中国学科发展战略丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果，涉及自然科学各学科领域，是目前规模**的学科发展战略研究项目。《BR》 《中国学科反战战略·新型飞行器中的关键力学问题》系统介绍了21世纪以来国内外所提出的各种新型或新概念飞行器的背景、发展态势，重点阐述了由此对力学学科带来的新挑战、新需求，详细分析了力学学科相关领域的研发进展和存在的问题，并就目前需求迫切、学科关注的17个关键科学问题进行了详细论述。
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目录
总序 i
前言 vii
摘要 xi
Abstract xv
第一章 绪论 1
第一节 力学与航空航天 1
第二节 新型飞行器发展态势 3
一、国际上新型飞行器发展态势 3
二、我国新型飞行器发展态势与任务使命 21
第三节 新型飞行器对力学的新需求和新挑战 22
一、空气动力学 23
二、固体力学 25
三、动力学与控制 26
四、试验与数值模拟 26
第四节 未来发展思考和建议 27
参考文献 28
第二章 先进战斗机气动设计的发展与挑战 30
第一节 引言 30
第二节 目前气动设计的研发体系 31
一、气动设计的任务和手段 31
二、CFD的发展 34
三、风洞试验的创新 36
第三节 当前面临的需求与挑战 37
一、气动与“X”综合优化设计 37
二、精益敏捷的气动设计流程提升 38
三、减阻设计和阻力的精确确定 39
四、非定常气动力 40
五、流动控制技术 41
第四节 结束语 42
参考文献 42
第三章 空气动力学的新问题 43
第一节 引言 43
第二节 为什么会有新问题 44
第三节 新问题是什么 48
参考文献 49
第四章 高超声速飞行器气动特性与湍流问题 50
第一节 问题提出 50
第二节 相关研究发展态势 52
一、复杂多效应耦合作用 52
二、流动转捩与层流分离问题 57
三、飞行器气动布局与动态特性 59
第三节 当前面临的需求和挑战 62
第四节 未来发展建议 64
参考文献 65
第五章 高超声速气动热力学问题 67
第一节 背景需求 67
一、发展大气层内高速飞行器的需求 70
二、可重复使用天地往返运输系统的需求 71
三、载人航天和深空探测未来发展的需求 72
第二节 国外研究现状和发展态势 73
第三节 国内研究现状和发展态势 75
第四节 关键问题和挑战 76
一、高温气体与非平衡效应及其建模 76
二、非平衡流场的地面模拟与流场重构 77
三、气动热环境与材料表面的多物理场/多尺度耦合作用机制 79
第五节 未来发展重点与建议 84
参考文献 86
第六章 飞行器流动控制问题 87
第一节 问题提出 87
第二节 相关研究发展态势 88
一、格尼襟翼 88
二、涡流发生器 89
三、仿生流动控制技术 90
四、环量控制 91
五、合成射流 92
六、等离子体激励器 93
第三节 当前面临的需求与挑战 94
一、技术性问题 94
二、可靠性问题 95
三、工艺性问题 95
第四节 未来发展建议 96
一、先进实验技术及数值方法研究 96
二、流动控制基础研究 96
三、流动控制应用研究 96
四、流动控制新方法研究 97
五、飞行器总体及流动控制应用一体化设计研究 97
六、发展路径及可行性分析 97
参考文献 97
第七章 飞行器低雷诺数流动问题 99
第一节 问题提出 99
第二节 相关研究发展态势 100
一、经典层流分离泡理论及相关的新发现 101
二、低雷诺数气动特性的非线性特征 105
三、低雷诺数流动的数值模拟和风洞试验 107
四、低雷诺数流动三维效应 111
第三节 当前面临的需求和挑战 112
一、低雷诺数效应对飞行器性能的影响 112
二、低雷诺数气动特性预测精度 113
三、低雷诺数流动机理、演化规律及低雷诺数效应的有效抑制 114
四、低雷诺数飞行器伴随的飞行力学响应和气动弹性问题 115
参考文献 116
第八章 新型空天推进系统中的力学问题 118
第一节 问题提出 118
第二节 相关研究发展态势 119
一、新型推进系统基本原理 119
二、高超声速流动机理及控制理论研究 123
三、超声速燃烧机理及燃烧增强机制研究 125
四、超声速传热机理及先进发动机热防护方法研究 128
第三节 当前面临的需求与挑战 130
一、超燃冲压发动机 130
二、爆震发动机 131
三、组合循环发动机 132
第四节 未来发展建议 133
参考文献 134
第九章 飞行器轻质结构力学问题 135
第一节 问题提出 135
第二节 新概念飞行器结构优化设计理论 136
一、新一代结构拓扑优化理论与方法 136
二、多目标多约束近似模型的优化理论与方法 137
三、飞行器非确定性结构优化设计理论与方法 137
四、面向考虑制造特征的飞行器结构优化理论与方法 137
第三节 新概念飞行器结构力学 138
一、可展开结构力学性能分析与设计 138
二、智能结构力学性能分析与设计 139
三、整体结构力学性能分析与设计 139
四、考虑集中力扩散的结构力学性能分析与设计 140
第四节 未来发展建议 140
参考文献 141
第十章 多功能/智能材料与微系统力学问题 143
第一节 问题提出 143
第二节 相关研究发展态势 145
一、基于压电材料的振动控制系统 145
二、自给、自感知与自适应智能微系统 146
三、植物物质运输多功能系统与仿真系统 147
四、自愈合材料与微系统 148
五、基于柔性介电弹性体材料的变形结构 149
六、基于智能材料的变体飞行器结构 150
七、基于高应变聚合物复合材料的空间可展开结构 151
八、基于形状记忆聚合物复合材料的空间可展开结构 152
九、力学相关方向发展态势 153
第三节 当前面临的需求与挑战 156
一、主动大变形纤维增强复合材料的力学行为 156
二、变形/承载一体化、变刚度的多功能材料技术 157
三、多物理场耦合作用条件下的多功能材料力学行为 157
四、轻质/大输出力的驱动材料及其器件技术 158
第四节 未来发展建议 158
一、自感知、自适应多功能材料与微系统的设计与研制 159
二、主动大变形复合材料及其结构的力学行为研究 159
三、多功能材料与微系统多场耦合条件下的本构理论研究 160
四、多功能材料与微系统的结构力学性能和失效行为表征 160
参考文献 161
第十一章 高温材料与结构力学问题 162
第一节 问题提出 162
第二节 相关研究发展态势 164
第三节 当前面临的需求与挑战 169
一、高温性能测试与表征技术的局限性 169
二、高温材料体系的复杂性 170
三、高温本构关系与强度理论的挑战性 170
四、材料高温行为研究的多学科性 171
第四节 未来发展建议 171
参考文献 172
第十二章 多物理化学场耦合力学问题 173
第一节 问题提出 173
第二节 相关研究发展态势 174
一、体烧蚀问题日益受到重视 175
二、局部细观烧蚀与氧化损伤受到广泛关注 176
三、烧蚀过程的多物理机制耦合现象凸显 178
四、非平衡烧蚀及非空气介质烧蚀在防热分析中的重要性提高 179
五、力/热/氧综合考核及多变量测试技术需求明显 180
第三节 当前面临的需求与挑战 181
一、高声速飞行器不同气动加热环境下材料耐热极限的确定与准确预示 181
二、防热材料与结构向轻质、薄层、高可靠方向发展，但现有研究基础仍难以对材料的工艺改进做出有效支撑 182
三、化学动力学基本参数及烧蚀传热中的基础物性参数缺乏 182
四、可用于基础研究表征物理/化学反应耦合现象的实验与测试手段不足 183
第四节 未来发展建议 183
一、复杂组分与复杂形态化学反应特性与宏观烧蚀建模研究 183
二、材料细观烧蚀原理与建模研究 183
三、材料体烧蚀原理与建模研究 184
四、非稳态流动、燃烧与非附着流动的烧蚀建模问题 184
五、材料氧化、流失、内部热解过程等与气体流动的综合建模与模拟 184
六、烧蚀建模及理论预测的不确定度研究 185
七、复杂力/热加载条件的地面模拟再现试验与测试技术 185
参考文献 185
第十三章 大尺寸航天器结构动力学问题 187
第一节 问题提出 187
第二节 相关研究发展态势 190
一、柔性附件展开动力学 190
二、充液航天器动力学 191
三、组合体柔性动力学 192
四、不确定性动力学 193
五、连接结构非线性动力学 194
六、大型动力学试验 195
第三节 当前面临的需求与挑战 196
一、充液航天器动力学 196
二、组合体柔性动力学 196
三、不确定性动力学 197
四、连接结构非线性动力学 197
五、大型动力学试验 197
第四节 未来发展建议 197
参考文献 198
第十四章 高超声速飞行器结构动力学问题 200
第一节 问题提出 200
第二节 飞行器动态载荷环境特征 202
一、飞行器载荷量级高 202
二、气动热环境严酷 203
三、多次、重复载荷环境 204
第三节 当前面临的需求与挑战 204
一、大型复杂结构动力学建模与仿真 205
二、结构声振耦合响应分析问题 205
三、高超声速飞行器气动弹性与热气动弹性问题 205
四、高超声速飞行器气动伺服弹性与热气动伺服弹性问题 206
五、热防护结构/热结构损伤与寿命评估问题 206
六、飞行器高温动力学响应分析问题 207
七、飞行器力热复合试验技术问题 208
第四节 未来发展建议 208
参考文献 209
第十五章 高超声速风洞气动试验数据相关理论与关联方法 210
第一节 问题提出 210
第二节 风洞数据相关性研究进展 212
一、高超声速风洞实验技术发展 212
二、气动力关联方法研究进展 214
三、气动热关联方法研究进展 215
第三节 风洞实验数据多空间相关理论 217
第四节 泛函优化数据关联方法 219
第五节 相关理论和关联方法的验证与应用 221
第六节 当前面临的需求和挑战 227
第七节 未来发展建议 228
参考文献 229
第十六章 验证和确认与不确定性量化问题 231
第一节 问题提出 231
第二节 相关研究发展态势 233
一、建模与模拟的验证与确认方法论 233
二、模型验证与确认在飞行器结构分析中的应用 235
三、基于非确定性的结构设计 238
四、不确定性量化方法 239
第三节 当前面临的需求与挑战 242
一、复杂环境下先进飞行器系统不确定源辨识及表征 242
二、模型确认方法需要进一步发展与完善 243
三、先进飞行器系统高效不确定多学科优化设计 244
四、试验能力与成本限制带来的挑战 244
第四节 未来发展建议 245
参考文献 247
第十七章 虚拟试验与数字孪生问题 249
第一节 问题提出 249
第二节 相关研究发展态势 251
一、复合材料结构虚拟测试技术现状 251
二、复合材料结构虚拟测试的常用软件与发展方向 253
三、利用“数字孪生”方法进行飞行器结构寿命预测的概念内涵 254
第三节 当前面临的需求与挑战 257
一、多场耦合分析方法 257
二、多尺度破坏建模 257
三、将结构有限元与破坏模型紧密结合 258
四、不确定性的定量、建模和控制 258
五、对共享的大数据库的操作 259
六、高分辨率的结构分析能力 259
第四节 未来发展建议 259
参考文献 261
第十八章 力学前沿与创新应用问题 262
第一节 问题提出 262
第二节 仿生力学与未来飞行器 263
第三节 软体机器人与可变形飞行器 264
第四节 基于柔性电子技术的智能蒙皮/隐身/人机融合飞行器 266
第五节 神经网络动力学与未来飞行器 268
第六节 智能健康监测与未来飞行器 270
参考文献 272
关键词索引 274
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