科學家實現飛行器寬速域萬級變量高效高精度氣動優化設計方法，助力航空航天技術發展

作為一種面向臨近空間的新型飛行器，空天飛行器具備常規跑道水平起降、長時間高速巡航飛行、可重覆使用等顯著優勢，能夠大幅提升空間運載能力。

因此，空天飛行器的設計，逐步成為全球廣泛關注的技術焦點之一。

然而，也正是因為上述獨特優勢，讓空天飛行器在開展設計，尤其是總體氣動設計時，面臨著不同於傳統飛行器的挑戰。

例如，傳統飛行器總體氣動設計通常只需要在較小速域或空域下滿足設計指標，但空天飛行器需要在低空、高空和臨近空間等更大空域，以及低速起降和高速巡航等更大速域下，均保持較佳的氣動性能。

這就要求對後者的氣動設計必須更加全面、複雜，以保證空天飛行器在各種飛行條件下都能達到最佳性能。

西北工業大學屈峰教授致力於空天飛行器總體氣動設計的系統性研究，涵蓋航空航天飛行器總體氣動設計、空氣動力學和計算流體力學等研究領域。

憑藉突破了新型多維寬速域通量求解技術和離散伴隨寬速域整機氣動優化技術，填補了業界缺乏高速空天飛行器整機氣動優化設計方法的空白，屈峰成為 2023 年度《麻省理工科技評論》「35 歲以下科技創新 35 人」中國入選者之一。

突破新型多維寬速域通量求解技術，提升空天飛行器多維寬速域複雜流動數值模擬置信度

當空天飛行器在臨近空間飛行時，會受到複雜的氣流乾擾。這種多維寬速域的複雜流動，和單一速域的流動問題不同，通常具有各維度間相互干擾、高低速流動並存的特徵。

而目前廣泛使用的傳統數值模擬方法，一般採用維度分裂假設，但這會在一定程度上忽略各個維度間的干擾。

針對這一問題，屈峰及其團隊從通量求解方法切入，充分考慮沿各個維度傳播的氣流之間的干擾，並通過一系列坐標變換和相似變換，實現多維曲線坐標系下數值通量的高效求解，最終構造了一種新型多維通量求解方法。

此外，由於用來描述氣流運動的方程在不同速域下數學特性不同，該課題組通過開展漸近性分析和線性小擾動分析，提出了一種新型寬速域求解方法。

將該方法與上述新型多維通量求解方法相結合，屈峰教授實現了新型多維寬速域通量求解方法，成功地改善了多維寬速域複雜流動的數值模擬置信度。

對於空天飛行器設計來說，這種方法可以提高設計過程中數值模擬的置信度，幫助設計人員更準確地掌握飛行器的氣動規律，以便更好地分析各部件之間的相互干擾特性，從而提高設計效率，縮短設計週期。

值得一提的是，由於空天飛行器設計涉及到力學和數學的高度交叉，因此在該研究開展的過程中，該團隊不僅調研了大量與空氣動力學專業和數學專業相關的文獻，還積極地與多位飛行器設計專家進行交流。而這也是該成果得以實現的一個重要原因。

談到和同行交流過程中獲得的體會，屈峰表示：「能夠極大地開拓視野，拓寬自己的研究思路，從而給研究的突破帶來非常大的支撐作用。」

構造離散伴隨整機氣動優化技術，為業界填補相關空白

空天飛行器運輸能力的提升離不開高昇阻比，而飛行空域、速域寬廣又需要良好的寬速域性能。

在此背景下，設計同時兼顧高低速性能的寬速域氣動外形，是發展寬速域空天飛行器的先決條件。

對此，屈峰與合作者構造了基於離散伴隨的空天飛行器大變量整機氣動優化設計方法。

該方法使國內業界實用工程優化設計從百級變量提升到萬級變量，優化效率提升至少 2 個量級，填補了業界缺乏工程實用的飛行器寬速域大變量整機高效高精度氣動優化設計技術的空白。

據他介紹，在曆時數年的研究過程中，課題組總共經歷了以下幾個主要階段。

首先，課題設定。通過大量調研，識別出空天飛行器在氣動優化設計中存在的瓶頸和挑戰，進而確定研究的目標和方向。

其次，構建理論基礎和模型。開始構建新的通量耗散控制模型，力求覆蓋從低速到高速的廣泛速域。這包括計算流體力學理論的擴展和創新，以及計算工具的開發和建立。

再次，發展離散伴隨方法。在現有伴隨方法的基礎上，開發出適應空天飛行器特殊需求的離散伴隨方法。該過程需要不斷優化算法，來提升計算的精準度和魯棒性。

接著，數值仿真及驗證。利用離散伴隨方法對空天飛行器開展多次數值仿真，驗證其在不同工作條件下的適用性和穩定性，這需要大量的計算資源和持續的參數調試。

最後，整機優化設計。應用所開發的方法，對具體的空天飛行器進行整機氣動優化設計，確保其在寬速域範圍內具有優良的氣動性能。同時，根據優化結果不斷改進優化算法和模型。

「無論是從數學基礎、編程能力，還是從對物理概念的掌握程度來說，該研究對於我們團隊都有著非常高的要求。因此，我們在開展研究的過程中，必須不停地彌補自己的知識空白，並不斷地提升相關能力。」屈峰表示。

同時，他也指出，這中間也遇到了很多挫折。比如，僅僅是解決一個很小的程序錯誤，就需要花費很大的人力物力；一個公式推導不出來，也要沒日沒夜地折騰很久。

有很多個深夜，屈峰都埋頭在程序調試的工作中。但不知有多少次，他眼前的代碼在運行後總是提示錯誤。

「某一天，眼看時間已經逼近淩晨三點，我卻依然沒有頭緒。這個時候，我決定去校園里散散步。沒曾想，聽著耳邊的一些風吹草動，我突然靈感閃現，隨即便和瘋了似的衝回實驗室調整參數。當代碼最終成功運行，我的心情也豁然開朗。」屈峰說。

理論與需求相結合，更好地推動中國航空航天技術發展

據瞭解，屈峰自小成長於一個重視教育的家庭，父母竭盡所能為其提供了良好的學習環境和資源。

回顧漫長的求學生涯，屈峰表示，自己始終保持著對知識的渴望和探索精神。

博士畢業後，屈峰來到中國空間技術研究院載人航天總體部工作，參與中國載人飛船的總體氣動設計。

「在此期間，我積累了比較豐富的設計和實踐經驗。這些經驗使我意識到，必須以產業界的重大需求為牽引，通過理論研究攻堅克難，才能更好地推動航空航天技術的發展。」他表示。

也正是基於這一原因，他決定從產業界進入學術界，並於 2018 年加入西北工業大學。他希望通過在理論層面的深入探索與技術層面的大膽創新，進一步推動這個領域的發展和進步。

在屈峰看來，作為一名科研工作者，不僅應該重視自己的研究在學術方面取得的突破，更要注重其在實際應用中的價值。

而對於科研和應用這兩個方面，他也認為自己已經找到了平衡。

「一方面，我重視基礎研究和技術創新，努力在學術前沿取得突破。另一方面，我也注重研究成果的實際應用和產業化，通過技術轉化促進社會和經濟發展。我希望通過科研與應用的結合，將先進技術快速轉化為實際項目，為國家和社會帶來實際效益。」屈峰說。

據瞭解，目前他所在的團隊，已經與多家航空航天單位展開合作，將高精度數值模擬技術和寬速域氣動優化設計方法，應用於新型飛行器氣動設計和優化中。

另外，他個人也對寬速域空天飛行器、無人機系統、AI 技術等新興領域的應用場景非常感興趣，表示這些領域在未來將有巨大的發展潛力和市場需求。

例如，在全球面臨突發公共衛生事件（如大規模傳染疾病爆發）時，寬速域空天飛行器可以基於高速的飛行能力和便捷的使用場景，在數小時內實現對醫療物資的全球運輸或天地往返。

面向未來，屈峰計劃進一步發展功能更為強大的飛行器多學科設計及優化方法，開發更加高效魯棒的氣動、結構、性能、控制等多學科優化設計平台，並實現其在未來先進飛行器設計中的應用，從而為航空航天技術的發展貢獻力量。

參考資料：

1.Qu, F., Sun, D., Liu, Q. et al. A Review of Riemann Solvers for Hypersonic Flows. Archives Of Computational Methods In Engineering 29, 1771–1800 (2022). https://doi.org/10.1007/s11831-021-09655-x

2. F. Qu, Q. S. Liu, D. Sun, J. Q. Bai, Self-Similar-Structure–Based All-Speed Genuinely Two-Dimensional Riemann Solver, AIAA Journal, 2024, 62 (7), . 

3. F. Qu, T. Wang, Q. Zhao, D. Sun, The lift enhancement mechanism caused by the deformation of the surface of the wide-speed waverider, Physics of Fluids, 2024, 36(5), 056131. 

4. F. Qu, T. Wang, C. Liu,et al., Aerodynamic shape optimization of the vortex-shock integrated waverider over a wide speed range, Aerospace Science and Technology, 2023, 143, 108696.

5. Q. Wang, F. Qu, T. Wang, D. Sun, J. Q. Bai, Mixing Enhancement of Compressible Jet over a Convex Wall, Journal of Fluid Mechanics, 2023, 972, A2.

運營/排版：何晨龍