國家自然科學(xué)基金新增代碼“航空航天力學(xué)”內(nèi)涵及重要研究領(lǐng)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(xué)基金委員會 數(shù)學(xué)物理科學(xué)部，北京 100085

2.南京航空航天大學(xué) 航空學(xué)院，南京 210016

3.國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長沙 410073

4.西北工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，西安 710072

5.北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

6.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京 100081

1 新增“航空航天力學(xué)”申請代碼的背景

力學(xué)是關(guān)于物質(zhì)相互作用與運(yùn)動的科學(xué)，研究介質(zhì)運(yùn)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(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等過程的相互作用規(guī)律與機(jī)理［1］。力學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，是眾多自然科學(xué)的基石和重要組成部分，同時(shí)也是工程科學(xué)的基礎(chǔ)，是科學(xué)與工程結(jié)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(yīng)用力學(xué)學(xué)派，把力學(xué)與航空航天等新興工業(yè)的發(fā)展緊密結(jié)合起來，為近代力學(xué)的發(fā)展開辟了新天地［1］。

航空航天發(fā)展與力學(xué)基礎(chǔ)研究緊密相關(guān)，力學(xué)基礎(chǔ)理論突破引領(lǐng)了航空航天技術(shù)的革新，而航空航天的發(fā)展也不斷為力學(xué)提出新的基礎(chǔ)科學(xué)問題，二者螺旋上升發(fā)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(chǔ)力學(xué)理論的重大飛躍，應(yīng)用力學(xué)學(xué)派創(chuàng)始人路德維?！て绽侍氐倪吔鐚永碚摚约岸砹_斯空氣動力學(xué)家尼古拉·葉戈羅維奇·儒科夫斯基的升力環(huán)量定理，為解決飛機(jī)氣動設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)；美國空氣動力學(xué)家理查德·惠特科姆提出的跨聲速/超聲速面積律促使現(xiàn)代飛機(jī)突破“音障”；錢學(xué)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(fā)展奠定了基礎(chǔ)；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(shè)計(jì)提供了理論支撐；如圖1 所示。

圖1 力學(xué)基礎(chǔ)理論突破和航空航天發(fā)展密切聯(lián)系Fig.1 Tight connections between aerospace development and breakthroughs in fundamental mechanics theories

中國力學(xué)學(xué)科的發(fā)展與航空航天密不可分。1956 年錢學(xué)森籌辦中國科學(xué)院力學(xué)研究所，提出要堅(jiān)持工程科學(xué)思想，解決火箭、導(dǎo)彈發(fā)展需求中的關(guān)鍵技術(shù)和核心科學(xué)問題，設(shè)立了高速空氣動力學(xué)、高溫固體力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)等研究方向。同年錢學(xué)森在力學(xué)學(xué)科規(guī)劃的基礎(chǔ)上，提出了《建立我國國防航空工業(yè)的意見書》，并組建中國第1 個火箭、導(dǎo)彈研究機(jī)構(gòu)——國防部第五研究院。在《1956—1967 年科學(xué)技術(shù)發(fā)展遠(yuǎn)景規(guī)劃》中，首次確定了力學(xué)是一級學(xué)科，指出“近代的航空、火箭技術(shù)的發(fā)展中，力學(xué)研究是先導(dǎo)”，并確定了發(fā)展空氣動力學(xué)等學(xué)科以助推航空工業(yè)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等院校圍繞航空航天領(lǐng)域設(shè)立了力學(xué)專業(yè)/系。進(jìn)入21 世紀(jì)以來，為適應(yīng)航空航天快速發(fā)展對綜合學(xué)科的迫切需要，30 余所高校以力學(xué)學(xué)科為主體先后成立了航空航天院系，為我國航空航天技術(shù)的發(fā)展培育了一系列創(chuàng)新成果與優(yōu)秀人才隊(duì)伍。

近年來飛行器已從亞聲速、超聲速飛行進(jìn)入高超聲速飛行時(shí)代，并且呈現(xiàn)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(qiáng)國邁進(jìn)，這對力學(xué)的發(fā)展提出了新的需求和挑戰(zhàn)。一方面跨域極限飛行對力學(xué)學(xué)科提出了新的基礎(chǔ)科學(xué)問題，例如：近空間稀薄氣體效應(yīng)導(dǎo)致連續(xù)介質(zhì)假設(shè)失效；高超聲速引起的真實(shí)氣體效應(yīng)、非平衡效應(yīng)顯著，高溫氣動加熱導(dǎo)致結(jié)構(gòu)熱失效熱破壞問題。另一方面未來空天融合、氣動推進(jìn)一體化、氣動結(jié)構(gòu)控制一體化的飛行器高效緊湊構(gòu)型設(shè)計(jì)取決于力學(xué)分支學(xué)科乃至與其他相關(guān)學(xué)科的深度交叉融合，例如：高超聲速飛行環(huán)境下熱-力-結(jié)構(gòu)一體化需要?dú)鈩恿?、氣動熱以及結(jié)構(gòu)變形的強(qiáng)耦合研究；內(nèi)外流一體化、氣動-結(jié)構(gòu)-控制一體化都需要耦合各學(xué)科實(shí)現(xiàn)性能最優(yōu)化設(shè)計(jì)等。這些核心基礎(chǔ)科學(xué)問題是制約航空航天技術(shù)發(fā)展的“卡脖子”問題，也為力學(xué)學(xué)科發(fā)展提供了新的增長點(diǎn)。而原有的“動力學(xué)與控制”“固體力學(xué)”“流體力學(xué)”一級代碼重點(diǎn)關(guān)注單一分支學(xué)科的基礎(chǔ)科學(xué)問題，與現(xiàn)代航空航天發(fā)展態(tài)勢對力學(xué)學(xué)科深度融合交叉的要求不符合。相關(guān)分支學(xué)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(xué)研究中“真問題”“真需求”不能準(zhǔn)確判斷，不利于對目標(biāo)導(dǎo)向的基礎(chǔ)研究形成合理的評價(jià)機(jī)制。為適應(yīng)航空航天融合發(fā)展的新趨勢，強(qiáng)化目標(biāo)導(dǎo)向的力學(xué)基礎(chǔ)研究，有必要將原分散在各代碼下的航空航天力學(xué)研究方向集中起來，形成新的一級申請代碼，促進(jìn)基礎(chǔ)研究交叉融通并支撐航空航天的發(fā)展。

2 “航空航天力學(xué)”申請代碼新增過程

在“十一五”“十二五”期間，國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱基金委）數(shù)學(xué)物理科學(xué)部瞄準(zhǔn)中國航空航天未來發(fā)展超前布局了兩個重大研究計(jì)劃，吸引了一批優(yōu)秀力學(xué)工作者和航空航天科技工作者共同開展基礎(chǔ)研究，并在國家自然科學(xué)基金數(shù)理科學(xué)“十三五”規(guī)劃戰(zhàn)略研究報(bào)告中建議在力學(xué)學(xué)科代碼中增加“航空航天力學(xué)”代碼［2-3］。2019 年，力學(xué)學(xué)科“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略研究啟動“航空航天力學(xué)”代碼新增工作，對航空航天領(lǐng)域自然科學(xué)基金項(xiàng)目申請情況、航空航天領(lǐng)域高等院校和科研院所相關(guān)研究隊(duì)伍情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)調(diào)研。

2022 年3 月開始，數(shù)理科學(xué)部力學(xué)學(xué)科處多次組織航空航天領(lǐng)域相關(guān)科研人員進(jìn)行專題研討，論證航空航天未來發(fā)展趨勢對力學(xué)學(xué)科基礎(chǔ)研究提出的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，并按照相關(guān)院校研究專業(yè)設(shè)置和航空航天部門劃分梳理航空航天力學(xué)分支研究領(lǐng)域，討論“航空航天力學(xué)”申請代碼資助的內(nèi)涵及范疇，梳理了二級代碼、研究方向和關(guān)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(shù) 理 科 學(xué) 部 通 過 函 件、召開專題研討會、調(diào)研等多種形式，征求了數(shù)理科學(xué)部專家咨詢委員會委員（力學(xué)）、力學(xué)學(xué)科“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略研究專家組、力學(xué)領(lǐng)域院士和資深專家以及相關(guān)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(duì)前往航空航天行業(yè)單位進(jìn)行調(diào)研并征求對“航空航天力學(xué)”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(jìn)行了梳理匯總，完善補(bǔ)充到申請代碼新增方案中。

2023 年9 月，數(shù)理科學(xué)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(lǐng)域部分進(jìn)行了統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，部分申請代碼和研究方向進(jìn)行了合并和遷移，并會同相關(guān)科學(xué)部對“航空航天力學(xué)”新增申請代碼的交叉部分進(jìn)行了溝通和研討，進(jìn)一步厘清了代碼涵蓋范疇，聚焦于系統(tǒng)性、前瞻性、戰(zhàn)略性布局航空航天力學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)研究，形成了申請代碼調(diào)整方案建議。該建議經(jīng)基金委委務(wù)會正式審議通過，于2024 年在項(xiàng)目申請指南中新增“A11 航空航天力學(xué)”一級申請代碼。整個航空航天力學(xué)申請代碼設(shè)立過程如圖2 所示。

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

3 “航空航天力學(xué)”資助范圍及重要研究領(lǐng)域

為應(yīng)對未來空天一體化的發(fā)展趨勢，根據(jù)航空航天發(fā)展態(tài)勢及力學(xué)學(xué)科特點(diǎn)，新增“A11 航空航天力學(xué)”一級申請代碼主要針對航空航天飛行器氣動設(shè)計(jì)與動力系統(tǒng)力學(xué)基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)變形與破壞、飛行動力學(xué)，以及超常服役環(huán)境飛行器相關(guān)基礎(chǔ)力學(xué)問題開展研究，突破高超聲速、寬速域、寬空域、跨介質(zhì)飛行等關(guān)鍵力學(xué)科學(xué)問題。其一級代碼下設(shè)3 個二級代碼，分別為“A1101 氣動與動力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”“A1102 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)”“A1103 飛行力學(xué)與控制”，具體研究方向如表1 所示。其中，“A1101 氣動與動力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”主要包括高超聲速氣動設(shè)計(jì)、寬速域跨介質(zhì)氣動設(shè)計(jì)以及動力與推進(jìn)系統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)3 個研究方向，是由原二級申請代碼“A0911 飛行器與發(fā)動機(jī)中關(guān)鍵流體力學(xué)問題”遷移后重新拓展整合而成；“A1102 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)”主要包括新材料與結(jié)構(gòu)力學(xué)、強(qiáng)度與疲勞、振動與噪聲、缺陷損傷與力學(xué)性能評價(jià)4 個研究方向；“A1103飛行力學(xué)與控制”主要包括飛行動力學(xué)以及軌道與姿態(tài)動力學(xué)2 個研究方向，是由原二級申請代碼“A0705 飛行器與載運(yùn)系統(tǒng)動力學(xué)”中“軌道動力學(xué)與控制”“彈道力學(xué)與飛行制導(dǎo)”“姿態(tài)動力學(xué)與控制”遷移后和新的“飛行動力學(xué)”重新整合組成。下面分別對3 個二級代碼的內(nèi)涵范疇和重點(diǎn)研究方向進(jìn)行說明。

表1 “A11 航空航天力學(xué)”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(shè)計(jì)基礎(chǔ)”

未來新型飛行器的發(fā)展面臨更復(fù)雜的服役環(huán)境和更高的氣動性能指標(biāo)，技術(shù)挑戰(zhàn)大、關(guān)鍵科學(xué)問題更復(fù)雜。天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、臨近空間武器作戰(zhàn)平臺和高超聲速導(dǎo)彈等不僅迫切需要解決各自“極限化”工作環(huán)境的挑戰(zhàn)，而且面臨跨速域、空域甚至跨介質(zhì)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)科學(xué)問題［4-5］?！癆1101 氣動與動力設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”重點(diǎn)支持新型飛行器氣動特性與動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，揭示高超聲速飛行、亞跨超寬域飛行關(guān)鍵流動物理機(jī)制，探索類地行星等極端工作環(huán)境空氣動力學(xué)前沿科學(xué)問題，發(fā)展實(shí)驗(yàn)手段、理論模型、數(shù)值模擬方法，為進(jìn)一步提升飛行性能提供力學(xué)基礎(chǔ)支撐。未來新型飛行器及動力系統(tǒng)如圖3 所示［6-7］。

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

高超聲速氣動設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩及可壓縮湍流結(jié)構(gòu)生成演化和致力致熱機(jī)理，真實(shí)氣體效應(yīng)影響邊界層轉(zhuǎn)捩/湍流的理論體系的構(gòu)建；開展針對真實(shí)氣體效應(yīng)和高溫非平衡效應(yīng)的地面模擬，發(fā)展高超聲速三維流場實(shí)驗(yàn)測量方法，研究飛行試驗(yàn)和地面測試的天地相關(guān)性，建立可壓縮流動穩(wěn)定性和感受性的理論框架，提出基于湍流結(jié)構(gòu)、融合大數(shù)據(jù)的可壓縮湍流模型，發(fā)展高保真數(shù)值計(jì)算方法。動力與推進(jìn)系統(tǒng)力學(xué)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注高超聲速吸氣式推進(jìn)系統(tǒng)的氣動/推進(jìn)一體化設(shè)計(jì)方法，超聲速氣流中的釋熱機(jī)理，熱防護(hù)系統(tǒng)流動控制及優(yōu)化；沖壓、火箭、渦輪發(fā)動機(jī)中旋轉(zhuǎn)爆震和斜爆震的應(yīng)用形式、流動結(jié)構(gòu)和釋熱規(guī)律；火箭基組合動力的多模態(tài)流動特征，渦輪基組合動力“推力陷阱”的流動本質(zhì)和解決方案，不同模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的流動/燃燒穩(wěn)定性。

寬速域跨介質(zhì)氣動設(shè)計(jì)需要在“多域化”發(fā)展趨勢下，重點(diǎn)研究空化泡液兩相湍流機(jī)理，認(rèn)識空泡流動非平衡和非連續(xù)特性，建立近壁空化流動與非定常載荷的精確數(shù)學(xué)物理模型，發(fā)展出入水安全評估技術(shù)；構(gòu)建適用于氣動/運(yùn)動/控制強(qiáng)耦合條件下的旋渦分離流動基礎(chǔ)理論，發(fā)展時(shí)變力/力矩預(yù)測方法和動態(tài)力矩控制技術(shù)，建立寬速域跨介質(zhì)氣動設(shè)計(jì)方法，開展仿生智能變體氣動設(shè)計(jì)與多點(diǎn)優(yōu)化；研究低雷諾數(shù)稀薄氣體條件下超大展弦比柔性結(jié)構(gòu)的氣動彈性特性和機(jī)理，發(fā)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(fēng)減緩增穩(wěn)控制方法的控制機(jī)理。

3.2 “A1102 結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)”

結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)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(huán)境、高效能超長使役、跨介質(zhì)飛行需求的關(guān)鍵基礎(chǔ)。新型飛行器的快速發(fā)展，對飛行器結(jié)構(gòu)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(yán)苛的要求，也給飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與可靠性評估帶來一系列新的挑戰(zhàn)［8-10］?！癆1102結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)”重點(diǎn)針對飛行器結(jié)構(gòu)變形與破壞多尺度開展研究，突破新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝等先進(jìn)飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面的基礎(chǔ)力學(xué)問題，研究飛行器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與疲勞、振動與噪聲、缺陷與損傷等關(guān)鍵力學(xué)問題，推動結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與可靠性評估技術(shù)的發(fā)展。飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與可靠性如圖4 所示。

圖4 飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與可靠性Fig.4 Structural mechanics design and reliability of aircraft

未來的先進(jìn)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(jié)構(gòu)在這些極端條件下的力學(xué)行為進(jìn)行預(yù)測和評估。這類力學(xué)問題的解決不能依靠現(xiàn)有理論和方法簡單外推，亟需發(fā)展新的基礎(chǔ)理論、計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。例如，針對可重復(fù)使用空天往返飛行器、臨近空間高超飛行器對極端復(fù)雜服役環(huán)境下熱防護(hù)材料與熱端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求，一方面需重點(diǎn)關(guān)注集承載與防熱功能一體化的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，在“深冷-高熱”熱循環(huán)和疲勞載荷作用下的力學(xué)表征和疲勞損傷演化與防隔熱性能劣化機(jī)理、極端服役環(huán)境下熱燒蝕材料的燒蝕機(jī)制與耐燒蝕機(jī)理、典型熱結(jié)構(gòu)與材料防隔熱性能和強(qiáng)度的高精度預(yù)報(bào)方法、高速流動-高溫-強(qiáng)噪聲環(huán)境下的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)動響應(yīng)與控制方法、熱結(jié)構(gòu)重復(fù)使用性能評價(jià)與檢測方法等；另一方面，針對空天往返飛行器熱防護(hù)結(jié)構(gòu)為疏松多孔或主動防熱材料的特點(diǎn)，需重點(diǎn)關(guān)注空天環(huán)境下粘接界面力學(xué)特性和沖擊力學(xué)損傷容限、“發(fā)射-在軌-再入”全任務(wù)剖面下熱防護(hù)結(jié)構(gòu)損傷演化機(jī)制與性能退化規(guī)律、主動熱防護(hù)結(jié)構(gòu)熱質(zhì)輸運(yùn)多尺度分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法等問題。此外，通過研究生物體的多級散熱機(jī)理及其結(jié)構(gòu)-功能原理，發(fā)展仿生的相變熱控結(jié)構(gòu)和主動冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新方法，為高超聲速飛行器主動防隔熱技術(shù)發(fā)展提供新思路。

面向跨介質(zhì)飛行器的水空跨介質(zhì)、復(fù)雜環(huán)境超常服役等需求，需重點(diǎn)關(guān)注水下滑移邊界流固耦合力學(xué)、高速液滴沖擊下飛行器結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理與預(yù)報(bào)方法、抗雨蝕涂層-結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與性能評價(jià)方法、多介質(zhì)強(qiáng)耦合作用下飛行器結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評估方法等問題。面向變體飛行器的發(fā)展需求，則需重點(diǎn)關(guān)注智能材料與結(jié)構(gòu)的失效機(jī)理與強(qiáng)度理論、剛?cè)狁詈献凅w結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)預(yù)測與設(shè)計(jì)方法、承載-感知-控制等多功能一體化結(jié)構(gòu)的協(xié)同設(shè)計(jì)方法等研究。

針對航天裝備在熱交變載荷、強(qiáng)空間輻照、空間碎片超高速撞擊等空間環(huán)境下的服役需求，亟需從材料和結(jié)構(gòu)兩個層面開展相關(guān)的基礎(chǔ)力學(xué)問題研究。一方面，需重點(diǎn)關(guān)注承載與防熱功能一體化結(jié)構(gòu)在“深冷-高熱”熱循環(huán)與疲勞載荷下、輻照條件下材料和結(jié)構(gòu)的內(nèi)部缺陷相互作用機(jī)理、強(qiáng)度與破壞理論以及熱結(jié)構(gòu)重復(fù)使用性能評價(jià)與檢測方法等；另一方面，需重點(diǎn)關(guān)注熱尺寸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的力學(xué)設(shè)計(jì)理論與優(yōu)化方法、模擬空間環(huán)境下的結(jié)構(gòu)高精度測試與表征方法、超高速碎片撞擊下復(fù)雜結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)監(jiān)測方法與防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法等研究。

另外，隨著當(dāng)前復(fù)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(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的無損檢測技術(shù)對延長裝備壽命、降低成本至關(guān)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(fù)合材料與結(jié)構(gòu)的高精度智能傳感技術(shù)、極端環(huán)境下復(fù)合材料損傷演化機(jī)制與原位表征方法、基于人工智能的數(shù)據(jù)分析與處理方法等研究。面向航空航天結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)與制備需求，需著重發(fā)展飛行器結(jié)構(gòu)數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)據(jù)驅(qū)動的結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)與完整性評估方法、面向先進(jìn)增材制造工藝的設(shè)計(jì)-制造-評價(jià)一體化數(shù)值模擬方法等。

3.3 “A1103 飛行力學(xué)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(fù)雜的動載荷環(huán)境特征，深空探測任務(wù)中對多目標(biāo)探測的軌道優(yōu)化、低能量軌道設(shè)計(jì)等需求強(qiáng)烈，在軌航天器逐漸向大型化、復(fù)雜化、分布式的方向發(fā)展，這些全新的發(fā)展態(tài)勢給飛行力學(xué)與控制學(xué)科帶來氣動/熱/噪聲/彈性耦合、系統(tǒng)參數(shù)時(shí)變、剛?cè)狁詈?、精確主動控制等多方面的問題［11-12］?！癆1103 飛行力學(xué)與控制”重點(diǎn)開展航空器飛行動力學(xué)、航天器姿態(tài)與軌道控制等新理論和新方法研究，通過多學(xué)科交叉融合，突破高度不確定性、強(qiáng)非線性、非合作環(huán)境下的飛行動力學(xué)仿真、路徑/任務(wù)規(guī)劃與重構(gòu)等方面的關(guān)鍵基礎(chǔ)力學(xué)問題，提升飛行器復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定性和機(jī)動性。典型新型飛行器及未來空間任務(wù)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(wù)概念Fig.5 Typical novel aircraft and future space mission concepts

航空器飛行力學(xué)需重點(diǎn)關(guān)注面向?qū)捤儆蝻w行的變體飛機(jī)技術(shù)中的剛-柔耦合飛行力學(xué)建模與飛行-變體一體化控制，飛行器跨介質(zhì)過程中的固-液-氣耦合飛行力學(xué)建模與控制；著力解決高速旋翼飛行器剛?cè)狁詈隙囿w動力學(xué)建模，傾轉(zhuǎn)旋翼動力學(xué)設(shè)計(jì)問題；開展主僚機(jī)協(xié)同及機(jī)群協(xié)同等復(fù)雜約束條件下的動力學(xué)、控制及實(shí)驗(yàn)研究；建立高維非線性的數(shù)字孿生模型，作為精確動力學(xué)耦合分析、復(fù)雜控制律設(shè)計(jì)、控制效能重構(gòu)、虛擬傳感器重構(gòu)、高維度任務(wù)規(guī)劃的基礎(chǔ)；拓展人工智能技術(shù)在自適應(yīng)故障重構(gòu)飛行、智能變體、協(xié)同規(guī)劃與編隊(duì)決策控制、撲翼等柔性飛行器的時(shí)變動力學(xué)控制等方面的應(yīng)用。

航天器動力學(xué)需重點(diǎn)關(guān)注超大型空間結(jié)構(gòu)在軌展開、組裝、構(gòu)型重構(gòu)等過程的變拓?fù)鋭恿W(xué)與控制，復(fù)雜多體航天器運(yùn)動規(guī)律認(rèn)知與動力學(xué)設(shè)計(jì)，模塊化航天器在軌分離、交會對接與組合動力學(xué)，空間碎片等非合作目標(biāo)接近、操作動力學(xué)與控制等問題；解決復(fù)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(wù)規(guī)劃、軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)、姿軌耦合設(shè)計(jì)等問題；著力開展跨速域、跨空域重型運(yùn)載火箭復(fù)雜力學(xué)特性分析與輕量化設(shè)計(jì)，航天器軌道、姿態(tài)、振動和液體晃動耦合動力學(xué)，航天器微振動分析、超精密驅(qū)動控制、結(jié)構(gòu)形狀控制等研究；注重與人工智能、大數(shù)據(jù)等新興學(xué)科的交叉融合，開展天地動力學(xué)相似準(zhǔn)則下的地面實(shí)驗(yàn)，支撐相關(guān)空間在軌任務(wù)的實(shí)施。

4 總 結(jié)

本文系統(tǒng)闡述了“航空航天力學(xué)”一級申請代碼增設(shè)背景與過程，對下設(shè)各二級代碼的內(nèi)涵范疇、重點(diǎn)資助范圍和領(lǐng)域進(jìn)行了介紹，期望航空航天領(lǐng)域相關(guān)科研人員能夠充分了解“航空航天力學(xué)”代碼的設(shè)置情況，關(guān)注該代碼的重點(diǎn)研究方向并進(jìn)行項(xiàng)目申報(bào)。

1） 希望航空航天領(lǐng)域科研人員根據(jù)“航空航天力學(xué)”二級代碼、研究方向的設(shè)置情況及時(shí)更新自然科學(xué)基金網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)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(zhì)量。

2） 希望能夠依托“航空航天力學(xué)”代碼組織相關(guān)研討會，搭建基礎(chǔ)研究與行業(yè)部門科研人員學(xué)術(shù)交流平臺，打破壁壘促進(jìn)高等院校與行業(yè)科研人員的深度交流和學(xué)術(shù)合作，強(qiáng)化面向航空航天領(lǐng)域中重大需求的基礎(chǔ)力學(xué)問題研究。

3） 利用“航空航天力學(xué)”代碼進(jìn)一步促進(jìn)力學(xué)學(xué)科內(nèi)部交叉融合，有力推動航空航天力學(xué)人才梯隊(duì)的建設(shè)，引導(dǎo)相關(guān)科研人員集中攻關(guān)航空航天領(lǐng)域發(fā)展的前沿關(guān)鍵基礎(chǔ)問題，支撐航空航天強(qiáng)國建設(shè)。

4） “航空航天力學(xué)”二級代碼、研究方向及關(guān)鍵詞也將根據(jù)項(xiàng)目申請情況和學(xué)科前沿發(fā)展進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，希望科研人員提出相關(guān)意見和建議。

致 謝

“航空航天力學(xué)”一級申請代碼在設(shè)立過程中得到了航空航天領(lǐng)域高等院校、科研院所以及相關(guān)領(lǐng)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(xué)學(xué)科“十四五”發(fā)展戰(zhàn)略研究專家組，對申請代碼的內(nèi)涵與范疇、二級代碼的構(gòu)架進(jìn)行了指導(dǎo)與設(shè)計(jì)。本文在撰寫過程中也得到了眾多專家學(xué)者的指導(dǎo)與建議，在此一并表示感謝。