努力掌控航天技術的跨流域空氣動力學

2021-01-15 和訊科技

  6月13日,第九屆光華工程科技獎頒獎大會在京舉行,中國空氣動力研究與發展中心超高速空氣動力研究所、國家計算流體力學實驗室研究員、博士生導師李志輝潛心研究跨流域空氣動力學,在飛行器往返大氣層稀薄流到連續流跨流域高超聲速氣動力/熱關鍵技術問題方面取得系列創造性成果,為載人航天工程領域多類飛行器氣動研製作出顯著應用成效和社會效益,榮獲光華工程科技獎「青年獎」。李志輝作為跨流域空氣動力學計算與應用研究領域的獲獎者感言,獲得光華工程科技獎是團隊集體榮譽,是默默無聞勤懇工作氣動人的光榮,更是對高超聲速稀薄氣體力學理論分析與計算空氣動力學應用研究工作的支持和肯定。

  李志輝1991年國防科技大學航天技術系空氣動力學專業畢業,參加工作以來一直從事高超聲速稀薄氣體動力學與計算流體力學理論基礎與應用研究工作。作為項目負責人,曾主持承擔國家自然科學基金、重大研究計劃培育與重點支持項目、中國博士後基金、科研創新基金、國家載人航天工程及九五、十五、十一五、十二五課題等三十餘項。伴隨著載人航天工程研製發展歷程,20年如一日勤奮耕耘飛船返回艙初期方案選型及飛行器初樣設計高超聲速氣動、太空飛行器再入飛行稀薄過渡流區高溫熱化學非平衡氣動特徵準確模擬、火箭與衛星高空羽流空間汙染理論建模與數值模擬、控制並減輕發動機燃燒產物羽流對火箭與衛星汙染的途徑方法、稀薄氣體自由分子流到連續流跨流域空氣動力學理論與數值模擬等科研方向的研究。

  李志輝通過分析研究稀薄氣體當地化橋函數理論及運行的大型高超聲速低密度風洞試驗數據,繼承並發展了適於高、低不同馬赫數通用、高效的高超聲速再入稀薄氣動力特性當地化快速算法與軟體,為「神舟」飛船返回艙最初立項及多類機動飛行器的預測分析、計算評估,以及工程應用與型號研製起到了重要推動作用;自1992年以來,圍繞DSMC方法在太空飛行器繞流、過渡區非平衡流應用研究,建立了含內能激發混合氣體激波結構及太空飛行器再入稀薄過渡流區氣動特徵DSMC仿真軟體,為飛船返回艙等再入飛行稀薄流區氣動力、熱特性計算研究,「神舟」飛船初樣、正樣選型氣動設計提供了重要的理論設計依據和技術支撐,為我國載人航天工程做出了重要貢獻。

  李志輝帶領課題組致力於火箭、衛星高空羽流空間汙染理論建模與數值模擬,建立了可靠模擬太空飛行器姿控發動機與反推火箭發動機內外多流區氣固兩相多組分燃氣混合物羽流汙染流場N-S/DSMC分區耦合算法及其對太空飛行器星箭分離、在軌衛星與太陽電池翼侵蝕汙染應用研究平臺,編制了工程實用、具有較高準確度和魯棒性的計算軟體,研究成果直接用於高真空環境「東方紅」在軌衛星太陽電池翼羽流汙染防護設計。通過對安裝於運載火箭不同位置、不同安裝角的反推火箭發動機氣固兩相多組分混合物羽流場計算研究,提出控制並減輕發動機燃燒產物羽流對火箭、衛星汙染的途徑、方法,為我國運載火箭星箭分離空間環境工程研製提供了重要設計依據與預測評估方法。

  如何發展跨越連續流到近連續滑移流、稀薄過渡流以至自由分子流各流域空氣動力學特徵數值模擬方法、手段,是國內外學術界與工程應用部門廣泛關注而一直未能解決的流體力學前沿課題。李志輝為了滿足我國載人航天工程研製發展急需,不畏艱難困苦,潛心從事自由分子流到連續流跨流域空氣動力學理論與數值模擬研究工作,並得到我國著名空氣動力學專家張涵信院士扶持幫助。他通過探索描述各流域微觀分子輸運現象的Boltzmann(玻爾茲曼)模型方程數值計算研究,創建了從稀薄氣體自由分子流到連續流的統一算法理論與系列計算技術,率先在國際上提出求解複雜飛行器跨流域高超聲速繞流問題氣體運動論統一算法與大規模並行計算應用研究方向,建立模擬微槽道流Boltzmann模型方程數值計算方法,推動新型流體力學計算技術在航天飛行器、MEMS微尺度流動與傳熱應用發展。系列成果分別於2003年、2004年、2006年三次被中國空氣動力學會選為創新性研究成果,編入《空氣動力學學科發展藍皮書》。系列學術論文先後發表在Journal of Computational Physics等國際專業刊物上,在國內外發表學術論文100餘篇,SCI收錄16篇,EI收錄22篇,CSTPCD收錄19篇,Google學術索引達170多次。建立了可穩定運行於千萬億次超級巨型計算機求解Boltzmann模型方程的可擴展大規模並行計算軟體應用研究平臺,首次將統一算法成功用於我國「神舟」飛船返回艙稀薄過渡流區飛行繞流大規模並行計算,解決傳統計算方法難以解決的太空飛行器再入飛行姿態配平問題。通過將統一算法應用於大尺度複雜機動飛行器跨流區50km—100km高超聲速氣動熱環境並行計算研究,首次計算發現大尺度複雜高超聲速飛行器跨流域物面繞流與熱流變化規律,對飛行器工程系統設計起到了重要理論指導與技術支撐關鍵作用。

  李志輝是研究所稀薄氣體動力學學科帶頭人,他將長期的一線學術基礎研究與航天研製需求應用結合,培養了較強的課題組織實施攻關能力,也培養了一支近空間飛行環境下跨流域空氣動力學問題模擬研究團隊。部分項目科研成果先後獲國家部委級科技進步成果獎5項、優秀學術論文獎6次,作為主要成員參加「航空航天複雜流動機理及其數值模擬研究群體」,先後獲部委級首屆科技創新群體獎和全國專業技術人才先進集體。(魏傑)

(責任編輯: HN666)

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