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上层大气层是人们一直想利用而没有利用到的空域，这一空域大气密度极低，在传统的空气动力学理论下，不足以产生维持其在该空域机动飞行的升力，又存在不可忽视的阻力。如何实现飞行器在上层大气层机动飞行？这是第二十五届中国科协年会主论坛上，中国科协发布的重大科学问题之一，也是目前航空动力学领域的前沿问题。

1、为什么要研究上层大气层空气动力学？

1946年，著名科学家钱学森指出，在几十公里高空飞行时将会遇到稀薄气体动力学问题，并提出稀薄气体动力学中三个流动领域的划分，为研究稀薄气体动力学作了开创性工作。

目前，各类飞机一般都在距地面20公里以内的大气层飞行，而到了20公里~100公里高度，高超声速飞行器将大显身手，当高度超过300公里的外太空，飞行器可以绕地球卫星轨道飞行。唯独100公里~300公里高度，残留的空气使飞行器无法持久飞行，因此这部分空域一直无法被利用。

这一空域大气密度极低，在传统的空气动力学理论下，不足以产生维持其在该空域飞行的升力，又存在不可忽视的阻力，而上层大气层空气动力学发展缓慢，尚不满足这一空域飞行器的发展需求。

研究一旦取得突破，将带来颠覆性影响，形成新的科学技术体系，做到上层大气层空域的有效利用，带动对地观测、通信等关系民生和国防的重大科技进步，填补在此空域飞行的飞行器空白。

2、要实现飞行器在上层大气层机动飞行，需要攻克哪些挑战？

在100-200公里的低/超低地球轨道大气环境条件下，阻力系数和大气密度是飞行器气动力难以预测的最大影响因素，超低阻气动构型是飞行器在这一空域实现长期驻留运行的前提条件，这些难以预测的因素使得低阻气动外形无法设计。

依据现有的空气动力学理论，稀薄流区飞行器的升阻比很低，摩阻在总阻力中所占比例很高，不满足低阻飞行器研制需求，需要研究上层大气层空气动力学新理论，揭示其与飞行器作用机理，依据分子与分子、分子与表面的碰撞本质，寻找在这一空域长期驻留的飞行器气动布局。

上层大气层空气动力学研究的关键难点和挑战性，体现在它的多尺度特征及多场耦合方面，也是它区别于传统空气动力学的主要方面，例如，气体分子和固体表面的相互作用。新的气体与表面相互作用模型主要采用分子动力学模拟进行构建，目前处于探索阶段，面临的问题是受限于时间和空间尺度的局限性，尚未获得正确性验证。

3、目前我国相关研究进展如何？

据中国航天空气动力技术研究院沈清研究员介绍，他所在的中国航天空气动力技术研究院研究团队提出了新飞行原理——混合轨道空间机动飞行，开展了四大课题研究，设计新飞行器气动布局、新飞行轨道和控制方式、新材料和结构，并通过我们自己的风洞进行试验验证。

混合轨道空间机动飞行器采取一种跨上层大气层和太空空域的大椭圆混合轨道。在上层大气层空域，飞行器按照上层大气层轨道和惯性轨道力学原理飞行，并可主动利用气动效应有效降低空气阻力，进行气动变轨；在太空空域按照惯性轨道力学原理飞行，进行动力变轨，实现混合轨道的机动飞行。该飞行器即可采用气动慢变轨实现长期在轨和慢速机动，又可采用气动快变轨实现快速机动执行应急任务。

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