航空航天的未来范文

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篇1

脉冲星是20世纪60年代天文学的四大发现之一。1967年，英国射电天文学家乔瑟琳・贝尔在行星际闪烁观测研究中，偶然发现一个时隐时现的射电脉冲源，其周期非常稳定，每隔1.3373秒就记录到一次脉冲信号，故而将其取名为脉冲星。这让当时的科学界和公众颇感困惑，甚至一度认为脉冲信号是外星人发来的联系“电报”。1968年，科学家在超新星SN1054遗迹即蟹状星云中发现脉冲星，脉冲周期是0.0331秒。这颗脉冲星比较特殊，因为它的前身超新星爆发是我国古代天文学家最早用文字明确记录的，见于1054年7月宋朝史官编写的《宋会要》，将其称为“客星”。1942年，荷兰天文学家奥尔特以令人信服的论证，确认蟹钚窃凭褪1054年超新星爆发后形成的。

“年老”的恒星可能会突然发生爆炸，亮度猛然增加上万倍，然后才慢慢变暗。那些爆炸时亮度特别高的星星便被称为“超新星”。恒星的核能耗尽以后，死亡的恒星遗骸分为白矮星、黑洞和中子星三种类型，脉冲星则是中子星的一种。

脉冲星属于高速自转的中子星。脉冲星之所以能够发射稳定的电磁脉冲信号，得益于它的小体积和大质量，以及星体高速自转并具有强大的磁场。在宇宙中，恒星的体积越小、质量越大，其磁场就越强。典型脉冲星的半径仅有10千米，质量却在1.44 ～3.2倍太阳质量之间，是宇宙中除黑洞以外密度最大的天体。在已经发现的脉冲星中，自转周期最快的可达到0.001337秒。因此，只有高速自转的中子星才适合扮演脉冲星的角色。

脉冲星具有极其稳定的信号周期。目前国际时间基准基于原子时系统。天宫二号实验室搭载的空间冷原子钟，虽然有望实现约3000万年误差1秒的超高精度，比氢原子钟数百万年误差1秒要高出一个数量级，但与脉冲星提供的时间精度相比还是相差甚远的。因此，脉冲星有“自然界最精准的天文时钟”的美誉。

非凡的导航素质

作为自然界最稳定、最精准的天文时钟，脉冲星将成为未来人类探索宇宙的灯塔。目前使用的GPS、格纳洛斯、北斗和伽利略卫星导航系统，由于受卫星运行轨道高度的限制，并不能为在深空中飞行的航天器进行自主导航，而传统的天文导航方式精度较低、技术难度大，利用地面深空探测

网对航天器进行跟踪，测控信号强度会随着距离的增大而衰减。故科学家设想，利用已发现的脉冲星为深空航天器进行导航。

截至目前，已发现和编目的脉冲星数量已达到2000多颗，其中160多颗具有良好的X射线周期辐射特性，可作为导航候选星，而人类在地球上能观测到的脉冲星还只是其中的一小部分。天文学家估计，银河系的中子星总数可能有数万颗。

脉冲星可以在射电、红外、可见光、紫外、X射线和γ射线等多个电磁波频段产生信号辐射，其中X射线信号最为稳定，最适宜用来为导航服务。人们通常也把在该频段辐射信号的脉冲星称为X射线脉冲星。

当脉冲星高速自转时，磁极波束若扫过安装在地面或航天器上的探测设备，该设备就能接收到一个脉冲信号。依靠脉冲星发出的X射线脉冲信号，就可以为航天器提供高精度的位置、速度、时间和姿态等丰富的自主导航信息服务。那时的脉冲星，就犹如一个在浩渺宇宙中持续稳定地发出导航信号的灯塔。

其实，利用脉冲星进行导航的设想，早在40年前就被提出，但利用X射线脉冲星进行航天器自主导航的理论研究却只经历了10多年的发展时间。

2004～2005年，美、欧先后启动“X射线导航与自主定位计划”与“ESA深空探测器脉冲星导航研究计划”。美国国家航空航天局预定2017年实施在国际空间站安装“空间站X射线授时与导航技术探索”仪器的计划。2005年以来，我国也开展了有关X射线脉冲星导航的课题研究，并于2016年成功发射脉冲星导航试验卫星。这是世界上首个在轨的脉冲星导航试验系统。

脉冲星试验卫星

篇2

中图分类号：V211 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）12-0252-02

1 力学在航空航天领域的支柱地位

作为与材料科学、能源科学并肩的航空航天领域三大基础学科之一，力学在航空航天领域拥有无可辩驳的支柱地位。航空航天技术的发展与力学学科的发展有着举足轻重的关系。同样，力学学科的发展也推动了航空航天技术的发展。从航空航天的历史开端，力学便扮演着开天辟地的角色：莱特兄弟发明飞机前的时代，人类的航空器长期停留在热气球与飞艇的水平，人们普遍认为任何总密度比空气重的航空器是无法上天的；而随着流体力学的发展，越来越多总密度大于空气的航空器被发明出来进行试验，而莱特兄弟的飞机即为第一个成功的尝试，莱特兄弟的L洞也成为一个经典（图1）。从此，航空器的发展步入了快车道，各种结构的飞机翱翔于蓝天，从不到一吨的轻型飞机到上百吨的运输机，直至今天我们对机已经习以为常。

时至今日，航空航天的总体设计已由庞大的力学各分支支撑起来，从最基本的方面分类，可包括：飞行器整体气动外形归属于空气动力学；整体支承结构归属于结构力学以及材料力学；复合材料归属于复合材料力学；材料疲劳性能归属于疲劳分析；结构动力特性归属于振动力学；缺陷结构分析归属于损伤力学以及断裂力学。而对于具体的问题细分，则还有如：针对超高速飞行器的高超空气动力学；针对紊流等大气不稳定情况的非定常空气动力学；针对流固耦合问题的气动弹性力学；以及针对非金属材料的粘弹性力学等。此外，还有众多与力学相关的技术被发展起来，如有限元技术（FEM）等。

展望未来，力学发展的源动力在于航空航天综合多学科的交叉与技术。被誉为“工业之花”的航空航天工业，其研发生产涵盖了目前已知的所有工科门类，如此多的学科交叉下，力学的发展势必会与其他学科进行技术交流，这会带来问题的进一步复杂化，同时也丰富了力学的研究内容。

2 航空航天领域力学发展新挑战

航空航天的发展，给力学带来了新的挑战。结构的日趋复杂，给力学计算带来困难；繁琐的理论公式，需根据工程需要进行必须的简化；新材料的应用在航空航天领域最为敏感，在为飞行器降低结构重量的同时，也带来诸多的不利因素如耐热性能差、环境敏感度高等；而在某些关键部件的多物理场耦合问题也将成为重要的研究方向。

2.1 程序化

航空航天器和大型空间柔性结构的分析规模往往高达数万个结点、近十万个自由度的计算量级，这些问题包括但不限于：飞行器的高速碰撞间题，如飞机的鸟撞， 坠撞，包容发动机的叶片与机匣设计，装甲的设计与分析，载人飞船在着陆或溅落时的撞击等。为了解决这种计算量庞大的问题，上世纪50年代初，力学便发展出一门崭新的分支学科――计算力学。伴随着电子计算机以及有限元技术的发展，计算力学取得辉煌的成绩，这也说明了其本身发展潜力巨大。

力学分析技术的发展，特别是对于各种非线性问题（几何非线性、材料非线性、接触问题等）分析能力，是长期存在的。然而在很长一段时间内，受到计算机能力的制约，以及模型建立本身的局限性，力学分析求解停留在解析方法和小规模数值算法中。这对于工程人员的设计工作是一个极大的限制，对于航空航天领域而言则尤甚如此。计算力学的发展，带来的效益是巨大的。首先其可以用计算机数值模拟一些常规的验证性试验和小部分研究型试验，这可以节省很大一笔试验费用。其次，其可以求解某些逆问题，逆问题的理论解往往无法通过非数值的手段得到。最后，从工程管理角度考虑，数值模拟方法大大节省了产品研发的周期，由此单位时间内产生了更多的经济收益。有限无技术分析机翼见图2。

上述计算力学给工程设计方面带来的种种好处，都基于一个很重要的前提。那就是力学问题程序化。如何将力学问题转化为一个计算机可以求解的程序，一直是计算力学研究的重点，比如有限元技术就是其中一个典型代表。目前，有限元技术已经涵盖了大部分力学问题，包括：静力学求解，动力学求解，各种非线性问题，以及多物理场耦合等。但值得注意的是，除了静力学以及相对简单的问题外，其余问题所用的算法目前精度仍然有限，相较于工程运用而言仍存在诸多壁垒。对于这些问题算法的更新，是力学问题程序化必须面对的挑战，仍需研究人员不断探索。

2.2 工程化

力学工程化依然是基于计算力学而讨论的。所不同的是，程序化是针对一项力学问题能不能解决，工程化关注的问题是如何使得力学问题的解决过程更符合工程需求。

21世纪的航空航天，已经越来越趋向于商业化，美国已有数家私有航天企业成立，我国的航天科技集团也在进行着一些商业卫星发射。而商业化的工程问题，所追求的目标永远是效益。因此，力学工程化发展也应基于这一要求。航空航天工程的研发工作，一直给人周期长的印象，动辄10年以上的研究周期，对于目前商业化的运营是不适用的。如何快速的给出解决方案，是今后力学工程化的重要考量。随着软件技术的发展，越来越多的数值计算可以通过可视化、图表化等快捷的交互式设计方法呈现出结果，这可以直观地给予工程师设计反馈，从而达到加快设计进程的目的。同时，直观的结果反馈，也能避免数据分析过程出现人为失误，起到规避风险的作用。

2.3 非均质化

新材料往往首先出现在航空航天领域，其中典型代表便是先进复合材料。先进复合材料具有高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐疲劳、阻尼减震性好、破损安全性好以及性能可设计等优点。由于上述优点，先进复合材料继铝、钢、钛之后，迅速发展成四大结构材料之一，其用量成为航空航天结构的先进性标志之一。

复合材料的运用给力学提出了新要求，相比于传统各向同性的金属材料，其各向异性的力学特性使得非均质力学应运而生，代表便是复合材料力学的诞生。非均质化力学需要将材料的承力主方向设计为结构中的主承力方向，而非主承力方向则需要保证一定强度，不至于破坏，这是其主要的设计特点。相比各向同性材料，其理论模型更为复杂，相应的数值求解方法也没有那么完善。同时，实际中复合材料的性能分散性和环境依赖性相当复杂， 设计准则和结构设计值的确定还很保守，导致最终设计结果并没有理论中那么完美，很大程度上制约了工程领域大规模使用复合材料。对于国内而言，复合材料研究工作相比国外则更为落后，无论是设计经验还是试验数据积累都有不小差距。

建立完备的非均质化力学模型，积累足够的原始参数，大胆尝试提高复合材料的设计水平以及用量是今后力学非均质化的主要任务，需要研究人员付出更多的努力。

2.4 多物理场耦合

2.4.1 电磁与力学耦合

新时代下的航空航天材料，已不仅仅局限于提供简单的支承作用，功能化是航空航天器新材料发展的重点和热点，其最终目的是为了未来航空航天器发展智能化目标。

目前，越来越多的具有电-力耦合功能的新型材料正成为航空航天器结构材料的选择。因为在对飞行器的自我检测技术方面，具有电-力耦合功能的材料的受力状态与电磁性能存在特定的函数关系，由此系统能通过检测电磁性能达到检测受力状态的效果，这大大方便了对飞行器的健康监测，也有效保证了飞行器的安全。这其中耦合函数的准确性便成为关键，电-力耦合的发展能促进这些技术的健全，具有十分积极意义。

2.4.2 温度与力学耦合

温度场与力场的耦合主要体现在发动机上，对于发动机内部涵道的设计最优化一直是热力学着力解决的问题。

目前大部分飞机均采用喷气式发动机，包括：涡喷发动机、涡扇发动机以及涡桨发动机。上世纪40年代末，涡喷发动机出现，飞机飞行速度第一次能超过音速，带来了一场飞机发动机的技术革命。由此，包括进气道以及发动机涵道的设计成为发动机研发的一个关键点，早期的涡喷发动机，由于涵道上的设计缺陷，导致燃料燃烧产生热能转化为推进力的转化比很低，同时伴随着燃烧不充分，因此发动机耗油量很高且推力较小。经过几十年的发展，目前无论军用还是民用飞机发动机，大部分均采用涡扇发动机，通过优化得到的涵道形状最大化了单位燃油所提供的推力。图3为民用客机发动机涵道。

我国的飞机发动机工业水平距离世界领先水平仍有较大距离，特别是在大涵道比的商用发动机研发上。发展热力学，对热-力耦合问题进行更深入的研究，是发展我国飞机发动机事业的奠基石。

2.4.3 流固耦合

流固耦合是飞行器研制最基本的问题之一。几十年的发展历程中，基于流固耦合研究的飞机外形设计取得了诸多进展，包括整体机身外形的优化，翼梢小翼的出现等。随着飞机飞行速度的不断提高，特别是军用飞机机动性的要求，出现了许许多多新的流固耦合问题。比如针对飞机在大攻角飞行时（一般出现在军机上），传统小攻角气动表示法、稳定理论等均不再适用。因此，解决大攻角非定常问题，需要从飞行器运动以及流动方程同时出发，建立多自由度分析和数值模拟模型。这是典型的流固耦合问题。

同时，以往旧的流固耦合理论，在先进复合材料大量运用的今天，显然已经不再使用。对旧有理论进行必要的修正，也将成为流固耦合问题亟需完成的工作。

3 结语

当前，国家大力发展航空航天事业，作为高精尖产业，其所运用的理论与技术绝不能落后。力学作为一门古老而又应用广泛的学科，其对航空航天事业的发展起着举足轻重的作用。为符合未来航空航天领域发展，航空航天领域的力学应着力向着程序化、工程化、非均质化、以及多物理场耦合化综合发展。

参考文献

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篇3

在江苏省淮阴中学风景如画的校园里，有一座设计独特，建设标准相当高的航空航天科技体验馆，学生们可以在这里领略人类对飞行的远古期盼，感悟这一梦想实现的艰辛，知晓航空航天技术的不断演进。馆内陈列的不少实物，是在中国航空史上占有重要地位的文物级展品。徜徉在这个馆里，你能体味到筹划者的良苦用心。在走进淮阴中学之前，笔者始终怀着这样的疑问：是什么动机促使淮阴中学花费如此大的精力和费用，建设看似与学生的考试与学业并无直接关联的航空航天特色课程基地？这样的做法事实上又收到了怎样的效果？等到张元贵校长坐在我的面前，一切都有了答案。

记：淮阴中学为什么会选择航空航天作为建设特色课程基地的方向？

张：这个想法最早形成于2011年。当时江苏省教育厅提出支持各高中学校建设具有自身特色的课程基地。我们考虑了很久，最初也曾想过其他方向，但都觉得特色不够鲜明。经过广泛论证，我们认为航空航天是一个值得关注的方向。原因很简单，航空航天既凝结了人类最先进的科技成果，又有着悠久的历史脉络，它是人类对行梦想不断求索的结果，也是一个国家科技实力的集中体现。除此以外，我们更看重飞行这一活动本身所凝聚的探索精神和求知信念，飞行充满风险和变数，而人类正是通过科技的不断进步在逐步消除其中的风险，使其成为一种服务于人类的可靠技术。淮阴中学与南京航空航天大学素来有着密切的合作关系，这也是我们建设航空航天特色课程基地的有利条件。正是出于这一想法，我们将航空航天作为特色课程基地建设方向申报了上去。

记：建设这样的课程基地，其实在硬件和软件上都有非常高的要求，淮阴中学选择这样的方向，当初是否考虑过其中的困难？

张：当然考虑过。这一点不仅我们自己早已认识到，江苏省教育部门负责评审各校申报特色课程基地项目的专家组也有所考虑。最初我们申报时，一些专家认为，一所中学要建立这样的课程基地，很难做到高水准，因为这要花费大量的人力物力，并且短期内很难看到建设成效。但经过我们的不懈努力，淮阴中学的航空航天特色课程基地建设很快初具规模，在2013年的成果评审中，被评为全省10个优秀课程基地之一（全省第一批共计38个课程基地），并把省课程基地建设现场会议放在我校召开。这说明，我们的方向是正确的，我们的建设方法也是正确的。在建设过程中，我们在航空航天科技馆上花费了大量心血，不仅聘请了两位专业素养很高的专职科普教师任职，还筹措了700余万资金，用于置办各项陈列品，在展馆的设计上也独具匠心，整个展馆的参观脉络是从模拟的机场起飞线开始，经历人类航空史的各个阶段，最终到着陆区结束，在展馆最后的外部廊道上，绘制了广袤的星空壁画，寓意人类的星际探索之梦永无止境。所有参观展馆的学生都表现出浓厚的兴趣，他们真的乐在其中。除了这个展馆，我们学校的图书馆也专门开辟了航空航天类图书专区，学校每年拨款，有选择地购买优秀航空航天科普图书，当然也包括全套的《航空知识》，这些图书丰富了学生们系统学习相关知识的资源。

记：淮阴中学建设航空航天特色课程基地的宗旨是怎样的？

张：我们的原则是，要么不建，要么就建设成高标准的课程基地。我们当然可以降低标准，这样省钱省力，但学生们从中获取的东西就很有限，比如他们就没有机会亲自体验更专业的飞行模拟器，没有机会近距离看到这么多珍贵的航空用品乃至文物，更谈不上互动式和体验式学习。如果那样，他们获取知识的方式就很难与传统的书本和网络方式有所区别，特色课程建设就难以做到可持续发展。需要强调的是，花钱多少并不是标准高低的评判依据，你看到包括科技馆在内的整个特色课程基地的建设，我们都是花了许多心思的，在策划方案上更是反复论证，广泛听取专业人士和学生们的意见，再加上精心组织实施，才有今天这个局面。我们就是要让学生看到真正的特色，体验到别处难以获得的感受，享受整个学习的过程。

记：学生们在特色课程基地学习航空航天科技知识，势必要占用一定的时间和精力，如何来处理它与课业之间的关系呢？

张：这是一个非常重要的问题，我们从一开始就有所考虑。现在淮阴中学的做法是，面向全校学生开展的航空航天科普教育属于基本层次，主要是激发学生们对航空航天的关注与热情，普及一般的知识，占用时间不多。再往上就是航空航天社团，这个社团开展的教育更为深入和全面，但要加入社团，对基本课业成绩就有个要求，课业不构成负担的学生才可望加入社团，而且加入社团后我们要求成绩要保持稳定。当然，这也不是铁律，有些热情特别高但成绩稍差的学生，我们也会允许暂时加入，并对他们进行指导和督促，促使学生们的学习成绩同步进步。结果，所有加入航空航天社团的学生，课业成绩全部成上升态势，这正是我们希望看到的。

记：现在提倡素质教育，您如何看待航空航天科普教育与素质教育的关系？

张：淮阴中学多年来积极深化素质教育，努力追求把高考成绩作为素质教育的自然结果。我们得承认，现行高考选拔制度是有缺陷的，不够科学合理，既有一考定终身的弊端，也有考核片面的局限，但改革是个长期问题，现行高考制度的存续，反而越发迫切地要求素质教育水平和质量快速跟进。有人把素质教育理解为某些技能的培养，我觉得不够全面，我更愿意把素质教育理解为一种精神内涵的培养，这种精神包含的元素更为丰富，比如学习精神、探索精神、协作精神，以及挫折耐受力等等，这些精神才是学生成长道路上最可宝贵的财富，也是学习各种技能的内在动力。

篇4

航空航天制造业在经济发展中占有十分重要地位，对国防产业也有举足轻重的作用，并能推动其他相关产业的发展，研究其板块变化也有着实际的经济意义和预测价值。但是，我国航空航天制造还存在技术限制、人才培养质量不高等因素限制，上市规模还相对较小，加之我同证券股票市场尚不成熟和稳定，因此有必要借鉴国外的运营理论和管理模式，总结出适合我国国情的道路。

一、航空航天板块的发展前景

航天航空制造业是我国的军事保障，是一个国家综合实力的体现，其稳定健康的发展有着极其重要的意义。政府也必会对其发展做出扶持政策，对其进行监管和调控，保持其板块价格波动幅度不会太大，从航空板块的见涨，和各大相关股票价格良好发展趋势，利润总额不断增长可以看出我国政策扶持起到了极其重大的作用。而同时航空航天上升到国家利益层次方面，不会产生垄断寡头市场，所以不管股市如何产生巨大波动，该板块也不会因股市影响产生较大不稳定、无规律的变化。

二、政府扶持对航空航天板块的影响

从国家政策层面，通航产业正面临前所未有的历史机遇。2013年12月10日，国务院《关于消息和下放一批行政审批项日的决定》，民航局取消了国内通航企业承担境外通航业务的审批。2013年11月18日，中国人民总参谋部和中国民用航空局联合了《通用航空飞行任务审批与管理规定》，指出军方将国防、领土不相关的通用航空飞行任务的审批权让渡了出来，从而在一定程度上的优化了对通航飞行的流程。

此外，工信部已经完成高端装备制造业五个重点发展方向，包括《航空装备制造业十二五规划》。同时，《民用飞机行业发展条例》也以法律形式明确的表面了对航空制造业的支持政策。在政策的实施下，航空航天制造业出现一片良好的局势。据行业报道：航天科技集团前10个月收入增长近20%，利润总额增长11%，航天科技大股东航天科工三院前10月利润同比增长29.2%。从板块上来看，军工板块继续明显跑赢大盘。兴业竣工板块加权涨跌幅6.7%.平均涨跌幅90/e，上证指数涨跌幅1.1%。航天科工集团和民参军板块明显跑赢其他板块，预示着投资者对其前景的看好。

三、政府扶持对航空航天板块的启示

1.健全股票市场

适合航天航空制造业发展的股市才是促进产业最快发展的道路，航空航天制造业属于一个国家战略性的发展工业，其必会在政策的引导下按预期的道路发展。由于我国股票价格传导的渠道发挥效应前提条件缺失制约了资本市场有效传导政策的效应，因此我国应借鉴西方发达国家经验，健全股票市场，采取有效措施。具体可以分为，（1）扩大股票市场规模，调整优化市场结构。发达国家航空航天股票市值占GDP比重较高，而我国日前比例尚且较低，造成了航天航空制造业不能最优质适合我国国情发展。另外，也可逐渐取消国有股，法人股，公众股不能互相流通的限制，鼓励利社会公民持股，这些建议也可提高该制造业股票的高效流通性，同时，政策适当凋控将减少股价大幅波动情况的产生。（2）提高该制造业龙头公司质量，健全股票发行于续。（3）规范信息披露制度，提高透明度。（4）减少军业及其相关制造业的资源浪费，保持最优质的资源利用率。

2.壮大航空航天产业

从航空航天产业的分布来看，北有沈阳、哈尔滨、石家庄，南有南昌，东有上海，西有西安、成都。产业分度在全国都有完善的发展和制度。同国外的军工巨头相比，国内的上市市场规模较小。可以有如下几个方面发展：（1）加强自主创新能力，推动制造业健康发展。只有拥有自主知识产权，形成系列化发展和良好规模生产，才能使其健康发展。（2）建立配套的政策扶持，将政策进一步优化和系统化，为其发展营造有力的政策环境。

总之，我国已经率先在航空航天和国防领域有了技术突破和创新产业升级。该产业发展前景良好，在未来10年里，证券市场的成熟稳定，为航空航天板块提供了良好的投资环境，航空航天产业将进入一个高速发展时期。只要我国政策的继续实施，不断的总结经验和在失误中吸取教训，不断的对航空航天扶持产生正向效应，我国的航空航天将会走在世界航空航天的最前列。

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