罗长童, 胡宗民,2,*, 刘云峰,2, 姜宗林,2

(1.中国科学院力学研究所 高温气体动力学国家重点实验室, 北京 100190; 2.中国科学院大学工程科学学院 宇航工程科学系, 北京 100049)

0 引 言

高超声速飞行器是世界各国航空航天领域的研究热点，与航空航天工业和经济发展密切相关。既要“飞得动”还要“烧不坏”，气动力/热是新型高超声速飞行器设计与飞行试验规划必须考虑的两大关键要素，对飞行器的气动布局、飞行控制、热防护系统、一体化结构设计和功能模块配置等方面都具有重要指导意义。

然而，从亚声速到超声速、再到高超声速，随着飞行速度的量变，飞行器外部的流动介质发生了质变，表现出非线性、非平衡和多尺度的流动特征[1]，给气动力/热特性的预测带来了极大的挑战。事实上，高超声速飞行器头部的强激波和流动黏性阻滞产生的高温导致了空气分子的振动激发、解离甚至电离，使得普通空气变成一种不断进行着热化学反应的复杂介质。介质微观微团的化学物理变化通过改变介质热力学及输运特性，实现能量转移，对宏观运动状态产生重要影响，即高温真实气体效应。在低雷诺数、高马赫数情况下，边界层与外部极度压缩的无黏气流之间产生强烈的耦合作用，即黏性干扰效应。热化学反应进程与流体运动时间尺度不匹配，导致缩尺模型热流分布与全尺寸模型存在显著差异，即尺度效应。高温真实气体效应、黏性干扰效应和尺度效应等共同作用，突破了实验气体动力学流动相似模拟准则，使得高超声速流动现象超出了经典气体动力学理论能够准确预测的范围，成为现代气体动力学研究的前沿学科问题之一。……