如何實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行？航天專家這樣說

上層大氣層是人們一直想利用而沒有利用到的空域，這一空域大氣密度極低，在傳統(tǒng)的空氣動力學理論下，不足以產(chǎn)生維持其在該空域機動飛行的升力，又存在不可忽視的阻力。如何實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行？這是第二十五屆中國科協(xié)年會主論壇上，中國科協(xié)發(fā)布的重大科學問題之一，也是目前航空動力學領域的前沿問題。

1、為什么要研究上層大氣層空氣動力學？

1946年，著名科學家錢學森指出，在幾十公里高空飛行時將會遇到稀薄氣體動力學問題，并提出稀薄氣體動力學中三個流動領域的劃分，為研究稀薄氣體動力學作了開創(chuàng)性工作。

目前，各類飛機一般都在距地面20公里以內(nèi)的大氣層飛行，而到了20公里~100公里高度，高超聲速飛行器將大顯身手，當高度超過300公里的外太空，飛行器可以繞地球衛(wèi)星軌道飛行。唯獨100公里~300公里高度，殘留的空氣使飛行器無法持久飛行，因此這部分空域一直無法被利用。

這一空域大氣密度極低，在傳統(tǒng)的空氣動力學理論下，不足以產(chǎn)生維持其在該空域飛行的升力，又存在不可忽視的阻力，而上層大氣層空氣動力學發(fā)展緩慢，尚不滿足這一空域飛行器的發(fā)展需求。

研究一旦取得突破，將帶來顛覆性影響，形成新的科學技術體系，做到上層大氣層空域的有效利用，帶動對地觀測、通信等關系民生和國防的重大科技進步，填補在此空域飛行的飛行器空白。

2、要實現(xiàn)飛行器在上層大氣層機動飛行，需要攻克哪些挑戰(zhàn)？

在100-200公里的低/超低地球軌道大氣環(huán)境條件下，阻力系數(shù)和大氣密度是飛行器氣動力難以預測的最大影響因素，超低阻氣動構型是飛行器在這一空域實現(xiàn)長期駐留運行的前提條件，這些難以預測的因素使得低阻氣動外形無法設計。

依據(jù)現(xiàn)有的空氣動力學理論，稀薄流區(qū)飛行器的升阻比很低，摩阻在總阻力中所占比例很高，不滿足低阻飛行器研制需求，需要研究上層大氣層空氣動力學新理論，揭示其與飛行器作用機理，依據(jù)分子與分子、分子與表面的碰撞本質，尋找在這一空域長期駐留的飛行器氣動布局。

上層大氣層空氣動力學研究的關鍵難點和挑戰(zhàn)性，體現(xiàn)在它的多尺度特征及多場耦合方面，也是它區(qū)別于傳統(tǒng)空氣動力學的主要方面，例如，氣體分子和固體表面的相互作用。新的氣體與表面相互作用模型主要采用分子動力學模擬進行構建，目前處于探索階段，面臨的問題是受限于時間和空間尺度的局限性，尚未獲得正確性驗證。

3、目前我國相關研究進展如何？

據(jù)中國航天空氣動力技術研究院沈清研究員介紹，他所在的中國航天空氣動力技術研究院研究團隊提出了新飛行原理——混合軌道空間機動飛行，開展了四大課題研究，設計新飛行器氣動布局、新飛行軌道和控制方式、新材料和結構，并通過我們自己的風洞進行試驗驗證。

混合軌道空間機動飛行器采取一種跨上層大氣層和太空空域的大橢圓混合軌道。在上層大氣層空域，飛行器按照上層大氣層軌道和慣性軌道力學原理飛行，并可主動利用氣動效應有效降低空氣阻力，進行氣動變軌；在太空空域按照慣性軌道力學原理飛行，進行動力變軌，實現(xiàn)混合軌道的機動飛行。該飛行器即可采用氣動慢變軌實現(xiàn)長期在軌和慢速機動，又可采用氣動快變軌實現(xiàn)快速機動執(zhí)行應急任務。

（綜合來源：環(huán)球時報、科技日報、中國航天氣動院等）