作为一种面向临近空间的新型飞行器，空天飞行器具备常规跑道水平起降、长时间高速巡航飞行、可重复使用等显著优势，能够大幅提升空间运载能力。
因此，空天飞行器的设计，逐步成为全球广泛关注的技术焦点之一。
然而，也正是因为上述独特优势，让空天飞行器在开展设计，尤其是总体气动设计时，面临着不同于传统飞行器的挑战。
例如，传统飞行器总体气动设计通常只需要在较小速域或空域下满足设计指标，但空天飞行器需要在低空、高空和临近空间等更大空域，以及低速起降和高速巡航等更大速域下，均保持较佳的气动性能。
这就要求对后者的气动设计必须更加全面、复杂，以保证空天飞行器在各种飞行条件下都能达到最佳性能。
西北工业大学屈峰教授致力于空天飞行器总体气动设计的系统性研究，涵盖航空航天飞行器总体气动设计、空气动力学和计算流体力学等研究领域。
凭借突破了新型多维宽速域通量求解技术和离散伴随宽速域整机气动优化技术，填补了业界缺乏高速空天飞行器整机气动优化设计方法的空白，屈峰成为 2023 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
突破新型多维宽速域通量求解技术，提升空天飞行器多维宽速域复杂流动数值模拟置信度
当空天飞行器在临近空间飞行时，会受到复杂的气流干扰。这种多维宽速域的复杂流动，和单一速域的流动问题不同，通常具有各维度间相互干扰、高低速流动并存的特征。
而目前广泛使用的传统数值模拟方法，一般采用维度分裂假设，但这会在一定程度上忽略各个维度间的干扰。
针对这一问题，屈峰及其团队从通量求解方法切入，充分考虑沿各个维度传播的气流之间的干扰，并通过一系列坐标变换和相似变换，实现多维曲线坐标系下数值通量的高效求解，最终构造了一种新型多维通量求解方法。
此外，由于用来描述气流运动的方程在不同速域下数学特性不同，该课题组通过开展渐近性分析和线性小扰动分析，提出了一种新型宽速域求解方法。
将该方法与上述新型多维通量求解方法相结合，屈峰教授实现了新型多维宽速域通量求解方法，成功地改善了多维宽速域复杂流动的数值模拟置信度。
对于空天飞行器设计来说，这种方法可以提高设计过程中数值模拟的置信度，帮助设计人员更准确地掌握飞行器的气动规律，以便更好地分析各部件之间的相互干扰特性，从而提高设计效率，缩短设计周期。
值得一提的是，由于空天飞行器设计涉及到力学和数学的高度交叉，因此在该研究开展的过程中，该团队不仅调研了大量与空气动力学专业和数学专业相关的文献，还积极地与多位飞行器设计专家进行交流。而这也是该成果得以实现的一个重要原因。
谈到和同行交流过程中获得的体会，屈峰表示：“能够极大地开拓视野，拓宽自己的研究思路，从而给研究的突破带来非常大的支撑作用。”
构造离散伴随整机气动优化技术，为业界填补相关空白
空天飞行器运输能力的提升离不开高升阻比，而飞行空域、速域宽广又需要良好的宽速域性能。
在此背景下，设计同时兼顾高低速性能的宽速域气动外形，是发展宽速域空天飞行器的先决条件。
对此，屈峰与合作者构造了基于离散伴随的空天飞行器大变量整机气动优化设计方法。
该方法使国内业界实用工程优化设计从百级变量提升到万级变量，优化效率提升至少 2 个量级，填补了业界缺乏工程实用的飞行器宽速域大变量整机高效高精度气动优化设计技术的空白。
据他介绍，在历时数年的研究过程中，课题组总共经历了以下几个主要阶段。
首先，课题设定。通过大量调研，识别出空天飞行器在气动优化设计中存在的瓶颈和挑战，进而确定研究的目标和方向。
其次，构建理论基础和模型。开始构建新的通量耗散控制模型，力求覆盖从低速到高速的广泛速域。这包括计算流体力学理论的扩展和创新，以及计算工具的开发和建立。
再次，发展离散伴随方法。在现有伴随方法的基础上，开发出适应空天飞行器特殊需求的离散伴随方法。该过程需要不断优化算法，来提升计算的精准度和鲁棒性。
接着，数值仿真及验证。利用离散伴随方法对空天飞行器开展多次数值仿真，验证其在不同工作条件下的适用性和稳定性，这需要大量的计算资源和持续的参数调试。
最后，整机优化设计。应用所开发的方法，对具体的空天飞行器进行整机气动优化设计，确保其在宽速域范围内具有优良的气动性能。同时，根据优化结果不断改进优化算法和模型。
“无论是从数学基础、编程能力，还是从对物理概念的掌握程度来说，该研究对于我们团队都有着非常高的要求。因此，我们在开展研究的过程中，必须不停地弥补自己的知识空白，并不断地提升相关能力。”屈峰表示。
同时，他也指出，这中间也遇到了很多挫折。比如，仅仅是解决一个很小的程序错误，就需要花费很大的人力物力；一个公式推导不出来，也要没日没夜地折腾很久。
有很多个深夜，屈峰都埋头在程序调试的工作中。但不知有多少次，他眼前的代码在运行后总是提示错误。
“某一天，眼看时间已经逼近凌晨三点，我却依然没有头绪。这个时候，我决定去校园里散散步。没曾想，听着耳边的一些风吹草动，我突然灵感闪现，随即便和疯了似的冲回实验室调整参数。当代码最终成功运行，我的心情也豁然开朗。”屈峰说。
理论与需求相结合，更好地推动中国航空航天技术发展
据了解，屈峰自小成长于一个重视教育的家庭，父母竭尽所能为其提供了良好的学习环境和资源。
回顾漫长的求学生涯，屈峰表示，自己始终保持着对知识的渴望和探索精神。
博士毕业后，屈峰来到中国空间技术研究院载人航天总体部工作，参与中国载人飞船的总体气动设计。
“在此期间，我积累了比较丰富的设计和实践经验。这些经验使我意识到，必须以产业界的重大需求为牵引，通过理论研究攻坚克难，才能更好地推动航空航天技术的发展。”他表示。
也正是基于这一原因，他决定从产业界进入学术界，并于 2018 年加入西北工业大学。他希望通过在理论层面的深入探索与技术层面的大胆创新，进一步推动这个领域的发展和进步。
在屈峰看来，作为一名科研工作者，不仅应该重视自己的研究在学术方面取得的突破，更要注重其在实际应用中的价值。
而对于科研和应用这两个方面，他也认为自己已经找到了平衡。
“一方面，我重视基础研究和技术创新，努力在学术前沿取得突破。另一方面，我也注重研究成果的实际应用和产业化，通过技术转化促进社会和经济发展。我希望通过科研与应用的结合，将先进技术快速转化为实际项目，为国家和社会带来实际效益。”屈峰说。
据了解，目前他所在的团队，已经与多家航空航天单位展开合作，将高精度数值模拟技术和宽速域气动优化设计方法，应用于新型飞行器气动设计和优化中。
另外，他个人也对宽速域空天飞行器、无人机系统、AI 技术等新兴领域的应用场景非常感兴趣，表示这些领域在未来将有巨大的发展潜力和市场需求。
例如，在全球面临突发公共卫生事件（如大规模传染疾病爆发）时，宽速域空天飞行器可以基于高速的飞行能力和便捷的使用场景，在数小时内实现对医疗物资的全球运输或天地往返。
面向未来，屈峰计划进一步发展功能更为强大的飞行器多学科设计及优化方法，开发更加高效鲁棒的气动、结构、性能、控制等多学科优化设计平台，并实现其在未来先进飞行器设计中的应用，从而为航空航天技术的发展贡献力量。
参考资料：
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