大约15年前，“哥伦比亚号”航天飞机在重返大气层再入到60千米时与地面控制中心失去联系。紧接着，“哥伦比亚号”在得克萨斯州上空解体，7名宇航员全部遇难，整个航天飞机只留下超过8.4万块碎片。事后分析显示，“哥伦比亚号”因左翼防热瓦受损而解体失事，直接与高空高温严重的稀薄非平衡流动热环境影响相关联。这不是可回收类航天器第一次在返回大气层的过程中出现事故，当然，也不是最后一次。1967年，苏联“联盟一号”载人飞船开伞失败，航天员以身殉职；2008年，美国“猎户号”飞船回收系统空投测试，飞船模型发生翻滚坠毁。这些再入飞行器为什么一次又一次地出现事故？

原来，可回收类航天器（如飞船返回舱）从空间轨道返回地球表面着陆场的过程中，要以极高的速度先后经历在轨自由分子流，进入、下降段的稀薄过渡流，高空近连续滑移流，最后到达近地面连续流，这是一个跨流域、多尺度、非平衡的变化过程，所产生的跨流域复杂多尺度流动稀薄非平衡效应会导致由第一宇宙速度再入气动减速到着陆全速域的飞行环境、姿态配平、升阻比等气动热力学特性，甚至与地面模拟出现较大差异。以美国航天飞机为例，由地面风洞模拟得到的机身体襟翼配平角为7.5度，结果实际飞行试验结果为16度。飞船返回舱再入速度超过7千米/秒，再入飞行具有极高马赫数、低雷诺数特征，表面摩阻系数大幅度升高引发强粘性效应，导致返回舱气动特性发生显著变化；而高超声速飞行绕流会产生强烈的脱体激波，激波后的温度可达上万度，高温环境将导致气体分子发生结构上的变化，并会发生化学反应、非平衡热辐射，如振动激发、离解、电离等，导致通信中断等现象，出现“热障”和“黑障”。那么，如何才能对这类可回收类航天器再入飞行过程进行切实可行的轨道预报与飞行控制？

要解决这个问题，需要准确模拟航天器再入飞行过程跨越自由分子流到连续流全飞行流域各个不同高度与不同姿态的高超声速空气动力学特征。为此，在国家973计划等的支持下，由中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所牵头的973计划项目研发团队，完成了国家973计划“航天飞行器跨流域空气动力学与飞行控制关键基础问题研究”等项目课题任务，围绕我国回收类航天器（如飞船返回舱、月地高速返回器）再入地球大气层过程，建立以玻尔兹曼（Boltzmann）方程可计算建模气体动理论统一算法（GKUA）为创新发展主线、融合再入电离热化学非平衡直接模拟蒙特卡罗（DSMC）方法、N-S/DSMC耦合算法、经滑移边界修正的N-S方程解算器、低密度风洞试验测试技术、再入飞行气动力参数辨识多种空气动力学模拟手段，相互验证结合，项目核心—前沿基础研究验证建设平台，并研制返回舱（器）再入跨流域非平衡气动力热绕流与姿态配平模拟系统。

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首先，研究团队突破传统的流体模拟方法，转而以玻尔兹曼方程碰撞积分物理分析与GKUA为基础，建立了由稳定运行的千万亿、亿亿次超级并行计算机求解返回舱再入跨流域复杂高超声速气动力热绕流问题的可扩展大规模并行算法应用研究平台。实现了求解玻尔兹曼模型方程统一算法在飞船返回舱再入非平衡气动力/热绕流问题中的应用研究，对返回舱再入过程克努森数（Kn）100~2.5×10-5、马赫数（Ma）25~1.2跨流域气动问题进行了大规模并行计算，图1绘出GKUA计算返回舱再入高度H=80.9千米、Ma=12.7、Kn=0.0016、α=20°流场与不同子午面φ=0°、90°、180°的壁面压力分布，可看出相较于连续介质N-S方程解算器，两种方法得到的结果在迎风区吻合较好，而GKUA结果具有较高分辨率，特别是在稀薄效应严重的背风真空区，返回舱后端面压力逐渐降低到最小，证实所建立的求解热力学非平衡玻尔兹曼模型方程GKUA算法可用于计算航天器再入高超声速气动力、热绕流问题，具有较高的分辨率、可靠性与置信度；进一步使用GKUA计算巨大曲率过渡带的返回舱肩部拐点热流，发现其值高于DSMC结果达13%，突破了统一算法求解极高马赫数绕流问题的瓶颈，为进一步发展复杂高超声速非平衡绕流问题统一算法解算器，特别是近连续过渡流区气动力/热与姿态配平绕流问题研究奠定了坚实基础。

其次，研究团队着眼于量子效应间断模式的内能传输模型与适于复杂结构航天器再入气动力热绕流问题变时间步长的DSMC模型发展，建立了可靠求解飞船返回舱、月地高速返回器再入稀薄过渡区高超声速热化学电离非平衡效应流场直角与表面非结构混合网格自适应计算技术。对飞船返回舱再入250～100千米气动力/热特性进行DSMC模拟，结果与国际知名软件DS3V、DAC计算偏差0.5%~5%。构造了求解热化学离解、电离非平衡流N-S方程数值格式，提出了适于可回收类航天器热防护系统热解烧蚀和表面催化效应影响的近空间高温流场等离子体鞘套特性数值方法。发展了经滑移边界修正可靠模拟连续/近连续流区高超声速气动特性滑移N-S方程计算模型与基于非结构网格的全矩阵无数据依赖DPLUR隐格式N-S方程大规模并行算法。研究团队还采用MPC耦合方法与适于流场分区信息交换的亚松弛技术，建立了返回舱再入近连续过渡区高超声速非平衡绕流N-S/DSMC耦合算法MPI并行计算平台。

飞船返回舱一般采用横偏质心位置的方法来提供再入配平攻角和实现飞行轨迹机动控制所需的配平升阻比，准确预测配平攻角随再入高度的变化对控制系统及返回舱落点精度极为重要。高超声速低密度风洞是研究返回舱再入稀薄空气动力特性的一种关键而有效的地面试验设备。研究团队通过设计返回舱再入高温流场下高精度低升阻比测力天平，将天平测量元件进行对称布局，减小热结构变形对天平测量的干扰影响，在天平元件初步结构确定后，采取有限元方法对天平结构进行静力分析与关键参数调整，以获得综合性能较优的天平结构；建立返回舱大钝头模型稀薄过渡流区气动力特性测试技术与试验方法，研制适于高超声速低密度风洞返回舱模型测力试验的装置，建立稀薄流气动力特性地面试验预测手段，有效提高了稀薄流气动力特性的地面预测精准度。通过返回舱外形物面坐标与红外热图像素对应关系验证，发展了返回舱模型热图三维重建方法与基于纳米粒子的激光散射、辉光放电、双光程纹影等流场诊断技术，提出红外反射光路方法，对返回舱驻点区热流进行测量，发展了适于返回舱再入的跨流域测力、测热试验技术，为解决飞船返回舱与载人登月工程再入过程稀薄气动力关键问题奠定了坚实基础。与此同时，研究团队通过开展适于航天器再入气动力参数可辨识性分析方法、气动力辨识不确定度分析方法、飞行试验主动激励设计方法研究，提出了灵敏度分析和信息矩阵可逆性分析相结合的可辨识分析法，构建了返回舱（器）再入飞行试验气动力参数辨识技术与再入气动力/热分析与数据评估应用研究框架。另一方面，研究团队基于温度参数的热层密度修正方法，实现了航天器全参数再入轨道控制，建立了设计参数与目标参数匹配、局部微分修正再入速度矢量控制及整体微分修正的迭代求解方法，解决了再入点返回预定落点难题，获得了着陆场与运行轨道间的匹配性。

为进一步集成跨流域空气动力学模拟研究，解决国家需求与工程应用，研究团队构建了玻尔兹曼模型方程统一算法、DSMC、N-S/DSMC、滑移N-S解算器、低密度风洞试验测试等多种空气动力学模拟手段相互验证结合的返回舱再入从外层空间自由分子流到近地面连续流跨流域空气动力学一体化模拟平台。以此为基础，建立跨流域气动力、气动热、弹道联合计算分析机制与数据库、图书馆式基础研究结果共享系统，研制了返回舱（器）从高稀薄自由分子流到近地面连续流全飞行流域沿弹道再入姿态配平绕流一体化仿真与可视化软件系统。图2为飞船返回舱再入跨流域气动模拟软件系统主界面实时计算操作台与利用该平台计算得到的返回舱再入120～70千米流场压力分布。

研究团队首次将该平台应用于月地高速再入V∞=10.68千米/秒、H=90～70千米返回器、飞船返回舱再入V∞=7.535千米/秒稀薄非平衡电离模拟，发现该返回器通信黑障发生高度在85千米左右，与飞行观测到的通信黑障发生高度为83.5～86.3千米相一致，证实上述国家973计划项目核心方向一前沿基础研究验证建设平台用于模拟返回舱（器）计算结果的准确性，模拟结果证实以第二宇宙速度再入的探月返回器的通信中断发生在稀薄流动区域，高度较以第一宇宙速度再入的返回舱发生通信中断在滑移流区高度提前5~10千米，图3绘出探月返回器与飞船返回舱分别以攻角20°再入90~80千米流场的电离度与电子数密度分布。

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整体而言，研究团队创新性地设计提出了一系列前沿基础研究从建模到算法程序、软件系统执行功能，并且研究结果在国际航空航天领域顶级杂志《航空航天科学进展》（ProgressinAerospaceSciences）和《计算物理期刊》（JournalofComputationalPhysics）等发表，有望为航天器再入过程提供切实可行的气动融合轨道预报与飞行控制，保障再入飞行安全，将对未来探月返回器、深空探测进/再入飞行器设计产生重要指导作用。对于研究团队所取得成果的意义，借用业界同行的评价最为中肯：“提出一种求解玻尔兹曼模型方程气体动理论统一算法，应用于三维全局克努森数、高马赫数绕流，非常及时地引起世界航天领域对这项较富吸引力、有重大意义的研究产生浓厚的兴趣……；一个特别有趣的多尺度建模主题研究被提出……是航天再入空气动力学领域的原创性工作……；取得了令人印象深刻、极具价值的研究结果，属世界高水平工作。”

致谢：感谢国家973计划项目“航天飞行器跨流域空气动力学与飞行控制关键基础问题研究”（项目编号：2014CB744100）、国家杰出青年科学基金项目“跨流域空气动力学研究”（项目编号：11325212）、国家自然科学基金重大研究计划集成项目（项目编号：91530319）的支持。

本文刊登于IEEESpectrum中文版《科技纵览》2018年8月刊。

作者：李志辉、梁杰

（李志辉，中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所研究员，国家973计划项目首席科学家、国家杰出青年科学基金获得者、英国皇家工程院杰出访问研究员；梁杰，中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所研究员，课题二负责人、项目核心一副组长）