研究，形成了申請代碼調整方案建議。該建議經基金委委務會正式審議通過，于2024 年在項目申請指南中新增“A11 航空航天力學”一級申請代碼。整個航空航天力學申請代碼設立過程如圖2 所示。

圖2 “航空航天力學”申請代碼設立過程Fig.2 Process of “Aerospace Mechanics” application code establishment

3 “航空航天力學”資助范圍及重要研究領域

為應對未來空天一體化的發展趨勢，根據航空航天發展態勢及力學學科特點，新增“A11 航空航天力學”一級申請代碼主要針對航空航天飛行器氣動設計與動力系統力學基礎、結構變形與破壞、飛行動力學，以及超常服役環境飛行器相關基礎力學問題開展研究，突破高超聲速、寬速域、寬空域、跨介質飛行等關鍵力學科學問題。其一級代碼下設3 個二級代碼，分別為“A1101 氣動與動力設計基礎”“A1102 結構力學設計與性能評價”“A1103 飛行力學與控制”，具體研究方向如表1 所示。其中，“A1101 氣動與動力設計基礎”主要包括高超聲速氣動設計、寬速域跨介質氣動設計以及動力與推進系統力學設計3 個研究方向，是由原二級申請代碼“A0911 飛行器與發動機中關鍵流體力學問題”遷移后重新拓展整合而成；“A1102 結構力學設計與性能評價”主要包括新材料與結構力學、強度與疲勞、振動與噪聲、缺陷損傷與力學性能評價4 個研究方向；“A1103飛行力學與控制”主要包括飛行動力學以及軌道與姿態動力學2 個研究方向，是由原二級申請代碼“A0705 飛行器與載運系統動力學”中“軌道動力學與控制”“彈道力學與飛行制導”“姿態動力學與控制”遷移后和新的“飛行動力學”重新整合組成。下面分別對3 個二級代碼的內涵范疇和重點研究方向進行說明。

表1 “A11 航空航天力學”二級代碼及研究方向Table 1 “A11 Aerospace Mechanics” level 2 codes and research directions

3.1 “A1101 氣動與動力設計基礎”

未來新型飛行器的發展面臨更復雜的服役環境和更高的氣動性能指標，技術挑戰大、關鍵科學問題更復雜。天地往返運輸系統、臨近空間武器作戰平臺和高超聲速導彈等不僅迫切需要解決各自“極限化”工作環境的挑戰，而且面臨跨速域、空域甚至跨介質飛行的“多域化”工作場景，帶來眾多亟待解決的氣動與動力設計基礎科學問題［4-5］?！癆1101 氣動與動力設計基礎”重點支持新型飛行器氣動特性與動力系統設計研究，揭示高超聲速飛行、亞跨超寬域飛行關鍵流動物理機制，探索類地行星等極端工作環境空氣動力學前沿科學問題，發展實驗手段、理論模型、數值模擬方法，為進一步提升飛行性能提供力學基礎支撐。未來新型飛行器及動力系統如圖3 所示［6-7］。

圖3 新型飛行器及動力系統Fig.3 Novel aircraft and power systems

高超聲速氣動設計需重點關注高超聲速邊界層轉捩及可壓縮湍流結構生成演化和致力致熱機理，真實氣體效應影響邊界層轉捩/湍流的理論體系的構建；開展針對真實氣體效應和高溫非平衡效應的地面模擬，發展高超聲速三維流場實驗測量方法，研究飛行試驗和地面測試的天地相關性，建立可壓縮流動穩定性和感受性的理論框架，提出基于湍流結構、融合大數據的可壓縮湍流模型，發展高保真數值計算方法。動力與推進系統力學設計需要重點關注高超聲速吸氣式推進系統的氣動/推進一體化設計方法，超聲速氣流中的釋熱機理，熱防護系統流動控制及優化；沖壓、火箭、渦輪發動機中旋轉爆震和斜爆震的應用形式、流動結構和釋熱規律；火箭基組合動力的多模態流動特征，渦輪基組合動力“推力陷阱”的流動本質和解決方案，不同模態轉換過程中的流動/燃燒穩定性。

寬速域跨介質氣動設計需要在“多域化”發展趨勢下，重點研究空化泡液兩相湍流機理，認識空泡流動非平衡和非連續特性，建立近壁空化流動與非定常載荷的精確數學物理模型，發展出入水安全評估技術；構建適用于氣動/運動/控制強耦合條件下的旋渦分離流動基礎理論，發展時變力/力矩預測方法和動態力矩控制技術，建立寬速域跨介質氣動設計方法，開展仿生智能變體氣動設計與多點優化；研究低雷諾數稀薄氣體條件下超大展弦比柔性結構的氣動彈性特性和機理，發展非線性氣動彈性分析方法，提出氣動辨識與在線感知的新原理，研究新概念陣風減緩增穩控制方法的控制機理。

3.2 “A1102 結構力學設計與性能評價”

結構力學設計與可靠性理論和方法是保障航空航天裝備滿足極端服役環境、高效能超長使役、跨介質飛行需求的關鍵基礎。新型飛行器的快速發展，對飛行器結構的輕量化水平、多功能集成、服役安全可靠性、低成本高性能制造等提出了更為嚴苛的要求，也給飛行器結構力學設計與可靠性評估帶來一系列新的挑戰［8-10］?！癆1102結構力學設計與性能評價”重點針對飛行器結構變形與破壞多尺度開展研究，突破新結構、新材料、新工藝等先進飛行器結構強度方面的基礎力學問題，研究飛行器結構強度與疲勞、振動與噪聲、缺陷與損傷等關鍵力學問題，推動結構強度與可靠性評估技術的發展。飛行器結構力學設計與可靠性如圖4 所示。

圖4 飛行器結構力學設計與可靠性Fig.4 Structural mechanics design and reliability of aircraft

未來的先進高超聲速飛行器往往需要在超高溫、超高速、熱交變載荷等條件下服役，因此需要對材料與結構在這些極端條件下的力學行為進行預測和評估。這類力學問題的解決不能依靠現有理論和方法簡單外推，亟需發展新的基礎理論、計算方法和實驗技術。例如，針對可重復使用空天往返飛行器、臨近空間高超飛行器對極端復雜服役環境下熱防護材料與熱端結構設計需求，一方面需重點關注集承載與防熱功能一體化的熱防護結構，在“深冷-高熱”熱循環和疲勞載荷作用下的力學表征和疲勞損傷演化與防隔熱性能劣化機理、極端服役環境下熱燒蝕材料的燒蝕機制與耐燒蝕機理、典型熱結構與材料防隔熱性能和強度的高精度預報方法、高速流動-高溫-強噪聲環境下的熱防護結構動響應與控制方法、熱結構重復使用性能評價與檢測方法等；另一方面，針對空天往返飛行器熱防護結構為疏松多孔或主動防熱材料的特點，需重點關注空天環境下粘接界面力學特性和沖擊力學損傷容限、“發射-在軌-再入”全任務剖面下熱防護結構損傷演化機制與性能退化規律、主動熱防護結構熱質輸運多尺度分析與實驗驗證方法等問題。此外，通過研究生物體的多級散熱機理及其結構-功能原理，發展仿生的相變熱控結構和主動冷卻結構設計新方法，為高超聲速飛行器主動防隔熱技術發展提供新思路。

面向跨介質飛行器的水空跨介質、復雜環境超常服役等需求，需重點關注水下滑移邊界流固耦合力學、高速液滴沖擊下飛行器結構損傷機理與預報方法、抗雨蝕涂層-結構力學設計與性能評價方法、多介質強耦合作用下飛行器結構的強度評估方法等問題。面向變體飛行器的發展需求，則需重點關注智能材料與結構的失效機理與強度理論、剛柔耦合變體結構的力學響應預測與設計方法、承載-感知-控制等多功能一體化結構的協同設計方法等研究。

針對航天裝備在熱交變載荷、強空間輻照、空間碎片超高速撞擊等空間環境下的服役需求，亟需從材料和結構兩個層面開展相關的基礎力學問題研究。一方面，需重點關注承載與防熱功能一體化結構在“深冷-高熱”熱循環與疲勞載荷下、輻照條件下材料和結構的內部缺陷相互作用機理、強度與破壞理論以及熱結構重復使用性能評價與檢測方法等；另一方面，需重點關注熱尺寸穩定結構的力學設計理論與優化方法、模擬空間環境下的結構高精度測試與表征方法、超高速碎片撞擊下復雜結構服役狀態監測方法與防護結構優化設計方法等研究。

另外，隨著當前復合材料在航空航天裝備中的使用占比明顯上升，航空航天復合材料與結構的無損檢測技術對延長裝備壽命、降低成本至關重要，但目前仍然面臨檢測精度低、在線檢測難等問題。因此，需要開展航空航天復合材料與結構的高精度智能傳感技術、極端環境下復合材料損傷演化機制與原位表征方法、基于人工智能的數據分析與處理方法等研究。面向航空航天結構的快速設計與制備需求，需著重發展飛行器結構數字孿生技術、數據驅動的結構力學設計與完整性評估方法、面向先進增材制造工藝的設計-制造-評價一體化數值模擬方法等。

3.3 “A1103 飛行力學與控制”

飛行空域和速域的拓展使新一代飛行器面臨更為復雜的動載荷環境特征，深空探測任務中對多目標探測的軌道優化、低能量軌道設計等需求強烈，在軌航天器逐漸向大型化、復雜化、分布式的方向發展，這些全新的發展態勢給飛行力學與控制學科帶來氣動/熱/噪聲/彈性耦合、系統參數時變、剛柔耦合、精確主動控制等多方面的問題［11-12］?！癆1103 飛行力學與控制”重點開展航空器飛行動力學、航天器姿態與軌道控制等新理論和新方法研究，通過多學科交叉融合，突破高度不確定性、強非線性、非合作環境下的飛行動力學仿真、路徑/任務規劃與重構等方面的關鍵基礎力學問題，提升飛行器復雜環境下穩定性和機動性。典型新型飛行器及未來空間任務概念如圖5 所示［13-14］。

圖5 典型新型飛行器及未來空間任務概念Fig.5 Typical novel aircraft and future space mission concepts

航空器飛行力學需重點關注面向寬速域飛行的變體飛機技術中的剛-柔耦合飛行力學建模與飛行-變體一體化控制，飛行器跨介質過程中的固-液-氣耦合飛行力學建模與控制；著力解決高速旋翼飛行器剛柔耦合多體動力學建模，傾轉旋翼動力學設計問題；開展主僚機協同及機群協同等復雜約束條件下的動力學、控制及實驗研究；建立高維非線性的數字孿生模型，作為精確動力學耦合分析、復雜控制律設計、控制效能重構、虛擬傳感器重構、高維度任務規劃的基礎；拓展人工智能技術在自適應故障重構飛行、智能變體、協同規劃與編隊決策控制、撲翼等柔性飛行器的時變動力學控制等方面的應用。

航天器動力學需重點關注超大型空間結構在軌展開、組裝、構型重構等過程的變拓撲動力學與控制，復雜多體航天器運動規律認知與動力學設計，模塊化航天器在軌分離、交會對接與組合動力學，空間碎片等非合作目標接近、操作動力學與控制等問題；解決復雜約束條件下的飛行器軌跡跟蹤與確定，面向深空探測的任務規劃、軌道優化設計、姿軌耦合設計等問題；著力開展跨速域、跨空域重型運載火箭復雜力學特性分析與輕量化設計，航天器軌道、姿態、振動和液體晃動耦合動力學，航天器微振動分析、超精密驅動控制、結構形狀控制等研究；注重與人工智能、大數據等新興學科的交叉融合，開展天地動力學相似準則下的地面實驗，支撐相關空間在軌任務的實施。

4 總 結

本文系統闡述了“航空航天力學”一級申請代碼增設背景與過程，對下設各二級代碼的內涵范疇、重點資助范圍和領域進行了介紹，期望航空航天領域相關科研人員能夠充分了解“航空航天力學”代碼的設置情況，關注該代碼的重點研究方向并進行項目申報。

1） 希望航空航天領域科研人員根據“航空航天力學”二級代碼、研究方向的設置情況及時更新自然科學基金網絡信息系統中的個人研究方向和其他信息，提高該新增代碼的專家評議匹配質量。

2） 希望能夠依托“航空航天力學”代碼組織相關研討會，搭建基礎研究與行業部門科研人員學術交流平臺，打破壁壘促進高等院校與行業科研人員的深度交流和學術合作，強化面向航空航天領域中重大需求的基礎力學問題研究。

3） 利用“航空航天力學”代碼進一步促進力學學科內部交叉融合，有力推動航空航天力學人才梯隊的建設，引導相關科研人員集中攻關航空航天領域發展的前沿關鍵基礎問題，支撐航空航天強國建設。

4） “航空航天力學”二級代碼、研究方向及關鍵詞也將根據項目申請情況和學科前沿發展進行動態調整，希望科研人員提出相關意見和建議。

致 謝

“航空航天力學”一級申請代碼在設立過程中得到了航空航天領域高等院校、科研院所以及相關領域眾多專家的支持和幫助，提出了具體的意見和建議。特別是專家咨詢委員會和力學學科“十四五”發展戰略研究專家組，對申請代碼的內涵與范疇、二級代碼的構架進行了指導與設計。本文在撰寫過程中也得到了眾多專家學者的指導與建議，在此一并表示感謝。