未来高技术战争对空气动力学创新发展的需求

未来高技术战争对空气动力学创新发展的需求

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未来高科技战争与空气动力学

创新发展的需要

庄凤干 黄志成

编者按：在中国空气动力学学会召开的2003年空气动力学前沿研究研讨会上，庄凤干院士和黄志成研究员联合发表了《未来高技术战争中气动创新与发展的需要》的报告。尽管这份报告已经发布18年了，但今天读来仍然具有很大的参考价值。由于是会议报告，读者较少，我们转载此报告，供读者参考。

摘要：本文首先分析了未来高技术战争的主要特征，阐述了以信息技术为代表的科学技术的快速发展正在推动未来战争发生深刻变革。这一变化给空气动力学的创新发展既带来了严峻的挑战，也带来了新的机遇。为此，空气动力学应进一步揭示各种速度范围、各种尺度范围和各种状态下的新的气动规律，并提供创新的气动布局、创新的发动机和创新的集成理念。最后，本文提出，要在认真总结国内外经验教训的基础上，集中力量，大力开展学科创新、制度创新和管理创新，研究提出符合国情的发展战略，并进行模拟仿真。根据我国的国情。它集模拟、地面测试和飞行测试于一体。

关键词：高技术战争、空气动力学、信息技术

1900 年 8 月，他制造了第一架滑翔机。随后，他和弟弟一起驾驶滑翔机。两年后，即1903年12月17日，经过风洞测试和安装动力装置，实现了人类首次动力飞行。 21世纪初，人类开始实现探索太阳系的又一个梦想。回望一百年来，空气动力学作为航空航天的主要技术基础之一，为航空航天的快速发展做出了杰出贡献，创造了百年辉煌。美国著名未来学家托夫勒在他和妻子合着的《战争与反战》一书中写道：“一个国家创造财富的手段就是它制造战争的手段。”近百年来，武器的需求始终是空气动力学不断发展的主要推动力。当前，以信息技术为代表的科学技术快速发展，正在推动未来战争发生深刻变革。这一变化不仅提出了严峻的挑战，也为空气空气动力学的创新发展提供了新的机遇。

一、未来高技术战争的主要特征

以微电子技术、计算机技术、人工智能技术、通信技术为基础的信息技术正在军事领域得到广泛应用。海湾战争以来，出现了一种新的战争模式——信息战。中国著名科学家钱学森这样形容未来战争的形态：“现阶段和即将到来的21世纪的战争形态是核威慑下的信息化战争（Based War）”。计算机是信息时代的象征；信息时代的另一个重要标志是网络。只有在现代网络中，信息才具有全球覆盖、光速传播、多方共享、取之不尽、用之不竭和非线性效应等特点，才能操纵和控制战争中的物质和能源，从而大大提高战斗力，减少战争损失。其他问题。战斗力要素投入。对于未来信息化战争，最重要的是树立信息制胜理念：用信息引导能源，用信息配置资源，用信息通信指挥，用信息网络协调战场和武装力量，信息网络协调战场和武装力量。制定战略战术等要求。未来信息战的特点可概括为：

总体来说，信息战还处于发展阶段，但从海湾战争到阿富汗战争，已经可以看到信息战的早期阶段。综合国内外讨论，未来信息战的特点可概括为：

（一）信息技术的快速发展改变了整个战争对抗格局。战争中的优势很大程度上依赖于信息优势。信息技术的发展正在推动战场网络化。美国军事专家认为，我们在未来战争中的优势将取决于我们能否在观察、定位、决策和行动（OODA）过程中胜过对方。如果我们能够比对手更快、更准确地完成这个观察、定位、决策和行动的过程，我们就可能在战争对抗中获得优势。

（2）未来战场从海、陆、空拓展到海、陆、空、太空、电磁领域。这五个战场是密切相关的。从目前美国军事技术的发展来看，太空对其他战场对抗影响很大。 1996年11月，时任美国空军参谋长罗纳德·F·福格尔曼表示：21世纪美国的战略手段将是航天强国。未来，美国空军将从以航空力量为主向以航天力量为主演变。

（3）未来的战争将是体系之间的对抗。不仅交战双方的武器装备构成一个体系（ ），双方各军种的对抗装备也构成下一级体系。因此，研究一种武器装备的任务需求，必须从系统对抗入手。例如，可以想象，21世纪初的空中对抗装备由各种有人、无人驾驶战斗机、预警机、侦察机、加油机以及用于地面、海上和空中对抗的武器组成。在太空中。因此，在确定第四代战斗机的作战任务时，不能孤立地谈论第四代战斗机，而必须从整个空中对抗体系甚至整个武器装备体系出发。

（四）信息系统、武器和平台的有机结合，形成先进的信息武器系统。未来的信息战正在从以平台为中心的战争转向以网络为中心的战争（NCW）。它们将大大提高近远程精确打击能力和快速投送能力，形成新型战斗力。可见，信息化武器平台和精确打击武器将在21世纪初的战争对抗中发挥非常重要的作用。例如，在现代空战中，必须解决信息到达驾驶舱的问题。全球定位系统（GPS）与精确打击武器的结合，大大提高了精确打击武器的战斗力。

（五）未来战争将强调全谱控制能力的强大综合效应。所谓全谱控制能力，就是在各种军事行动中控制对手的能力。科学技术的进步特别是信息技术的快速发展，改变了传统的机动、打击、防御、后勤等概念，逐步演变为可控机动、精确打击、立体防御、集中作战等新的作战概念。后勤。在未来战争中，这些理念的综合运用，可以形成强大的全频谱控制能力综合效应。

2、信息化战争对空气动力学发展的需求

恩格斯曾指出：“在军事学术上，不能用旧的手段取得新的成果，只有创造新的、更有力的手段，才能取得新的、更大的成果。”纵观未来信息化战争的发展，不难发现它对21世纪空气动力学的发展提出了一系列创新发展需求。总体而言，就是进一步揭示各种速度范围、各种尺度范围、各种状态下的新气动规律，提供创新的气动布局、创新的发动机和创新的集成理念。

（一）研究气流主动控制技术，为武器提供新的气动布局理念

现代先进的气动布局设计已成为一门高度复杂、高精度、定量化的综合技术。例如，第四代战斗机需要超音速巡航、失速后机动性和敏捷性以及隐身能力。这些复杂且相互冲突的要求的结合对空气动力学布局设计提出了严峻的挑战。各种跨学科的综合分析和设计技术是必须解决的重大问题。其次，先进的单一气动技术不一定能生产出好的飞机。只有依靠先进气动布局的综合设计才能获得优异的性能。现代气动布局的融合体现在两个方面：一是除了研究各种先进气动技术外，还需要基于具体性能目标（如隐身、超音速巡航、过失速机动性和敏捷性）进行研究。综合选型和优化，而且这种优化不仅仅是过去的局部优化，而是飞机整体外观的优化，能够满足性能目标的气动布局的基本要求；其次，必须进行气动布局和结构强度、动力装置、进排气系统、目标特性（隐身外观）、控制系统等综合设计。例如，隐身特性的要求需要气动布局和雷达反射特性的综合和优化；超音速巡航需要气动布局和进排气系统的一体化设计；矢量推力技术需要气动布局以及动力系统和控制系统进行一体化设计；气动弹性剪裁技术需要空气动力学、结构、材料等综合设计，这些综合设计能力是实现设计目标的基本保证。

由于现代生物技术、纳米技术和信息技术的发展，21世纪空气动力学将在流动控制方面取得重大突破。例如，在湍流的研究中，人类将从预测走向控制，从被动控制走向主动控制。被动控制如利用机翼上类似鲨鱼表面的皮肤，长有小牙齿来控制涡流的运动，以减少阻力。此外，借助现代微机电系统，微传感器、控制电路和执行器可以集成在一起，类似于海豚，利用表面的运动来提高推进效率。利用这种“主动”结构技术，机翼表面可以主动变形，以在不同飞行条件下控制飞机周围的流动。该方案的优点在于，不仅可以减少阻力，还可以消除操纵面之间的间隙，从而提高飞机的隐身性能。这些创新的设计理念如果能够实现，必将给飞机带来深刻的改变。 20世纪，人类已经能够比鸟类飞得更快、更高，但他们无法比鸟类更灵活、更高效地飞行。上述主动控制技术的突破将使新世纪的空天飞行器拥有新的气动布局类型。它们不再是传统机械部件的组合。它们将充分集成智能材料和结构、执行器、微处理器和各种传感器，以实现前所未有的空气动力学效率和控制水平。为了适应不断变化的飞行条件，传感器就像鸟翅膀上的神经一样，不断测量表面的压力。为了响应这些测量结果，执行器的作用就像鸟翅膀上的肌肉一样。正如鸟类使用不同的羽毛来控制飞行一样，这些执行器会不断改变翅膀的形状，以不断优化飞行条件。此时，这些智能材料、执行器、微处理器和各种传感器将由智能系统作为其神经中枢系统进行管理，让飞机能够全面监控其性能、环境和运行，以达到最佳效果。出色的飞行性能。

（二）研究高超声速技术，为高超声速武器发展奠定技术基础

实现高超音速飞行将极大促进高科技武器平台的发展。高超声速武器平台包括太空战车（SOV）、跨大气层飞行器（TAV）、高超声速导弹、机动弹头、高超声速飞行器等。巡航导弹具有超低空、机动飞行、精确制导、命中精度高等特点，可以实施纵深、精确的空袭。现代现役巡航导弹的最小巡航高度一般小于50米，射程一般大于500公里，但最大飞行M数一般小于0.9。提高速度绝对是巡航导弹的发展方向。首先，提高武器系统的速度提供了快速反应能力，提高了打击移动目标的能力。同时，由于飞行速度的提高，武器的动能也能大幅增加，提高武器的毁伤能力，包括打击坚硬目标和地下目标。能力。其次，从突防角度来看，提高武器系统的速度可以提高生存概率。用于防区外空袭的空射高速导弹可以在远程防空导弹射程之外发射。因此，携带导弹的飞机可以安全地瞄准和攻击，人员和装备的损失系数可以降到最低，甚至接近于零。当到达敌方防空导弹的射程时，对方根本来不及反应。

跨大气层高超音速武器平台将具有以下特点：

1、速度高，动能大，效能倍增。它可以使用非常小的弹药，并且可以同时击中多个目标。同时，由于速度高，它可以在极短的时间内攻击世界上任何地方的目标。由于它采用亚轨道飞行或大气层内高超音速飞行，因此可以在政治上避开太空军事化的敏感问题。

2、具有出其不意的优势。战略上，可以奇袭敌人几乎毫无防御的纵深目标；战斗中，你可以出奇制胜，选择最佳进攻时机；战术上，你可以出其不意，并利用各种亚轨道飞行路线攻击敌方防空系统。薄弱环节。

3、能够快速恢复、快速装备、完成任务后再次起飞。与远程弹道导弹相比，使用后可以回收，威慑对手，避免立即开战的危险。

4.除了执行全球攻击任务外，还可以用于全球侦察。它不仅是发射卫星、回收和修理卫星的平台，也是发射反卫星武器的平台。

高超音速技术也将引发航天运载火箭的革命。航天运载火箭代表着进入太空的能力。它们不仅是航天资源开发的基础，也是军队战斗力的重要组成部分。

典型的高超音速研究计划包括NASA的“Hyper-X”计划，该计划开发了X-43A、X-43B和X-43C等一系列测试飞机。高超音速飞行演示（HyFly）科技计划由美国国防高级研究计划局（DARPA）和海军研究办公室（ONR）联合开展。高超声速飞行时，采用吸气式发动机可以获得较大的比冲量，减轻起飞总重量。但众所周知，现有的吸气式发动机，如涡喷发动机、涡扇发动机，在马赫数大于3后，比冲明显下降。对于亚音速燃烧冲压发动机，马赫数大于6后，比冲也显着下降。只有超音速燃烧冲压发动机才能提供6至15马赫数的高比冲。为了清晰地研究超音速燃烧并正确设计超音速燃烧的燃烧室、相应的进气道和尾喷管，需要解决超音速燃烧的气动问题。高温气体发生化学反应。这方面最突出的问题是缺乏相应的地面模拟设备。尤其是马赫数大于8之后，就只能依靠脉冲式风洞了。因此，必须对超音速燃烧进行缩小规模的飞行试验。对于高超声速飞行，不仅需要精确确定发动机各个部件的气动特性，还需要发动机与机身的一体化设计。此时，空天飞机的前身应作为进气道的预压缩面，不仅可以提供预压缩，还可以为进气道提供均匀的进气流场。后机身作为发动机喷管的一部分，提供了很大一部分推力，对整机的气动特性影响很大。近年来，有几种高超声速气动布局引起了广泛的兴趣。第一种是()构型，它具有较高的升阻比，可以为发动机进气口提供均匀的流场。其次是升降机本体（Body）的配置。其体积利用率接近航天器，升阻比也接近航天器。目前正在对这两种配置进行广泛的研究和实验工作。

（3）研究微观尺度的空气动力学现象，为微型武器的发展做出贡献

许多新定律将在微观尺度的质量、动量和能量交换中显现出来。微型空气动力学研究将为微型飞机、微型卫星等未来微型武器的发展，以及这些武器平台和网络中的微电子系统和微机电系统（MEMS）的设计做出重要贡献。据报道，美国国防部目前正在研发各种用于战场侦察的微型无人机，例如美国DARPA投资的马丁公司研发的“MSI”无人机，总长152毫米，重量约85毫米。克。每次任务可飞行20至60分钟。又如，美国空军实验室提出了名为“技术卫星21”（-21）的示范计划，以验证网络卫星的可行性。它由40颗质量10至100公斤的微雷达卫星组成“虚拟卫星”。其地面分辨率可高达0.1m，可以解决移动目标的发现和捕获问题。美国DARPA也于2000年成功发射了一颗重245克的微型卫星。

目前，微米、纳米技术的快速发展，使得每个芯片上集成的元件数量迅速增加。虽然各个部件的功率很小，但由于集成度高，其承受的热流密度非常高，相当于再入飞机前缘再入时所经历的热流密度。 -进入大气层。由于芯片的可靠性对温度非常敏感，因此研究微尺度的气流和传热非常重要。微机电系统（Micro，MEMS）是一个新兴的技术领域。是指可批量生产并集成微型机构、微型传感器、微型执行器、信号处理、控制电路、接口、通信和电源的微型机械。 ，电子系统。当尺度缩小到微观尺度时，许多物理现象与大尺度下的物理现象有显着不同，并且可能会出现许多新现象。原因可以分为两类。一是连续介质的假设不再有效，二是各种力的相对重要性发生了变化。以机械现象为例，由于惯性力与尺度成反比，因此粘性力与尺度的平方成反比。因此，当缩小到微观尺度时，惯性力与粘性力的比值很小；由于面积与体积之比在微观尺度上增加，因此在大尺度上效果更大。小的表面张力可能在微观尺度上发挥重要作用。毫无疑问，微型空气动力学研究不仅是未来微型飞机和微型卫星设计的重要基础，而且还可以揭示许多昆虫的飞行原理。在微机构设计方面，近年来，国际上一些学者从研究昆虫的运动机制出发，试图寻找从仿生角度设计微机械机构的新途径。

（四）研究等离子体的运动规律，推动等离子体在武器中的广泛应用

提高军用飞机和导弹的隐身性能，可以大大增加其生存概率，从而提高其战斗力。为此，需要进一步减小其雷达反射面积（RCS）、红外信号特性和噪声，使其更难被防御系统探测和跟踪。如果采用隐身技术，雷达反射面积值将从0.05～0.1m2减少到0.005～0.01m2。由于被发现概率降低，突防能力提高，大大减少了拦截系统的拦截时间。如果导弹的RCS从0.1m2降低到0.001m2，对方探测器捕获跟踪目标的距离以及拦截系统拦截目标的反应时间可缩短80%以上。一项有前途的隐形技术是等离子隐身技术。任何物质只要被加热到足够高的温度都可以电离并成为等离子体。等离子体整体呈电中性，但具有良好的导电性。等离子体的一个重要指标是其频率特性。例如，如果普通气体中0.1%的气体被电离，则这种气体具有良好的等离子体特性。如果电离气体增加到1%，这样的等离子体将成为具有高电导率的理想导体。等离子体对电磁波的传播有很大的影响。在一定条件下，等离子体可以反射电磁波；在其他条件下，等离子体可以吸收电磁波。当磁场存在时，沿磁场方向在等离子体中传播的电磁波的偏振方向会发生旋转，导致雷达接收到的回波的偏振方向与反射的偏振方向不一致，造成偏振畸变。利用等离子隐身技术，可以在不改变飞机外形的情况下大幅降低飞机的RCS值，使得被发现的概率几乎为零。控制等离子体的能量、电离度、振荡频率等特征参数，使照射在等离子体云上的雷达波与等离子体的带电离子相互作用，并转移电磁波的部分能量到带电粒子。 ，被带电粒子吸收，自身能量逐渐衰减。另一部分电磁波受到一系列物理效应的影响，绕过等离子体或引起折射改变传播方向。因此，返回到雷达接收器的能量非常小，导致雷达难以探测到。以达到隐身目的。等离子体还可以通过改变反射信号的频率来实现隐身，导致敌方雷达测量到错误的飞机位置和速度数据。

事实上，等离子体在航空航天器上将会有更广泛的应用。可以预见，等离子体可以用于流量控制，减少阻力，增加飞机的稳定性。目前，国际社会也提出了利用等离子武器拦截导弹的设想。其工作原理是：将超高频电磁束聚焦在高空，焦点处的空气会发生高强度的电离反应，形成等离子体云。密度和电离度比大气电离层高1万至10万倍。飞行物体一旦撞上等离子云，无论是导弹、飞机还是陨石，其飞行环境都会被彻底破坏，偏离正常的飞行轨迹。它不像激光武器那样利用高强度能量直接燃烧目标。而是给目标放置“绊脚石”，导致目标在飞行过程中由于自身产生的惯性力而自毁。虽然导弹飞行速度很高，但等离子武器的光束以光速传输，因此可以在瞬间精确摧毁多个空袭目标，足以抵御太空或太空中飞机和导弹的威胁。在空气中。在推进系统方面，国际上已经提出了与等离子火箭和等离子加速冲压发动机相关的各种概念。该技术的关键在于如何改变和调节等离子体流量以获得最佳的推进效率。

3.充分利用高新技术成果改进空气动力学研究方法

为了研制出满足设计要求的高科技武器系统，必须成功地综合应用三种手段，即仿真与模拟（M&S）、地面试验和飞行试验。这些手段可以有效平衡，提供武器研究、开发、测试和评估（RDT&E）一体化。此外，RDT&E的集成是一个贯穿整个系统采购流程的过程，从概念引入到系统开发测试。这需要在开发测试中广泛使用模拟和仿真，以更有效地进行测试并预测新概念的飞行测试结果。同时，与实验技术相关的计算技术也必须得到发展。当然，模拟和仿真是地面和飞行测试的补充，而不是取代它们。仿真和仿真的进步主要取决于对物理和化学现象理解的突破以及计算机及其网络的有效速度和存储的提高。模拟和仿真的结果还必须用一定的实验数据来证实。模拟和仿真的优点是在观察现象时，可以分离出各种机制进行研究。它还可以以非侵入的方式获取流场数据。当地面设备能力不足时，可以使用较便宜的模拟和仿真来推断地面数据到飞行条件。然而，目前还无法证明仅通过模拟和仿真就可以完成飞机的设计。原因是它模拟过渡、湍流和有限速率化学反应的能力仍然不足。事实上，仿真和仿真结果的不确定性与地面测试设备的不确定性相当。地面测试设备在正确模拟飞行的能力方面也存在一定的局限性。特别是现有的装置不可能同时模拟高超声速飞行器的环境、规模和测试时间要求。因此必须使用不同类型设备的组合。由于计算和地面测试的限制，飞行测试对于降低开发新飞机的风险是必要的。传统的飞行试验是在产品开发的最后阶段，即原型机试飞时进行的，而新飞机飞行试验的目的是综合评估新概念并确认设计方法。这对于改善手段也大有帮助。新飞机只有在飞行试验中得到验证后才能开发。近年来，国外将这种方式称为“先进概念技术示范”（ACTD）。但飞行测试也有很大的局限性。使用它来构建一个综合数据库来验证计算流体动力学程序显然非常昂贵。在飞行中也很难进行精确的测量。基本上不可能对流场进行测量。对于新飞机，为了开发RDT＆E的综合方法，必须对上述三种方法进行良好的集成和协调，最终必须进行必要的飞行测试。

充分应用现代高科技的成就，尤其是现代信息技术的成就，并改善空气动力学的研究方法将对以上三种方法的整合非常有益。例如，网格技术，虚拟现实技术和人工智能技术的应用将大大促进计算空气动力学的发展，并提高空气动力学研究测试设备的测试效率，并促进计算和测试的整合。如今，随着互联网不断发展，我们注意到在与高性能计算有关的科学合作领域，另一个新事物正在出现 - 网格。它的出现将在传统的互联网（）和万维网（网络）之后引发第三波互联网，并将在军队中广泛使用。电网试图实现上所有资源的全面连接，将整个集成到一个巨大的超级计算机中，并实现计算资源，存储资源，通信资源，软件资源，信息资源和知识资源的全面共享。美国NASA正在建立信息能力网格（IPW），该网格为科学和技术人员提供了新的能力，以解决依赖大型分布式计算，数据，工具，测试设备和人力资源的问题。它在促进空气动力学计算和整合中发挥了重要作用。例如，NASA的中央4.2×6.6 MIA Sonic风隧道可以在测试过程中的测试部分中实时显示由CFD实时计算的流场图像。最后，使用现代数字技术来开发各种非侵入性流场测量技术，例如数字粒子图像速率计（DPIV）和各种激光速度测量技术，对于促进计算和实验的整合也非常重要。影响。

4. 结论

（1）以信息技术为代表的科学和技术的快速发展正在推动未来的战争并产生深刻的变化。这一变化还为空气动力学的创新发展带来了严重的挑战和新的机会。

（2）未来信息战的发展将为21世纪的空气动力学发展提供一系列创新的发展要求。通常，它是在各种速度范围，各种范围和各种状态中进一步揭示新的空气动力学定律，并提供创新的空气动力学布局，创新的引擎和创新的整合概念。

（3）为了将来在空气动力学领域进行创新和发展，应集中力量，并根据仔细总结国内和外国的经验以及课程，我们应该大力进行纪律创新，机构创新和管理创新，研究和提出基于国家条件的解决方案。开发策略，并根据我国家的条件整合模拟和仿真，地面测试和飞行测试。

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