航天空气动力学创新与发展

文章来源:中国航天报 发布时间:2014-01-03

■我国航天空气动力学发展中存在的主要问题

新中国航天空气动力学专业建设可追溯到1956年,后来经历了多次的调整,主要是将以空气动力学专业为主、多专业并举的综合性研究单位分离为纯空气动力学专业服务单位。因此,航天空气动力学并没有得到同比加强。

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(一)战略引领作用小,专业技术发展缓慢

由于历史的原因和体制的约束,航天科技工业一直以型号任务为核心,对应的战略也是型号的发展战略。

由于型号立项的不确定性以及立项后空气动力设计的功利性,气动专业得不到应有的发展,对总体设计的支撑作用不明显。

(二)跟踪模仿集成多,概念探索动力不足

我国导弹等飞行器的研制主要是跟踪国外技术与概念,“引进、消化吸收再创新”和“集成创新”是当前型号发展的主基调。

因此,在专业跟随总体、总体跟随国外发展的情况下,航天空气动力学缺乏概念探索与创新的动力,因而也未能明显地发挥出“技术推动”的作用。

(三)空气动力地位低,风洞设备建设滞后

总体设计大都把空气动力学作为辅助性专业,很多人认为空气动力学就是“吹风”试验。技术储备投入少,设备能力与美、俄等国家相比差距大,而且设备建设往往滞后于型号研制。

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■美、俄等国空气动力学在飞行器创新发展中的主要做法

美、俄等国的航空航天系统主要分为三个层次:一是高等院校,主要针对基础理论和先进原理开展研究;二是国家研究机构,主要对革命性飞行器的学科设计问题和革命性概念进行探索;三是军工企业,主要从事飞行器的设计制造。

(一)美国典型航空航天机构

1.美国宇航局(NASA)

NASA是于1958年由原国家航空航天咨询委员会改组而来,由总统直接领导、局长总体负责。这里仅介绍所属两个研究中心。

●兰利研究中心(LaRC)

LaRC 创建于1917 年,是美国引领研发航空航天技术科学的主要机构之一,它主要开展航空航天系统概念、空气动力学、结构与材料等领域的基础与应用研究。LaRC 有各种实验设备近百座,仅高超声速风洞就有37座,很多设备国际独有,例如国家跨声速风洞和8英尺高温风洞等。

●德莱登飞行研究中心(DFRC)

DFRC 是NASA 主要的大气飞行试验和飞行研究基地,至今已有50多年的研究历史。

其主要任务是:为保证美国拥有卓越的航空航天技术以及为获得创造性发现、技术开发和技术转让进行安全而及时的飞行研究。

主要工作包括为支持航空航天飞行的技术飞跃而从事飞行学研究以及开发用于研究和科学任务的有/无人飞行平台。

2.美国航空航天军工企业

美国有世界上最强大的航空航天军工企业,其国内前10名企业均具有世界一流水平,如:

(1)洛克希德-马丁公司,世界第一大军机制造商,涉足领域包括飞机、导弹和兵器;

(2)波音公司,世界第二大军火制造商,领域包括飞机、导弹和兵器等;

(3)雷神公司,世界第一大导弹制造商。

(二)俄罗斯典型航空航天机构

1.俄罗斯国家航空航天研究机构

●俄罗斯中央空气流体动力研究院(TsAGI)

TsAGI 于1918 年成立,是世界上最著名的空气动力研究机构之一,主要从事空气动力学、飞行力学、结构/强度/材料等领域的研究。现有风洞60多座,大、中、小配套,生产型、研究型风洞齐全。

其主要任务与职能有:

(1)承担航空航天型号发展方向研究;

(2)探索各种新型飞行器气动布局的新思想、新方案;

(3)进行型号试验,解决型号中的重大技术问题;

(4)考核型号设计,提出评估意见;

(5)国家航空航天发展规划及标准制定等。

●俄罗斯中央机械制造科学研究院(TsNIIMASH)

该院成立于1946年,它负责制定航天器和火箭技术发展战略,也对运载火箭、航天器设计和研制的基础问题开展研究。

其主要任务与职能有:

(1)火箭和空间技术发展前景系统研究;

(2)俄罗斯空间活动国家战略和空间项目规划;

(3)空间飞行器气动力、热和强度理论与试验研究等。

2.俄罗斯航空航天设计局和科研生产联合体

俄罗斯有众多从事航空航天飞行器设计的设计局,在导弹方面如彩虹机械制造设计局、马克耶夫设计局和革新家设计局等。

导弹设计完成以后由相应的科研生产联合体进行制造,与航天有关的科研生产联合体有安泰科研生产联合体和金刚石科研生产联合体等,当然设计局本身也是科研生产联合体的一部分。

■航天空气动力学创新发展路径探索

全面、协调、可持续发展作为科学发展观的基本内容,是相互联系的整体。航天空气动力学专业与总体技术既相互关联又有各自独特的发展规律。而科技创新必须尊重规律科学发展。

(一)在战略引领下,总体和专业应当全面、协调、可持续发展

美、俄等国家的空气动力创新研究单位如LaRC、TsAGI都具有国家战略规划的职责,而不必完全跟着军工企业跑。

在中国航天,专业单位的战略规划地位应当有所提升。而且对专业院不宜定位在配套服务上,国家和集团对专业院应给予统筹安排。美、俄等国的专业研究单位都能够得到国家的基本经费保障,与军方以及军工企业都有稳定的合同关系。

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(二)在科研定位上,型号院重点“保成功”、专业院重点“谋发展”

美、俄等国航空航天系统的军工企业、设计局(部)和科研生产联合体是作为企业对待的,要进行充分的市场竞争,但像LaRC、TsAGI 却是定位在创新探索、引领发展之上的。

中国航天以型号院为核心,由于型号研制“保成功”压力巨大,对新概念、新原理、新方法的探索往往精力不够。又由于总体的创新是基于专业技术的,因此应推动专业研究单位向“创新研究”发展,相应地要做好政策支持。这样就可以逐步由型号院“保成功、谋发展”集一身,过渡到型号院重点“保成功”、专业院重点“谋发展”的轨道上来。

(三)在专业系统内,全面推进空气动力学创新能力的生成与发展

根据美、俄等国的做法,特别是我们与俄罗斯的情况比较相近,中国航天空气动力学专业应当以TsAGI的五项任务与职责为目标进行展开。

为此,首先需要建设配套的风洞设备,以具备型号设计完整的评估与鉴定能力;其次要像DFRC 一样建立用于研究和科学任务的有人和无人飞行平台。目前我们还缺少这样的在型号之外的飞行试验手段,这是创新与探索的关键一环;第三,要像美俄那样有结构、材料、控制等相关配套专业,既有利于在交叉学科上取得突破,又有利于飞行器新概念、新方案的产生。

中国航天科技集团公司十一院是航天空气动力学的专业研究单位,在未来跨越式发展中将承担着航天空气动力学创新引领的核心作用,只有把握好战略方向、调整好体制机制、建设好专业体系,才能更好地履行使命、创新前行。

(作者为中国航天科技集团公司十一院副院长马汉东)