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航空航天与工程科学.ppt
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1、航空航天与工程科学杜善义2015.04航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.前言2.新型航天器对工程科学的需求3.新型航空器面临的主要工程科学问题4.临近空间飞行器空天一体化5.思考与结论航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.前言1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石1.21.2 航空航天航空航天是人类社会二十世纪伟大的科技成是人类社会二十世纪伟大的科技成就之一就之一1.31.3力学家力学家对航空航天发展的作用对航空航天发展的作用1.41.4新型航空航天器新型航空航天器为工程科学(力学)提出许为工程科学(力学)提出许多挑战性问题多挑战性问题航空航天与工程科学航
2、空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的工程科学是人类社会进步的基石基石工程科学工程科学“工程科技与人类生存息息相关。工程科技创新驱动着历工程科技与人类生存息息相关。工程科技创新驱动着历史车轮飞速旋转,为人类文明进步提供了不竭动力源泉。史车轮飞速旋转,为人类文明进步提供了不竭动力源泉。改革开放改革开放3030多年来,中国经济社会快速发展,其中多年来,中国经济社会快速发展,其中工程科技工程科技创新驱动功不可没。创新驱动功不可没。实现梦想、应对挑战、创造未来,实现梦想、应对挑战、创造未来,对工程科技进步和创新提出了新的使命对工程科技进步和创新提出了新的使命。”国家主席习近平国家主席习近
3、平在出席在出席20142014年国际工程科技大会并发表题为年国际工程科技大会并发表题为让工程科技造福人类、创造让工程科技造福人类、创造未来未来的主旨的主旨演讲演讲航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的基石工程科学是人类社会进步的基石科学科学技术技术工程工程产品产品促进学科交叉融合,促进学科交叉融合,催生新学科催生新学科拓展科学研究对象拓展科学研究对象与科学试验条件与科学试验条件高度综合工程技术高度综合工程技术最新成果最新成果极端需求推动技术极端需求推动技术创新创新综合体现国家科技实力综合体现国家科技实力提升民族自信心与安全感提升民族自信心与安全感航空器、航天器
4、航空器、航天器导弹、空间武器导弹、空间武器高新技术转化民生产品高新技术转化民生产品航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学是人类社会进步的工程科学是人类社会进步的基石基石钱学森先生的工程科学理念钱学森先生的工程科学理念qq“要产生有科学依据的工程理论需要另一种事业的人。而这个工要产生有科学依据的工程理论需要另一种事业的人。而这个工作内容本身也成为人们知识的一个新的部门:作内容本身也成为人们知识的一个新的部门:技术科学技术科学”qq“我们需要自然科学、技术科学和工程科学三个部门我们需要自然科学、技术科学和工程科学三个部门同时并进,同时并进,相互影响相互影响,相互相互提携提携,决不
5、能有一面偏废,决不能有一面偏废”qq“我是主张我是主张技术科学技术科学说的说的”,“在技术科学领域里在技术科学领域里有力学,或清有力学,或清楚楚一点一点叫叫应用力学应用力学”(钱学森钱学森.论论技术科学技术科学.科学通报,科学通报,19571957;现;现代代科学技术的科学技术的结构结构.上海交通大学出版社,上海交通大学出版社,19981998)w w2020世纪初德国伟大的数学家世纪初德国伟大的数学家F.KleinF.Klein(克莱因克莱因)开创工程科学)开创工程科学学派学派w wL.PrandltL.Prandlt(普朗特普朗特)、)、Theodore von KarmanTheodor
6、e von Karman(冯(冯 卡门)卡门)和和TimoshenkoTimoshenko(铁木辛柯)、钱学森等继承并发扬(铁木辛柯)、钱学森等继承并发扬航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石力学既是基础科学,又主要是技术科学力学既是基础科学,又主要是技术科学pp研研究究能能量量和和力力以以及及它它们们与与固固体体、液液体体及及气气体体的的平平衡衡、变变形形或或运运动动的的关关系系w w所阐明的规律具有普适性所阐明的规律具有普适性w w是工程技术的理论基础,是工程技术的理论基础,广泛应用而不断发展广泛应用而不断发展pp科学技术科
7、学技术化,技术科学化化,技术科学化力学是既古老又年轻的科学力学是既古老又年轻的科学pp经典力学经典力学近代力学近代力学现代力学现代力学pp学科内涵在不断的丰富和发展学科内涵在不断的丰富和发展与时俱进与时俱进w w物理力学,生物力学,地球动力学、化学流体力学、物理力学,生物力学,地球动力学、化学流体力学、.钱学森先生创建了中科大力学系钱学森先生创建了中科大力学系航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.11.1工程科学工程科学是人类社会进步的基石是人类社会进步的基石力学是科学与工程的桥梁,贯穿于人类社会的方方面力学是科学与工程的桥梁,贯穿于人类社会的方方面面,科学知识作用于人类社会往往离不开力学的
8、支撑面,科学知识作用于人类社会往往离不开力学的支撑开瓶器静力学杠杆原理摩天轮运动学匀速转动航班起飞动力学加速运动生物力学(biomechanics)纳米力学(Nanomechanics)磁流体力学(magneto-fluidmechanics)近近代代力力学学经经典典力力学学航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科技成就之一:二十世纪伟大的科技成就之一:航空航天航空航天在认识自然和改造自然的过程中最活跃、发展最迅速、在认识自然和改造自然的过程中最活跃、发展最迅速、对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一,也是对人类社会生活最有影响的科学技术领域之一,也是表征一个国家
9、科学技术先进性的重要标志表征一个国家科学技术先进性的重要标志虽然与军事应用密切相关,但其技术转化极大的改变了人虽然与军事应用密切相关,但其技术转化极大的改变了人类社会的生活方式,类社会的生活方式,改变了世界的面貌改变了世界的面貌;通过新技术、新产品、新材料以及新的管理方法向国民经通过新技术、新产品、新材料以及新的管理方法向国民经济各部门推广和转移,带来了十分济各部门推广和转移,带来了十分可观的间接经济效益可观的间接经济效益;拓展了人类的认知空间拓展了人类的认知空间,为人类文明进步作出了重要贡献。,为人类文明进步作出了重要贡献。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科
10、技成就之一:二十世纪伟大的科技成就之一:航空航天航空航天孔明灯火箭古代达芬奇扑翼飞行器文艺复兴古代人类的奇思妙想孟格菲兄弟热气球16世纪莱特兄弟飞机20世纪加加林1961杨利伟2003核裂变碎片火箭光速的12%,46天抵达人马座类地行星欧洲高超声速运输机Ma5,90min欧亚到达航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.2 1.2 二十世纪伟大的科技成就之一:二十世纪伟大的科技成就之一:航空航天航空航天无线通讯全球旅游天气预报走进日常生活的航天十大发明1.无线工具2.烟雾报警器3.强化婴儿食品4.橡胶再生利用5.新型耳道体温计6.快捷型牙套7.防护漆8.更好的心脏起搏器9.抗磨损型眼镜10.舒适
11、的运动鞋内底航空航天与工程科学航空航天与工程科学18811963,冯卡门建立的超音速空气动力学是现代航天的基础。1942年10月,V-2导弹成功发射推动空气动力学技术发展。1957年10月4日,第一颗人造地球卫星成功发射推动工程力学技术的发展。1969年7月20日,在具有摆脱空间困境能力前提下,人类首次成功登月。1981年4月12日,结合大攻角再入返回等关键力学技术,第一架航天飞机获得成功,推动了高超真实气体效应的认识和研究。1998至今,在动力学分析与控制技术基础上,国际空间站成功完成多项航天任务。2003年10月15日,CZ-2F运载火箭与神舟五号载人飞船组合体出现“8Hz”低频振动,推动
12、稳定性理论及控制理论的应用与发展。2012年8月6日,好奇号火星探测器成功降落火星,推动稀薄气体中着陆、悬停等技术的发展。2013年 12月 14日 21时许,嫦娥三号在月球无大气情况下克服逼近、悬停等5大技术难题,成功软着陆。1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用力学助推航空航天发展,航空航天发展牵引力学进步!力学助推航空航天发展,航空航天发展牵引力学进步!航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 历代力学大师共同缔造航空航天事业历代力学大师共同缔造航空航天事业开普勒(15711630)牛顿(1643-17
13、21)齐奥尔科夫斯基(1857-1935)世界航天之父行星运动三大定律万有引力,创立经典力学航天发展基础首次探讨从火箭到人造卫星的诸多问题。冯卡门(1881-1963)航空航天时代的科学奇才开创了数学和基础科学在航空航天领域的应用。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 历代力学大师共同缔造航空航天事业历代力学大师共同缔造航空航天事业钱学森(1911 2009)中国航天之父将力学领域重要研究成果进行工程转化,研制中国首枚国产导弹,中程弹道导弹,中国首颗人造地球卫星,参与与研制美国首枚弹道导弹。任新民(1915)两弹一星元勋导弹总体和
14、液体发动机技术专家,中国导弹与航天技术的重要开拓者之一,中国航天事业五十年最高荣誉奖获得者。王希季(1921)“两弹一星”功勋奖章获得者中国空间事业开创人之一,卫星总设计师、空间返回技术学科的带头人,国家科学技术进步奖特等奖获得者庄逢甘(1925 2010)高超声速空气动力试验技术开拓者空气动力学家,组织领导了我国主要的空气动力学实验基地建设,为发展我国航天事业作出了突出贡献钱学森先生创建的中国科大力学系钱学森先生创建的中国科大力学系航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.31.3力学家对航空航天发展的作用力学家对航空航天发展的作用 力学领域航天四杰力学领域航天四杰哈尔滨工业大学一般力学专业,
15、博士学位。历任哈尔滨工业大学航天学院航天工程与力学系主任、航天学院院长、哈尔滨工业大学副校长,航天五院副院长,航天科技集团副总经理、总经理,工业和信息化部副部长,广东省委书记、政法委书记,中共十八届中央委员,第十一届全国政协委员马兴瑞袁家军北京航空学院、航空航天部五院501部,博士学位。历任五院501部结构室副主任,部副主任,院长助理、神舟一号常务副总指挥,五院副院长、院长、神二至神五号总指挥,航天科技集团副总经理,中国科协第七、八届全国委员会副主席,宁夏回族自治区党委常委、自治区政府副主席,浙江省委常委、常务副省长、省政府党组副书记。国防科技大学固体力学专业,博士学位,中国工程院院士。历任中
16、国载人航天工程办公室总体室主任,酒泉卫星发射中心总工程师,载人航天工程发射场系统总设计师,中国载人航天工程总指挥、中国载人航天工程总设计师,中国宇航学会理事,中国科协常委。周建平张柏楠国防科技大学固体力学系学士,中国空间技术研究院空间飞行器设计专业,硕士学位。历任载人航天工程飞船系统副总设计师,“神舟”六号飞船系统总设计师,曾先后获“神舟号试验飞船”国防科技一等奖、“飞船总体构形与布局优化设计”国防科技二等奖和航天科技集团“载人航天功臣”荣誉称号。航空航天与工程科学航空航天与工程科学1.41.4新型航空航天器为力学提出许多新型航空航天器为力学提出许多挑战性问题挑战性问题航空航天科技进步与力学学
17、科发展航空航天科技进步与力学学科发展相互依赖、相互促进、相辅相互依赖、相互促进、相辅相成;相成;采用新概念、新技术的新型航空器和航天器,为更好地执行载采用新概念、新技术的新型航空器和航天器,为更好地执行载人飞行、深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务,人飞行、深空探测、载人航天、天地往返和卫星应用等任务,具有如下典型特点:具有如下典型特点:更为苛刻的服役环境,更高的可靠性和结更为苛刻的服役环境,更高的可靠性和结构效率,更强的抗极端能力,更严格的控制精度,尽可能满足构效率,更强的抗极端能力,更严格的控制精度,尽可能满足长寿命和低成本长寿命和低成本等,这对飞行器的设计带来了一系列等,这对飞行
18、器的设计带来了一系列新的力学新的力学问题问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.新型航天器对力学的要求2.12.1新型航天器发展趋势新型航天器发展趋势2.22.2新型航天器的力学要求新型航天器的力学要求2.2.12.2.1重型运载火箭重型运载火箭2.2.22.2.2大形变结构空间飞行器大形变结构空间飞行器2.2.32.2.3天地往返可重复使用航天器天地往返可重复使用航天器2.2.42.2.4临近空间飞行器临近空间飞行器2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.12.1新型航天器发展趋势新型航天器发展趋势随着航天技术的快速发展,为满足
19、越来越多样化的任随着航天技术的快速发展,为满足越来越多样化的任务需求,提出和发展了一系列新型航天器,它们或是务需求,提出和发展了一系列新型航天器,它们或是基于现有航天器技术演变,或者一种全新的设计概念基于现有航天器技术演变,或者一种全新的设计概念阿瑞斯V号载货火箭大型/重型运载火箭高分二号卫星大型变结构空间飞行器龙飞船天地往返可重复使用航天器临近空间飞行器航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.22.2新型航天器的力学要求新型航天器的力学要求大型组合体耦合载荷与环境获取大尺寸结构地面试验验证多场环境下复合材料结构动强度设计力热耦合试验验证航天器变参数动力学分析技术航天器刚-柔-液非线性耦合问题
20、气动布局多学科多目标协同设计高效轻质热防护飞行器气动力/热特性高效高精度预测气动参数辨识与天地换算气动与结构声光等多学科耦合效应评估工程难题与力学界中的科学问题关系矩阵多场耦合作用下飞行器结构响应规律高温复合材料结构失效机理复杂流场特性下的耦合失控机理非线性刚/柔/液耦合作用机理可压缩湍流与转捩流动机理复杂真实气体效应动力学模型气动力/热/结构多学科耦合动力学航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.12.2.1重型运载火箭重型运载火箭固液耦合分析星箭耦合分析力热复合试验技术热强度试验热模态试验热噪声试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.22.2.2大型变结构空间飞行器大型变结构空
21、间飞行器非线性刚-柔-液耦合动力学分析技术大型变结构组合体建模、辨识、振动抑制技术大型复杂空间机械臂技术鑫诺二号、串联贮箱示意图空间站三舱组合体基本构型FREND机械臂航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.32.2.3天地往返可重复使用航天器天地往返可重复使用航天器复杂流场特性下的耦合失控分析技术复杂真实气体效应评估技术超燃与混合动力技术X-37B再入流场高温真实气体效应超然冲压发动机地面试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.2.42.2.4临近空间飞行器临近空间飞行器大空域、全速域、高升阻比气动布局设计复合材料结构动强度设计与高效轻质结构热防护技术气动力/热/结构多学科耦合动力学
22、响应分析与评估技术乘波体升力体旋成体X-37B梯度化轻质X-37舵面力热联合试验航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题序号序号问题问题内涵内涵1热-噪声-结构多场耦合分析问题多场耦合机理分析;热模态分析;多场耦合响应分析;力热环境下耐高温材料及结构强度评估;2复合材料疲劳损伤分析问题复合材料结构破坏机理;复合载荷下结构疲劳损伤累积模型;基于损伤力学的结构疲劳寿命预示;3航天器刚-柔-液耦合动力学分析问题大型柔性部件动力学建模与复杂动态响应问题;变质量液体非线性晃动动力学分析方法;刚-柔-液耦合系统动力学分析与稳定性机理;4振动与噪声控制
23、技术问题振动噪声主动控制技术;多物理场耦合作用下复杂动力学与控制技术;新型材料与结构非线性振动控制技术;5大型复杂空间机构技术问题机构动力学;结构动力学与控制;稳定性与形面保持精度;航空航天与工程科学航空航天与工程科学2.32.3航天领域十大热点力学问题航天领域十大热点力学问题6特殊功能结构、机构技术问题空间碎片清除;在轨服务;舱外悬停;月壤着陆;7低Re数气动特性预测与大展弦比柔性翼非线性气动弹性分析问题低Re数层流分离与转捩准确预测与演化规律;动力系统低Re数复杂气动效应及作用机理;大展弦比低翼载飞行器运动响应异常特性及作用机理;大展弦比大变形飞行器气动结构飞行力学一体化分析技术;8高效轻
24、质非烧蚀热防护问题高超飞行器大空域气动热环境精确预示技术高效轻质防热材料设计与力学特性分析技术新概念微/非烧蚀防热结构设计高超飞行器热防护系统地面试验考核技术9高超空气动力学问题高超声速飞行器气动布局概念研究高超飞行器新概念热防护原理高温真实气体效应和稀薄效应激波边界层干扰效应超燃冲压发动机气动力热问题研究10可压缩湍流及其流动机理问题可压缩湍流结构、转捩机理和转捩准则可压缩湍流模式理论及其标定方法可压缩湍流稳定性理论及其数值模拟方法、风洞试验、流动显示湍流流动控制及降热减阻、增混技术航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.新型航空器面临的主要力学问题3.13.1轻质材料结构优化设计轻质材料结
25、构优化设计3.1.13.1.1一体化设计一体化设计3.1.23.1.2复合材料变形预测与控制复合材料变形预测与控制3.23.2气动弹性及其控制与利用气动弹性及其控制与利用3.2.13.2.1飞行动力学飞行动力学/气动弹性力学耦合分析气动弹性力学耦合分析3.2.23.2.2气动弹性主动控制气动弹性主动控制3.33.3减阻降噪减阻降噪3.3.13.3.1飞机增升与减阻飞机增升与减阻3.3.23.3.2机体噪声抑制机体噪声抑制航空航天与工程科学航空航天与工程科学3.13.1轻质材料结构优化设计轻质材料结构优化设计提高结构效能降低全寿命成本轻质高性能:降低结构重量系数可设计与整体成形:结构功能与完整性
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