我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及前沿分析

于輝，游駿

（1.西北工業(yè)大學(xué) 生命學(xué)院，西安 710072）

（2.西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710072）

0 引 言

航空航天技術(shù)是20 世紀(jì)興起的一門綜合性極強(qiáng)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，是對人類生活影響最大的科學(xué)技術(shù)之一，也是人類文明發(fā)展的重要標(biāo)志。航空航天技術(shù)作為多種高精尖技術(shù)的集合，是衡量一個國家綜合國力的重要因素，其涵蓋了物理、數(shù)學(xué)、生命科學(xué)等基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和其他相關(guān)的應(yīng)用研究領(lǐng)域。20 世紀(jì)初，第一架帶動力、可操縱的飛機(jī)出現(xiàn)后，航空航天技術(shù)飛速發(fā)展，到20 世紀(jì)50年代中期，第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射成功，人類的腳步也開始邁向更遙遠(yuǎn)的太空。近年來，我國在航空航天領(lǐng)域取得了一系列舉世矚目的偉大成就，這些成績的取得與我國高等學(xué)校等科研機(jī)構(gòu)和廣大科研人員潛心學(xué)術(shù)、矢志原始創(chuàng)新，集中優(yōu)勢力量開展科技攻關(guān)息息相關(guān)。

開展關(guān)于航空航天領(lǐng)域的研究，對系統(tǒng)總結(jié)經(jīng)驗、準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題、科學(xué)謀劃未來起到至關(guān)重要的作用。國內(nèi)部分研究者聚焦這個主題開展了一些研究，馬雪梅等利用Web of Science 的數(shù)據(jù)，研究了航天強(qiáng)國的發(fā)展動態(tài)，對比分析了中國與美國、歐盟、俄羅斯等國家和地區(qū)在航空航天領(lǐng)域的差距；孟祥昊等分析了中美俄三國航空航天技術(shù)的研究現(xiàn)狀；周立秋等分析了我國航空航天技術(shù)發(fā)展態(tài)勢和航空航天力量的分布情況。

上述研究分析主要聚焦國家與國家/地區(qū)之間等宏觀層面的研究，缺少高等學(xué)校關(guān)于該領(lǐng)域研究的系統(tǒng)梳理與分析。而我國高等學(xué)校是航空航天原始創(chuàng)新的重要發(fā)源地，在航空航天技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步中發(fā)揮了重要作用；進(jìn)一步聚焦高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和前沿分析等開展研究，對推動我國航空航天技術(shù)發(fā)展，助力航空強(qiáng)國和航天強(qiáng)國建設(shè)具有十分重要的意義。

1 數(shù)據(jù)源和研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源及篩選

本文基于Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫，以JCR 收錄的30 個航空航天工程領(lǐng)域（Engineering，Aerospace）的科技期刊為數(shù)據(jù)源，檢索條件設(shè)置為期刊名，地址設(shè)置為China，搜索時間設(shè)置為2011—2020 年，在對所檢索的論文進(jìn)行去重處理后，共獲取11 488 篇論文信息；在此基礎(chǔ)上，添加Univ 條件，對高等學(xué)校參與發(fā)表論文進(jìn)行篩選，獲得10 860 篇文獻(xiàn)（占文獻(xiàn)總數(shù)的95%），足以看出我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域研究中的重要地位。因此，本文重點(diǎn)對高等學(xué)校參與發(fā)表的文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，以此來分析我國航空航天領(lǐng)域研究的現(xiàn)狀和前沿方向。

1.2 研究方法

本文以CiteSpace 軟件為基礎(chǔ)對所建立的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分析，CiteSpace 軟件的版本為5.7. R2。CiteSpace 是一款基于JAVA 平臺的信息可視化軟件，是文獻(xiàn)計量學(xué)方面最先進(jìn)的分析工具之一。通過CiteSpace 繪制的知識圖譜能夠顯示一個學(xué)科或知識領(lǐng)域在一定時期的發(fā)展趨勢和動向，從而使得研究者能夠科學(xué)地把握研究現(xiàn)狀與前沿。本文以近十年我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域研究文獻(xiàn)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過使用CiteSpace 軟件的關(guān)鍵詞共現(xiàn)，關(guān)鍵詞突現(xiàn)，機(jī)構(gòu)合作關(guān)系等分析方法，分析研究我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和前沿方向。

2 研究情況分析

2.1 文獻(xiàn)發(fā)布情況分析

論文的產(chǎn)出情況能夠說明一個國家在該科學(xué)領(lǐng)域中的知識產(chǎn)出能力，2011—2020 年，我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域共發(fā)表論文10 860 篇，其年度分布如圖1 所示。

圖1 航空航天領(lǐng)域論文的年度發(fā)文量Fig.1 Annual number of papers published in the field of aerospace

從圖1 可以看出：2011 年發(fā)表的論文為375篇，2019 年達(dá)到最高值2 024 篇，而2020 年略微降低，但總體呈現(xiàn)上升趨勢，這說明我國高等學(xué)校越來越重視關(guān)于航空航天領(lǐng)域的研究，這與我國高等學(xué)校和廣大科研工作者響應(yīng)黨和國家部署安排，主動服務(wù)于航空和航天事業(yè)發(fā)展密不可分。

2.2 高等學(xué)校發(fā)文情況分析

高等學(xué)校的發(fā)文數(shù)量能夠在一定程度上展現(xiàn)該校在航空航天領(lǐng)域的研究程度，從而揭示該領(lǐng)域處于最前沿的高等學(xué)校。通過CiteSpace 生成研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜，可以展示出各個高等學(xué)校之間的合作強(qiáng)度。2011—2020 年發(fā)文量排名前20 的高等學(xué)校如表1 所示，可以看出：排名前五的高等學(xué)校分別為北京航空航天大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，國防科技大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)；北京航空航天大學(xué)發(fā)文最多，為1 919 篇，另外四所高等學(xué)校發(fā)文量也均在1 000 篇左右，在航空航天領(lǐng)域有著較高水平。發(fā)文量在500 篇以上的高等學(xué)校還有北京理工大學(xué)，清華大學(xué)。排名前20 的高等學(xué)校中，大部分為國防軍工行業(yè)特色高等學(xué)校，屬于航空航天領(lǐng)域研究的中堅力量，可見航空航天領(lǐng)域的研究和進(jìn)展，與我國的國防事業(yè)發(fā)展息息相關(guān)。從地區(qū)分布來看，位于北京的高等學(xué)校最多，在航空航天領(lǐng)域?qū)嵙ψ顝?qiáng)；而位居其后的地區(qū)分別為陜西、江蘇、黑龍江、湖南，均為國防科技重點(diǎn)省份，具有較強(qiáng)實(shí)力，其他省份在航空航天領(lǐng)域的實(shí)力則相對弱一些。

表1 機(jī)構(gòu)發(fā)文量統(tǒng)計Table 1 Statistics on the number of articles issued by institutions

高等學(xué)校之間合作關(guān)系圖如圖2 所示，可以看出：北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、國防科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)在圖中占據(jù)較大位置。以上述大學(xué)為中心各自發(fā)展出了若干合作網(wǎng)絡(luò)，通過對這些合作網(wǎng)絡(luò)分析可以得出，連接關(guān)系較強(qiáng)的往往處于同一地區(qū)或相鄰省份，如西北工業(yè)大學(xué)與西安電子科技大學(xué)、空軍工程大學(xué)有較強(qiáng)合作關(guān)系，南京航空航天大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)、南京大學(xué)有較強(qiáng)合作關(guān)系等，當(dāng)然，跨地區(qū)也存在一定的合作關(guān)系，例如國防科技大學(xué)與清華大學(xué)的合作。

按照“群眾投工投勞、專項項目投入、政府補(bǔ)助資金”的原則，州政府落實(shí)專項補(bǔ)助資金，統(tǒng)一購置鼠用餌料、防鼠毒素，組織動員群眾對鼠害發(fā)生較為嚴(yán)重的草場進(jìn)行集中連片防治。按照“整體規(guī)劃、分步實(shí)施、壓茬推進(jìn)”的原則，利用有效時間對全州發(fā)生鼠害草場進(jìn)行集中連片防治，控制草原鼠害，促進(jìn)農(nóng)牧民群眾增產(chǎn)增收，有效保護(hù)草原生態(tài)環(huán)境。

圖2 高等學(xué)校合作關(guān)系Fig.2 Research institution partnerships

3 研究現(xiàn)狀與前沿分析

關(guān)鍵詞是對一篇文獻(xiàn)的高度概括，通過對關(guān)鍵詞分析，能夠反映出目前在該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀以及研究的變化趨勢，而關(guān)鍵詞突現(xiàn)，則是通過關(guān)鍵詞的突增性，體現(xiàn)該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，進(jìn)而分析其研究前沿。

3.1 關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析

在CiteSpace 中選擇Keyword，對關(guān)鍵詞進(jìn)行共現(xiàn)分析，其仿真結(jié)果如圖3 所示，其中，關(guān)鍵詞的圓圈大小對應(yīng)關(guān)鍵詞出現(xiàn)的頻次，出現(xiàn)次數(shù)越多圓圈越大；關(guān)鍵詞之間的連線表示兩個關(guān)鍵詞同時出現(xiàn)在一篇文獻(xiàn)。通過對關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜結(jié)果分析，可以得到關(guān)鍵詞的出現(xiàn)頻次。出現(xiàn)頻次排名前20 的關(guān)鍵詞如表2 所示，其中，中心性表示了該節(jié)點(diǎn)的重要程度，中心性大于0.1 的節(jié)點(diǎn)稱為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。出現(xiàn)頻次高于500 的關(guān)鍵詞分別為de?sign、system、model、flow、optimization、perfor?mance，這類詞語的共同特點(diǎn)是對某一領(lǐng)域較為籠統(tǒng)的概括，如設(shè)計（design）一詞出現(xiàn)次數(shù)最多，為954 次，其所表示內(nèi)容涉及飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計等方面?；陉P(guān)鍵詞分析，我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域的研究，主要聚焦優(yōu)化、穩(wěn)定性、動力學(xué)、數(shù)值仿真、衛(wèi)星、跟蹤、導(dǎo)航、姿態(tài)控制、滑?？刂频葢?yīng)用研究領(lǐng)域。

圖3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)Fig.3 Keywords co-occurrence network

表2 高頻關(guān)鍵詞統(tǒng)計表Table 2 High frequency keywords statistical table

3.2 關(guān)鍵詞聚類分析

在關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析的基礎(chǔ)上，CiteSpace 可以根據(jù)關(guān)鍵詞之間的關(guān)系進(jìn)行聚類分析，由此可以更加準(zhǔn)確地把握我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域的研究動態(tài)和發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞聚類分析結(jié)果如圖4 所示，其中，每個#表示一個聚類，共生成22 個聚類，聚類的編號由小到大表示聚類中所包含的關(guān)鍵詞數(shù)量逐漸減小。

圖4 關(guān)鍵詞聚類圖譜Fig.4 The clustering graph of keywords

這在這些聚類中，又可以根據(jù)其意義以及包含的內(nèi)容分為六個大類。

第一大類是與飛行器總體設(shè)計相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括航天器（spacecraft）、航空器（aircraft）、空間機(jī)器人（space robot）、算法（algorithm）、空間飛行器（space vehicle）、微重力（microgravity）。以上聚類主要圍繞飛行器總體進(jìn)行研究，或者是對涉及飛行器的某一領(lǐng)域進(jìn)行研究，具有較強(qiáng)的歸納概括性。

第二大類是與高超聲速環(huán)境下飛行器相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括空腔結(jié)構(gòu)（cavity）、減阻（drag re?duction）、激波（shock wave），其中，空腔結(jié)構(gòu)是針對高超聲速飛行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計方式；減阻主要指飛行器在高超聲速環(huán)境下的減阻問題；激波則是在超聲速下的一種氣動現(xiàn)象，激波是飛行器阻力增大的重要原因之一，消除激波影響對減阻有著重要意義。

第三大類是與飛行器制導(dǎo)系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括沖擊時間（impact time）、組合導(dǎo)航（inte?grated navigation）、導(dǎo)彈制導(dǎo)（missile guidance）、雜波（clutter）以及多系統(tǒng)（multi-GNSS）。其中，沖擊時間表示在導(dǎo)彈制導(dǎo)過程中對導(dǎo)彈擊中目標(biāo)時間的控制，組合導(dǎo)航和導(dǎo)彈制導(dǎo)以及多系統(tǒng)均是對導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計，而雜波是指對導(dǎo)彈控制系統(tǒng)工作環(huán)境的研究。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，已經(jīng)不是僅僅滿足于導(dǎo)彈擊中目標(biāo)，而是要進(jìn)一步控制導(dǎo)彈擊中目標(biāo)的時間、角度，甚至同時控制多枚導(dǎo)彈，進(jìn)行協(xié)同制導(dǎo)。

第四大類是與飛行器自身結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括震蕩（earthquake）、氣動聲學(xué)（aero?acoustics）、復(fù)合材料（composite materials）、振動（vibrations）。復(fù)合材料能夠有效減輕飛機(jī)本身的重量，同時，相對于傳統(tǒng)材料，復(fù)合材料具有更優(yōu)越的綜合性能，因此在航空航天領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。震蕩、氣動聲學(xué)、振動則是指飛行器自身的結(jié)構(gòu)特性，涉及飛行器結(jié)構(gòu)材料、振動頻率和模態(tài)等。

第五大類是與流體力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括風(fēng)洞實(shí)驗（wind tunnel test）、數(shù)值分析（numeri?cal simulation）。其中，風(fēng)洞實(shí)驗是通過實(shí)驗方法研究氣體流動及其空氣特性，數(shù)值分析則是使用計算機(jī)程序來求解數(shù)學(xué)模型的近似解，如計算流體力學(xué)等。

第六大類是與類發(fā)動機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括燃燒（combustion）和離心式壓縮機(jī)（centrifugal compressor）。離心式壓縮機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單可靠且穩(wěn)定工作范圍寬，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)。燃燒主要指的是對超燃沖壓發(fā)動機(jī)的研究，與傳統(tǒng)火箭發(fā)動機(jī)相比，超燃沖壓發(fā)動機(jī)無需攜帶氧化劑、節(jié)省燃料，在消耗同等燃料的情況下，推力能達(dá)到傳統(tǒng)火箭發(fā)動機(jī)的4 倍。

3.3 研究前沿分析

對于學(xué)科前沿，一般情況下以3～5 年內(nèi)研究數(shù)據(jù)作為基本前沿集合，因此，本文選取2017—2020 年我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域發(fā)表的論文，通過CiteSpace 的關(guān)鍵詞突現(xiàn)功能，得到排名前20 的關(guān)鍵詞突現(xiàn)結(jié)果，如表3 所示，其中，強(qiáng)度表示關(guān)鍵詞在該時間段內(nèi)引用量變化情況，強(qiáng)度大說明這段時間該關(guān)鍵詞被大量引用，體現(xiàn)出某類研究的興起。

表3 關(guān)鍵詞突現(xiàn)結(jié)果Table 3 The result of keywords bursts

從表3 可以看出：我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域研究的前沿方向主要包括以下四類。

第一類是關(guān)于發(fā)動機(jī)相關(guān)領(lǐng)域的研究，特別是對高超聲速發(fā)動機(jī)的研究。其中，隔離段（isola?tor）是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的重要?dú)鈩硬考?，不起動（unstart）則是超燃沖壓發(fā)動機(jī)的一種現(xiàn)象；隔離段的作用就是為防止超燃沖壓發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道的不起動。在高超聲速的情況下，氣動加熱十分嚴(yán)重，因此飛行器的防熱系統(tǒng)（thermal protection system）顯得尤為必要；此外，推力（thrust），氣缸（cylinder）是發(fā)動機(jī)中常見的名詞，航空發(fā)動機(jī)（aircraft en?gine）以及軸流式發(fā)動機(jī)（axial flow compressor）指的是不同發(fā)動機(jī)，這些都是關(guān)于發(fā)動機(jī)研究的重要內(nèi)容。

第二類是關(guān)于控制理論相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括滑動模態(tài)（sliding mode），執(zhí)行器飽和（actuator saturation），有限時間控制（finite time control），控制系統(tǒng)（control system）。其中，滑動模態(tài)主要指滑模控制方法，滑?？刂颇軌蚩朔到y(tǒng)的不確定性，具有很強(qiáng)的魯棒性，但是存在抖振問題。執(zhí)行器飽和是指在實(shí)際問題中，對于所設(shè)計的控制方法，還存在機(jī)械上的限制，因此需要對執(zhí)行器飽和問題進(jìn)行研究。而有限時間控制也是控制理論中一個重點(diǎn)研究的問題。

第三類是關(guān)于衛(wèi)星相關(guān)領(lǐng)域的研究，包括對航天器姿態(tài)控制的研究?？刂屏赝勇荩╟ontrol moment gyro）就是實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制的一個裝置，而偽譜法（pseudo-spectral method）是在求解衛(wèi)星軌道問題的常用數(shù)值模擬方法。

第四類是其他相關(guān)領(lǐng)域的研究。由于研究方向涉及到多個方面，無法統(tǒng)一歸納總結(jié)為某一類，如數(shù)值模擬（numerical simulation），在氣動方面，有計算流體力學(xué)；在結(jié)構(gòu)方面，有靜力學(xué)分析等。環(huán)境（environment），采樣（capture），飛行器（flight ve?hicle），強(qiáng)度（strength），代碼（code），校驗（valida?tion）均是一些較為籠統(tǒng)的關(guān)鍵詞，并不是對某一研究方向的概括。

4 分析與展望

通過上述分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）2011—2020 年，我國高等學(xué)校在航空航天工程類期刊上發(fā)表的論文數(shù)量穩(wěn)步增加，這說明我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域的研究越來越重視和持續(xù)深入。

（2）國防軍工行業(yè)特色高等學(xué)校是航空航天領(lǐng)域研究的中堅力量，同一區(qū)域的高等學(xué)校間開展了實(shí)質(zhì)性合作、產(chǎn)出了研究成果，不在同一區(qū)域的高等學(xué)校開展合作較少。

（3）我國高等學(xué)校關(guān)于航空航天領(lǐng)域研究主要偏向于應(yīng)用問題的研究，對基礎(chǔ)理論研究較少，主要集中在關(guān)于飛行器總體設(shè)計、高超聲速飛行器、制導(dǎo)控制、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計、流體力學(xué)以及發(fā)動機(jī)設(shè)計等方面研究。

（4）我國高等學(xué)校的研究前沿主要集中在高超聲速發(fā)動機(jī)、控制理論、航天器姿態(tài)控制、數(shù)值模擬、復(fù)合材料等領(lǐng)域的研究。

通過對我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域的研究成果分析，一定程度上反映了我國在航空航天領(lǐng)域的實(shí)力，要建成世界航天強(qiáng)國，首先需要提高國家航空航天科技創(chuàng)新能力，特別是原始創(chuàng)新能力，在這一方面，可以借鑒國外航空航天強(qiáng)國的經(jīng)驗，逐步提高研發(fā)能力、創(chuàng)新能力。其次，我國在航空航天領(lǐng)域，偏向于應(yīng)用問題，而對于航空航天前沿基礎(chǔ)的探索存在不足，需要加強(qiáng)對世界研發(fā)前沿技術(shù)的研究，解決“卡脖子”問題。最后，各個高等學(xué)校作為航空航天領(lǐng)域研究的主力，也需要積極發(fā)揮帶頭作用，加強(qiáng)各個機(jī)構(gòu)之間的合作交流，支撐中國航天事業(yè)的發(fā)展。

5 結(jié)束語

本文利用可視化工具，從多個角度對我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域發(fā)表的論文進(jìn)行了分析，總結(jié)了我國高等學(xué)校在航空航天領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前沿?；仡欉^去，我國航空航天實(shí)力快速提升，我國高等學(xué)校特別是國防軍工行業(yè)特色高等學(xué)校作為航空航天領(lǐng)域研究的中堅力量，起到了十分重要的作用。展望未來，以北京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等“國防七子”為代表的高等學(xué)校，還將聚焦制約航空航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵領(lǐng)域持續(xù)開展深入研究，為國防科技進(jìn)步和現(xiàn)代化建設(shè)提供強(qiáng)有力的智力支撐。