从国家自然科学基金资助看高超声速流动研究的发展现状

张攀峰， 詹世革

国家自然科学基金委员会 数理科学部， 北京 100085

从国家自然科学基金资助看高超声速流动研究的发展现状

张攀峰*， 詹世革

国家自然科学基金委员会 数理科学部， 北京 100085

高超声速技术已经成为21世纪航空航天领域研究的制高点，许多发达国家都将其作为国家的战略目标。首先，分析了国家自然科学基金(NSFC)2000—2013年度在高超声速流动领域资助的项目情况；其次，对中国高超声速流动研究的主要研究方向、学科交叉情况、主体研究队伍以及人才培养进行了介绍；最后，对未来需要重点关注的方向给出了建议。

国家自然科学基金； 资助项目； 高超声速； 流动； 飞行器

高超声速飞行器是指在大气层内或跨大气层以马赫数Ma=5 以上的速度远程巡航的飞行器。其巡航飞行速度、高度数倍于现有的飞机。以冲压吸气式发动机为主的高超声速飞行器，其燃料比冲远高于传统火箭发动机，而且能实现水平起降与可重复使用，因此空间运输成本将大大降低。高超声速飞行器技术的发展将导致高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机等新型飞行器的出现，成为人类继发明飞机、突破音障、进入太空之后又一个划时代的里程碑[1]。

1999年前后，庄逢甘、郑哲敏、周恒、张涵信4位院士就对解决国家空天安全重大基础科学问题研究部署做了考虑，在他们所提出的建议书《21世纪我国空天安全面临的严峻形势和当前应采取的对策》中尖锐地指出：对基础研究重视不够是一个相当普遍存在的现象，严重制约了自主创新和取得应对未来空天安全所需的技术储备的能力。当务之急是抓紧安排部署与发展未来空天作战武器平台相关的重大基础研究，这关系到未来国家“天疆”安全和主权，其意义不亚于“两弹一星”的研究[2]。

在国家空天安全战略重大需求牵引下，国家自然科学基金委员会分别于2002年、2007年启动了“空天飞行器的若干重大基础问题”、“近空间飞行器的关键基础科学问题”两个重大研究计划，重点在与高超声速飞行器相关的气动、推进、材料、控制领域进行前瞻布局，试图加强中国航天航空科技基础研究、增强高超声速飞行器研究的源头创新能力，为促进空天技术的发展起到推动和支撑作用。

本文通过介绍两个重大研究计划以及2000—2013年度国家自然科学基金(NSFC)青年科学基金、面上项目和重点项目在高超声速流动领域的资助情况，从国家自然科学基金资助角度展示了中国高超声速流动研究的发展现状，并对今后需要重点关注的问题给出了建议和措施。

1 高超声速流动领域项目的资助情况

本文所指的高超声速流动泛指与高超声速飞行器相关的内外流动，这里不仅包括高超飞行器外部的高焓、高热流动，也包括与推进相关的进气道、燃烧室与尾喷管的高超声速流动[3-4]。表1给出了国家自然科学基金2000—2013年度在高超声速流动领域的资助情况，这里包括两个重大研究计划以及青年科学基金、面上项目和重点项目的资助情况。在这14年期间国家自然科学基金在高超声速流动领域总共资助237项，经费累计15 609万元。其中青年科学基金、面上项目和重点项目总共资助149项，经费累计7 494万元。而两个重大研究计划先后合计资助培育项目、重点支持项目和集成项目88项，经费累计8 112万元，资助强度已经超过青年科学基金、面上项目和重点项目。

图1和图2分别给出了2000—2013年度国家自然科学基金每年在高超声速流动领域青年科学基金、面上项目、重点项目和两个重大研究计划资助的项目数和资助经费情况。在2002年“空天飞行器的若干重大基础问题”重大研究计划启动之前，在高超声速流动领域，国家自然科学基金投入有限，仅有3～4个预先应用基础型研究项目得到资助。2002年“空天飞行器的若干重大基础问题”重大研究计划启动之后，在该领域资助的项目数和资助经费得到了逐年稳定增长，2002年当年资助项目数达到16项，经费累计799万元。2007年“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划启动当年，其资助项目数和资助经费也明显有所跃升。表明两个重大研究计划的启动有效引导了在高超声速流动领域的基础研究工作，为中国高超声速飞行器研制重大需求提供了研究基础和技术支撑。

从青年科学基金、面上项目、重点项目和重大研究计划资助项目数和资助经费对比来看，在资助项目数方面，青年科学基金、面上项目和重点项目明显多于重大研究计划，而在资助经费方面，后者显示出明显优势。这主要是因为青年科学基金、面上项目、重点项目偏重于自由探索，一般支持与高超声速飞行相关的基础科学研究的工作，资助强度相对较小。而重大研究计划遵循“有限目标、稳定支持、集成升华、跨越发展”的总体思路，针对国家高超声速领域的重大战略需求，结合中国已有基础和优势的领域进行重点部署，凝聚优势力量，形成具有相对统一目标或方向的项目群，并加强关键科学问题的深入研究和集成，以实现若干重点领域和重要方向的跨越发展。因此在高超流动领域，形成了若干重点支持和集成方向进行强化资助，特别是在“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划中，总共支持了13个重点支持项目和集成项目，经费达到4 020万元。因此在2007—2012年度，重大研究计划资助经费明显高于青年科学基金、面上项目及重点项目。在两个重大研究计划的引导下，到了2011—2013这3年，国家自然科学基金在高超声速流动领域资助项目数基本稳定在30项，经费超过2 000万元。特别是2013年，在没有重大研究计划资助下，该领域资助项目数和资助经费也基本保持了稳定的态势。说明中国在高超声速流动领域已经培养了一批稳定的研究队伍，这对中国高超声速飞行器未来的发展起到重要的支撑作用。

表1 2000—2013年度国家自然科学基金资助高超声速流动相关项目情况

Table 1 Statistics of supported projects about Hypersonic Flow Research of National Natural Science Foundation of China (NSFC) during 2000-2013

年份青年科学基金面上项目重点项目重大研究计划培育项目重点支持项目集成项目项数金额/万元项数金额/万元项数金额/万元项数金额/万元项数金额/万元项数金额/万元20000047411002001120353200200256115013593200324914052712004375264624320054854137399120020062557251238031122007367830511696200851061487437132020096149312985482640201061278344317351550201110263128181320621012502012820997429520310001250201371892217921300合计571394864853612507439021237102500

图1 2000—2013年度国家自然科学基金在高超声速流动领域每年资助项目数Fig.1 Annually supported project numbers about Hypersonic Flow Research of NSFC in 2000-2013

图2 2000—2013年度国家自然科学基金在高超声速流动领域每年资助金额Fig.2 Annually supported funding about Hypersonic Flow Research of NSFC in 2000-2013

2 高超声速流动领域资助基础研究状况分析

在“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划进行顶层设计时，指导专家组在“近空间飞行环境的空气动力学”方面，重点布局研究近空间高速飞行高温、非平衡、黏性干扰、稀薄气体效应和湍流效应耦合作用机理，气动特性预测方法，热环境预测与热防护机理、宽马赫数机动飞行原理与方法等问题；在“先进的推进理论和方法”方面，重点布局研究超声速燃烧理论与方法、超声速流动与燃烧的相互作用、高效进排气与一体化、燃烧室热防护与热环境流固耦合问题，加强地面实验模拟和流场诊断方法研究，积极探索新的推进原理和方法。

表2给出了2000—2013年度国家自然科学基金资助高超声速流动领域主要研究方向的情况。从项目资助上看，湍流这一经典的自然科学难题，在高超声速流动领域也有着普遍的研究价值，可压缩流动的稳定性、转捩与湍流将是当前及未来该领域的研究重点和发展方向，该领域的研究获得资助数也最多，达到44项。在高超声速外流，主要研究方向集中在气动布局设计优化、气动热及其防护、真实气体效应等；而在高超声速内流，主要侧重在进气道、燃烧混合、火焰稳定及点火等。

在两个重大研究计划执行过程中，指导专家组着力推进在气动、推进、材料与结构、控制4个基础层面上进行多学科交叉与融合。采取不同形式，从各类项目的立项到召开专题研讨会，都重点关注各学科之间的交叉融合。力求形成创新理论和方法，在技术方法的源头创新上有所突破，为国家相关技术突破提供基础源泉，提升在相关领域的自主创新能力。在与高超声速流动相关的领域，这两个方面对促进学科交叉工作都有具体体现。譬如：①在“气动防热减阻一体化”研究方面，通过气动力、气动热、物理学、热防护和高温材料等多学科交叉，为解决乘波构型优异的气动性能与尖锐边缘的矛盾问题、实现减阻/降热一体化提供了良好的思路；在“进气道”和“火焰稳定”研究方面，主要体现了气动/推进一体化的思想，将流动与燃烧有效联系起来，进行综合优化提高燃烧效率；而“飞行器动态稳定性与控制”相关的项目都涉及到气动、推进和控制等多学科的交叉融合等。②在“近空间飞行器推进问题专题研讨会”上，重点针对超声速燃烧、发动机推力性能、发动机综合性能、推进机体一体化等关键科学问题的交叉进行了探讨；“高超声速飞行器自主控制理论与方法专题研讨会”建议重点应该关注气动、控制、推进的一体化建模研究，研究的控制模型应该更加有针对性；“气动热/材料/结构耦合研讨会”则重点研讨气动热与热防护材料与结构的耦合研究。

表2 2000—2013年度高超声速流动主要研究方向资助情况

注：北航——北京航空航天大学；南航——南京航空航天大学；力学所——中国科学院力学研究所；国防科大——国防科学技术大学；气动中心——中国空气动力研究与发展中心；清华——清华大学；北大——北京大学；天大——天津大学；航天11院——中国航天空气动力技术研究院；中科大——中国科学技术大学；哈工大——哈尔滨工业大学；装备学院——中国人民解放军装备学院。

经过十多年的资助，中国在高超声速流动基础研究领域，形成了以航空航天院校、航空航天气动研究所以及非航空航天院校相结合的基础科研格局。表3给出了2000—2013年度国家自然科学基金在高超声速流动领域资助项目按单位的分布情况。这里在重大研究计划和青年科学基金、面上项目、重点项目中资助超过5项的共有11个依托单位，资助总项目数210项，占全部资助项目数的88.6%。其中中国科学院力学研究所依托“高温气体动力学国家重点实验室”、国防科学技术大学依托“高超声速飞行器技术研究中心”，在国家重大需求的牵引下，在高超声速流动的各个方向开展了基础研究工作，分别获得49项和36项资助，位列资助项目数排名前2位。而航空航天气动研究所(中国空气动力研究与发展中心、中国航天空气动力技术研究院)、航空航天院校(南京航空航天大学、北京航空航天大学)所获资助项目数均达到20项左右。非航空航天院校(中国科学技术大学、天津大学等)也积极参与到国家重大需求中，根据自身研究特色，开展了相关的基础研究工作。

表3 2000—2013年度国家自然科学基金资助高超声速流动资助项目单位分布

Table 3 Distribution of supported institution about Hypersonic Flow Research of NSFC during 2000-2013

依托单位总项目数重大研究计划常规项目中国科学院力学研究所492029国防科学技术大学361125中国空气动力研究与发展中心26818中国航天空气动力技术研究院231211南京航空航天大学19712北京航空航天大学18711中国科学技术大学12210天津大学936北京大学725清华大学633中国科学院大学532总 计21078132

在两个重大研究计划以及青年科学基金、面上项目、重点项目的资助下，产生了一系列关键基础科学问题和技术方法的创新理论与方法，聚集和培养了一批专业从事近空间飞行器基础研究的高水平人才和研究队伍，大大提升了中国相关领域的基础研究水平，为国家重大工程和专项技术发展起到了实质性支撑作用，为创新能力提升提供了源泉。重大研究计划资助的主体单位，在2000—2013年度共获得3项创新研究群体项目：中国空气动力研究与发展中心的邓小刚研究员的创新研究群体(“复杂流动机理研究及其数值模拟”，项目批准号：10321002、10621062)、中国科学院力学研究所的樊菁研究员的创新研究群体(“空天飞行器高温气体流动研究”，项目批准号：10621202、10921062)、北京大学的陈十一教授的创新研究群体(“可压缩湍流的机理、模式及实验研究”，项目批准号：10921202、11221062)。5位项目负责人获得国家杰出青年科学基金资助。另外部分资助的优秀中青年人才成长为长江特聘教授、新世纪百千万人才工程国家级人才、“973”、“863”项目的首席科学家和总工程师等。这一批学术带头人能站在中国航空航天科学研究前沿、活跃在国内外学术舞台上，成为中国航空航天基础研究的主力军，也为今后10～20年时间内中国空天科技与安全事业的跨越式发展打下基础。

3 进一步发展建议

高超声速技术已经成为21世纪航空航天领域研究的制高点，新一代空天飞行器可为未来太空开发提供一个更经济、更安全进入轨道的运载工具。美国国防部2008年组织实施了“国家高超声速基础研究计划”(NHFRP)，明确提出了“超声速燃烧、边界层物理、激波控制流动、非平衡流动、环境材料耦合作用、高温材料和结构”等6大基础科学问题。国家自然科学基金委员会在2002年“空天飞行器的若干重大基础问题”重大研究计划所列的6个核心基础科学问题中，与高超声速流动相关的占有2个，分别为“高速、高机动飞行中复杂流动机理研究”、“高温、高速条件下气流的燃烧，热力学和化学非平衡流动” 。2007年的“近空间飞行器的关键基础科学问题”的4个核心科学问题中，与高超声速外流与燃烧相关的“近空间飞行环境的空气动力学”、“先进推进理论和方法”更是占据了一半。表明高超声速气动和推进相关的流动问题是高超声速飞行器长远发展必须首先解决的问题，也是中国重大需求急需解决的基础问题，必须重点开展研究[5]。经过十多年的资助，中国在高超声速流动领域取得了一系列创新的研究成果，但是仍然满足不了中国高超声速飞行器研制对基础研究支撑作用的需求。

由于高空高速飞行的复杂环境，稀薄气体效应、真实气体效应和黏性干扰对高超声速飞行器气动特性的耦合作用必须给予重点关注。在推进流动机理方面，应该注重考虑小尺度湍流与化学反应之间耦合的燃烧理论与模型。高超声速飞行器气动特性预测的关键问题还包括湍流效应的计算和流动稳定性研究，前者关系到飞行器性能的精确预测，而后者则关系到飞行安全和控制，可压缩湍流广泛存在于超声速和高超声速飞行器的外流、内流和部件绕流中。发展新型高速飞行器必须开展与高超声速飞行相关的可压缩湍流、流动稳定性与转捩机理研究。

高超声速飞行器是一个由多个子系统组成的复杂系统，在不同学科和子系统间存在强烈的耦合。如果不采取多学科交叉与融合的研究途径，是难以实现理论和方法的突破，更不能获得创新的技术方法。高超声速流动对于高超声速飞行器而言，也是一个高度耦合内、外流、气动/推进一体化的多学科交叉问题。考虑到材料、结构与控制，则必须对气动/热弹性结构-控制一体化、气动/防热材料-结构一体化、气动/ 控制动稳定性等学科交叉进行强耦合的研究。

致 谢

本文撰写过程中参考了“空天飞行器的若干重大基础问题”重大研究计划总结报告、“近空间飞行器的关键基础科学问题”重大研究计划阶段实施报告，中国空气动力研究与发展中心叶友达研究员也对论文给出了具体的修改指导意见，在此笔者一并表示感谢！

[1] Cui E J. Research statutes, development trends and key technical problems of near space flying vehicles[J]. Advances in Mechanics, 2009， 39(6): 658-673 (in Chinese). 崔尔杰. 近空间飞行器研究发展现状及关键技术问题[J]. 力学进展， 2009， 39(6): 658-673.

[2] Cui E J. Progress on NSFC major research plan “some key fundamental problems of aerospace flying vehicles” [J]. Science Foundation in China, 2006, 20(5): 278-280(in Chinese). 崔尔杰. 重大研究计划“空天飞行器的若干重大基础问题”研究进展[J]. 中国科学基金， 2006, 20(5): 278-280.

[3] Ye Y D. Study on aerodynamic characteristics and design optimization for high speed near space vehicles[J]. Advances in Mechanics, 2009, 39(6): 683-694 (in Chinese). 叶友达. 近空间高速飞行器气动特性研究与布局设计优化[J]. 力学进展， 2009, 39(6): 683-694.

[4] Jiang Z L. Reasoning on development of air-breathing hypersonic propulsion technology[J]. Advances in Mechanics, 2009， 39(4): 398-405 (in Chinese). 姜宗林. 关于吸气式高超声速推进技术研究的思考[J]. 力学进展， 2009， 39(4): 398-405.

[5] National Science Foundation of China, Chinese Academy of Science. Chinese discipline development in future 10 years: Mechanics[M]. Beijing: Science Press, 2012 (in Chinese). 国家自然科学基金委员会， 中国科学院.未来10年中国学科发展战略：力学[M]. 北京： 科学出版社， 2012.

Tel: 010-62325040

E-mail: zhangpf@nsfc.gov.cn

詹世革 女， 博士， 研究员， 国家自然科学基金委员会力学处处长。主要研究方向：力学学科的发展研究，科学基金的资助与管理。

Tel: 010-62327179

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*Corresponding author. Tel.： 010-62325040 E-mail: zhangpf@nsfc.gov.cn

Development of hypersonic flow research in China based on supported projects of NSFC

ZHANG Panfeng*, ZHAN Shige

DepartmentofMathematicalandPhysical，NationalNaturalScienceFoundationofChina,Beijing100085,China

The hypersonic technique has been the technical commanding point of aeronautics and astronautics research in the 21 century, which has also become the national strategy target for many developed countries. First, the statistics on supported projects about hypersonic flow field of National Natural Science Foundation of China(NSFC) from 2000 to 2013 are presented. And then, the main research interests, interdisciplinary research, research team and young scientists training are introduced. Finally, some suggestions are given for the future research in hypersonic flow.

National Natural Science Foundation of China; supported projects; hypersonic; flow; aircraft

2014-09-09； Revised： 2014-09-20； Accepted： 2014-10-08； Published online： 2014-10-09 08:22

2014-09-09; 退修日期： 2014-09-20; 录用日期： 2014-10-08; 网络出版时间： 2014-10-09 08：22

www.cnki.net/kcms/detail/10.7527/S1000-6893.2014.0222.html

Zhang P F, Zhan S G. Development of hypersonic flow research in China based on supported projects of NSFC[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(1): 1-6.张攀峰， 詹世革. 从国家自然科学基金资助看高超声速流动研究的发展现状[J]．航空学报, 2015, 36(1): 1-6.

http://hkxb.buaa.edu.cn hkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2014.0222

V211

A

1000-6893(2015)01-0001-06

张攀峰 男， 博士， 教授, 国家自然科学基金委员会流体力学项目主任。主要研究方向：飞行器气动特性及流动控制，科学基金的资助与管理等。

*通讯作者.Tel.： 010-62325040 E-mail: zhangpf@nsfc.gov.cn