“过于先进，不便展示”的中国航天技术是怎么炼成的？

2021年7月，由中国航天科技集团研制的亚轨道重复使用演示验证项目运载器首飞成功。

发展重复使用天地往返航天运输技术是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志，难怪权威媒体“中国军工”发布消息称：“过于先进 不便展示”。

这样的好消息让我们很振奋，但同时也让我们很好奇，过于先进的技术当然是不方便展示的，但如此先进的技术是怎么炼成的可否透露一二呢？

请允许军哥以管中窥豹之法，让大家在部分技术领域见得一斑。

先说说什么是重复使用天地往返航天运输技术吧
。

通俗地说，它就是将传统的运载火箭与飞机功能“合二为一”，让飞行器可以多次往返于太空与地面之间、执行航天运输和空间试验等任务的技术。

想要研制这款既能在大气层内飞，又能在太空飞的飞行器十分困难，因为两个环境下的飞行器设计原理完全不同，而重复使用天地往返飞行器要实现跨界融合，同时具备在大气层内和太空这两个不同空域的飞行能力，就需要在动力和气动外形等方面大下功夫。

一

1903年美国的莱特兄弟驾驶人类第一架飞机完成了第一次航程，这次飞行距离不足30米，时间仅为12秒的空中旅行，被誉为开辟了人类航空航天的新纪元。

然而很少有人知道，为了这辉煌的瞬间，兄弟俩曾在一个特殊的装置中，对他们的飞机进行过无数次的模拟飞行试验，后来这个装置被人们叫做“风洞”。

风洞试验可以说是各种飞行器得以诞生的必经之路，它是基于物体的相对运动原理，也就是让飞行器模型处在静止的条件下，依靠人工产生的气流来模拟实际飞行过程。

在这个过程中，科研人员搜集气流对模型作用的数据，为飞行器的设计选型以及改进等提供空气动力学的理论依据。

飞行器能在空中飞行，其中蕴含着很多秘密，风洞试验就是解开飞行秘密的第一步，能帮助科研人员解决空气动力学的问题。

在诸多设计中，气动弹性问题又最为重要。

那么什么是气动弹性呢？

我们知道，物体在运动中受到气流的作用力之后，都会发生一定程度的弹性变形。

飞行器在空气中飞行的过程中间，受到气动力的作用，它的一些结构、翼面、舵面会产生这种弹性变形，弹性变形会导致气动力发生改变，改变了以后会产生附加的变形，如果要是结构设计得不好，它这种变形会越来越大，放大直到结构破坏，这就是静气动弹性问题。

经过多年的努力，静气动弹性问题已经得到了解决。

我们现代的飞行器遇到的这种气动弹性问题更多的是动气动弹性问题，这里面比较典型的就是结构的颤振问题，还有就是飞机上有一种叫“啸叫”的问题，还有导弹或者飞机在空气中飞行的时候会遇到一些阵风突风的影响。

气动弹性问题在自然界中无处不在，飞机遇到阵风干扰时会发生气动弹性变形，引起剧烈颠簸或者操控问题。大桥由于设计结构的问题，也会导致气动弹性问题，情况严重的，还会引发不可想象的后果。如2020年5月广东虎门大桥产生的“涡振”。

设计师在进行飞机、汽车、高速列车、大型桥梁、风力机叶片、大型建筑物的设计时都需要关注气动弹性的影响。

上世纪六十年代，法国的一款飞机战斗机在研究过程中，因为气动弹性产生了颤振，导致了飞机在试飞过程中坠毁。

国内国外的很多导弹飞机的设计验证的过程中间都出现过因为气动弹性问题产生的颤振，飞机因为阵风问题，在高空或者在起飞降落的过程中间，也导致过灾难性的结果，所以这个问题是非常突出的。然后也是我们航空航天领域必须要解决的问题。

二

航空航天领域的飞行器飞行速度高，面临的气动弹性问题尤为突出。

这个问题该如何解决呢？

按照传统方法，解决颤振主要是通过增大结构刚度的方式来实现，也就是制造飞机翼的材料更坚固。比如一块石头和一张纸在空中飘飞，坚硬的石头肯定比纸张抗风。

可是让飞行器飞得更远装载更多，减轻重量是飞行器设计的一个宗旨，也是设计师们为之奋斗的目标。

采用新型的复合材料并从结构设计方面推陈出新，都是设计师们所能想到的办法，但是飞行器的重量和气动弹性问题是一对矛盾，为了解决气动弹性，而增加飞行器的刚度，又引起了重量的问题，更何况即使采用当前最先进的复合材料，把它的力学性能再提升一倍，也无法消除颤振的影响。

那么我们还有么有更新的方法，来解决气动弹性问题呢？

经过几十年科研实践的积累，中国的航天飞行设计师们在过去传统方法的基础上找到了一条新的途径，来解决飞行器的气动弹性问题，这就是主动控制技术。

这项技术在飞行器设计的时候不但不回避弹性变形的问题，而且还会主动利用飞行器弹性变形达到特殊情况下提升性能的目的，这就是“主动控制”所含之意。

在传统的设计中，为了抵抗大风干扰，必须把飞行器设计得足够刚硬，尽量减小它的变形。但是这种设计方式在没有极端情况的时候就显得有些浪费，而利用主动控制技术，思路就变了。

设计师不用考虑极端情况，按照没有风或者风很小的情况去设计飞机，这样飞机的重量就可以减轻很多。

这是一个比较新的解决方向，就是在面临气动弹性问题的时候不是单纯地靠结构支撑的改进提升它的刚度强度，来提升它的颤振边界，而是利用我们现在的传感器的技术，现代的控制技术，来抑制它的颤振，能够有效提升它的颤振边界，提高它的安全性可靠性。对飞机来说，它还能有效提升乘客的舒适性。

如果按照这种思路，飞机在遇到极端大风的情况时，安全性又如何保障呢？

主动控制的技术是在有风的情况下，通过传感器测量气流作用在飞机上的方向和形态，并通过主动控制系统让飞机上的舵面发生主动偏转变形，以和阵风作用相反的方向和频率扇动舵面，让飞机产生与阵风作用相反的运动和力，这样一来，外界的风干扰力和主动控制变形控制力就相互抵消了，飞机就会减缓附加运动，从而实现在有风的情况下保障飞机的安全和舒适性。

这一项技术先是通过了风洞试验，在2019年3月，一架翼展3米5的柔性飞机在飞行中的试验验证，有效地通过了实战验证，主动控制的技术可以把气动弹性产生的附加的扰动和附加的气动载荷降低百分之二十以上。

通过气动弹性主动控制技术的研究，可以推动我国飞行器设计技术的升级。

在不增加飞机重量的情况下，有效解决飞行器高速飞行状态下的弹性变形问题，今后再结合柔性结构，智能材料，人工智能技术的发展，气动弹性主动控制技术也为未来的无人机、大型运输机、大型客机的减重增稳设计提供了更好的解决方案。

气动弹性主动控制技术是国内外飞行器设计领域的研究热点，目前航空航天系统的很多研究单位都在进行气动弹性主动控制技术的研究。

国外从1980年就开始持续推进多期研究计划，而如今已取得“过于先进，不便展示”优势的我们其实比国外要晚，再加上中国原本的工业科技底子薄，我们今天不便展示的先进技术只有“天”知道我们的航天科研人员付出了多少的艰辛和汗水。