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关于发布多物理场高效飞行科学基础与调控机理重大研究计划2023年度项目指南的通告
2023-08-01 国家自然科学基金委员会

国科金发计〔2023〕58号

  国家自然科学基金委员会现发布多物理场高效飞行科学基础与调控机理重大研究计划2023年度项目指南,请申请人及依托单位按项目指南所述要求和注意事项申请。

  国家自然科学基金委员会

  2023年7月31日

多物理场高效飞行科学基础与调控机理重大研究计划2023年度项目指南

  “多物理场高效飞行科学基础与调控机理”重大研究计划面向一小时左右全球抵达高速民航和航班化天地往返运输国家重大需求,聚焦多物理场*高效飞行重大基础问题,通过飞行器构型连续变化,结合主动流动调控与智能控制实现飞行器跨大空域、宽速域、可重复的高效智能飞行,为航天运输系统创新发展提供理论基础与技术支撑。

一、科学目标

  瞄准中国航天运输系统国家重大需求,提出跨域高效智能飞行新思路,面向跨域、变构、可重复飞行关键特征,建立非定常空气动力学模型,发展多物理参数实时感知与智能控制理论,突破主动热防护、变构型机构-结构设计、主动流动控制和电磁力热环境模拟与科学实验等关键技术,取得一批多物理场高效飞行原创性成果,牵引学科深度融合与创新发展,革新面向航天巨系统的智能系统工程范式,为我国未来航天运输系统提供关键理论、方法、技术和人才队伍储备,促进中国航天运输系统发展规划的顺利实施。

二、核心科学问题

  本重大研究计划围绕以下三个核心科学问题开展研究:

  (一)变构型材料与机构的多物理场耦合机理。

  揭示柔性材料-变形机构在复杂约束下热防护、变形机构与结构、刚柔耦合等机理,建立结构健康监测、耐久性与损伤容限评价新方法,满足对飞行器变构材料与机构的极限需求。

  (二)跨域非稳态流动模型及调控机制。

  研究复杂时变边界条件下飞行器流动与飞行变形的相互作用机制,发展主动流动调控手段,实现气动特性精确预示和高效降热减阻.

  (三)变构与飞行的一体化智能控制。

  揭示强不确定环境下飞行动力学耦合控制机理,突破跨域无缝自主导航及环境-任务自匹配的在线自主规划决策等关键技术,构建变构型与飞行器的一体化智能控制方法。

三、2023年度资助的研究方向

(一)培育项目。

  围绕上述科学问题,以总体科学目标为牵引,拟资助一批探索性强、选题新颖、前期研究基础较好的培育项目,研究方向如下(申报项目须覆盖以下单一方向中列出的部分或全部内容):

  1. 多物理场高效飞行变构热防护材料设计理论与方法。

  探索多物理场高效飞行变构热防护材料设计理论与方法。研究可拉伸超亲水耐高温柔性新概念防热材料设计理论与方法;发展高温热端部件成型工艺设计新方法;发展高温氧化环境柔性热流传感器件设计与制备方法;探索高温热防护材料损伤在线自感知新原理新方法。

  2. 飞行器变构型机构与结构设计原理与方法。

  探索多稳态、大承载、快响应变构型机构设计新原理与新方法。发展变构型高功重比驱动与高效传动新方法;研究柔性热防护结构柔顺大变形与承载机理,揭示多维度变形机构与柔性热防护结构运动与传载协调匹配机制;探索超高速强冲击着陆条件下轮胎结构设计新原理新方法。

  3. 跨域变构飞行非定常空气动力学理论与方法。

  探索跨域变构高速飞行器跨流域转捩与湍流理论与方法。建立连续变构、表面溢气等非定常过程的高速非连续介质湍流与转捩理论模型;研究高质量、强鲁棒动网格技术,发展跨流域非稳态边界湍流与转捩高精度时空一致计算方法。

  4. 多物理场环境下跨域变构飞行主动流动调控理论与方法。

  探索跨域变构飞行非定常条件下自适应智能流动调控新原理与新方法。研究跨域变构飞行器边界层失稳、转捩、流动分离的主动流动调控方法与策略;探索跨域变构飞行器高效低功耗降热减阻新机制;研究高速非定常流动试验与测试新方法。

  5. 多维连续大变构智能飞行控制理论与方法。

  发展跨域长航时卫星拒止环境下仿生无缝自主导航方法;研究返回过程推进剂非线性运动机理和建模方法;发展基于离散事件系统的飞行器变结构决策、故障诊断与监督控制方法;研究任务与模型强不确定下控制与变构策略的在线自主学习与演进。

  6. 多物理场高效飞行信息感知、信道模型与地面模拟测量方法。

  探索地面模拟装置等离子体流场包覆变形结构的力热电磁参数高精度三维测量方法;建立跨域飞行综合信道建模与在线预示方法;研究跨域变构飞行器异构协同测控网络资源感知与可靠通信技术。

  7. 小样本条件下的跨域变构飞行器模型保精度近似表征方法研究。

  揭示小样本条件下跨域变构飞行器系统性能保真快速预示机理。研究跨域飞行器组合变构形设计空间低损降维机制;发展虚拟样本迁移扩容与动力学内嵌的分层近似表征方法,突破包括变形机构的近似模型修正技术;探索面向复杂航天飞行器设计的智能系统工程学概念、内涵与基本方法。

(二)重点支持项目。

  围绕核心科学问题,以总体科学目标为牵引,拟资助一批前期研究成果积累较好、处于当前前沿热点、对总体科学目标有较大贡献的重点支持项目,研究方向如下(申报项目须覆盖以下单一方向中列出的全部内容):

  1. 跨域飞行器可重复使用轻质高效热结构材料健康在线感知与动态预测方法。

  面向跨域变构飞行器1600℃可重复使用热防护材料力热响应高精度在线感知(关键性能预测误差小于10%)与寿命预测需求,揭示可重复使用热防护材料长期服役中性能演变规律与机理,提出热防护材料性能多因素损伤累积理论与模型,构建极端热环境下热防护材料热/力学性能原位感知方法,发展热力耦合环境下数据-模型融合的剩余寿命动态传感预测地面试验方法,形成轻质高效热结构材料的可重复使用性能感知、评价与预测理论,并完成典型样件与环境状态的风洞试验演示验证。

  2. 跨域连续变构飞行器流固耦合模型与计算方法。

  针对宽速域(0-25Ma)、大空域(0-100km)变构飞行器通过柔性蒙皮机翼分布式多维连续变形适应飞行热力环境和塑造流动环境重大需求,研究适用于跨域高速飞行连续变构的新型强鲁棒紧致气体动理学浸入边界流固耦合算法,突破跨域连续变构飞行器流体-蒙皮-驱动刚柔耦合多体系统大变形可压缩流固耦合数值模拟技术,建立宽速域大空域变构飞行器非定常流场与流固耦合机器学习模型,发展跨域变构飞行器主动变形过程气动力热特性与气动伺服弹性响应高精度预示方法,揭示柔性蒙皮机翼多维连续变形过程非定常流动演化机理、流固耦合效应及其调控机制。

  3. 跨域变构飞行的模态轨迹在线一体规划与自学习控制。

  针对跨域(5-25Ma速域,30-100km空域)变构飞行面临的动力学高维异构、构型\轨迹\控制三者相互制约、任务多约束多目标的特点,探索基于参数化建模与数据驱动的“构型-空域-速域”高维空间聚类方法,建立面向控制的典型跨域动力学模态库,构建模态决策、轨迹优化与控制一体化的组合连续混合整数分层在线求解框架,解决多维稀疏约束与多尺度复合目标下的强化学习模态决策问题,揭示强收敛性凸优化实时轨迹规划对跨模态动力学的自适应机制,突破跨域大包络变构飞行的自学习频域/时域混合预测控制关键技术,实现在线决策制导控制一体化设计。

  4. 知识资源图谱驱动的跨域变构力热预示模型学习与不确定性分析。

  研究跨域飞行器变构飞行过程的力热效应高效预示模型学习方法,基于仿真、试验数据和物理机理等知识资源图谱,探索形态变构与环境的耦合效应模型机器学习发现、参数反演与模型校正方法,突破基于多类多层模型纵向复合和横向集成的耦合效应鲁棒预测技术,研究高效预示模型的物理、数据、训练及预测不确定性分析方法,研制变构飞行过程力热效应高效预示系统并完成实验验证。

  5. 基于空间动态感知的飞行管道智能决策与精准控制。

  针对跨域飞行器(100-400km空域) 在上升段、在轨飞行段到再入段高速、跨域、灵活穿梭飞行中应对低轨巨星座、空间碎片、残骸等高密度空间非合作目标与严苛的力热环境带来的控制问题,研究在先验信息与体系支撑基础上对空间环境(低轨飞行器、巨星座、空间碎片、残骸等)的在线感知与威胁评估技术;研究基于逻辑驱动与数据驱动相结合的飞行管道智能实时决策理论与安全控制方法;研究动态、狭窄管道内飞行器精准稳定控制技术。

  6. 跨域高速飞行器极端环境下柔性超表面的电磁特性及调控机制研究。

  针对跨域高速飞行器极端环境下(非平衡高温流场电子密度>1018m-3、温度>3000K)电磁特征缩减及目标探测的需求,探索兼具防热的柔性超表面电磁特性调控理论与方法,揭示跨域飞行器非平衡高温流场与柔性超表面的电磁耦合机理,研究柔性超表面的电磁特性及主动调控机制,研制耐高温、电磁特性可调控的柔性超表面样件,开展非平衡高温流场下柔性超表面包覆目标的电磁特性实验与调控效能评估。

  7. 多物理场耦合下变构飞行智能规划决策与控制。

  建立多物理场耦合下大变构飞行的运动模型,刻画飞行器与环境相互作用下变构飞行运动特性及边界,揭示构型变化对剖面控制能力和跨域运动的影响机理。研究基于机理与数据混合驱动的飞行能力评估、构型决策、轨迹规划与制导控制理论,解决多元任务与多源干扰下在线自学习与自演进问题,实现多维连续变化条件下构型能力与任务轨迹的双闭环智能决策规划与制导控制。

四、项目遴选的基本原则

  (一)紧密围绕核心科学问题,注重需求及应用背景约束,鼓励原创性、基础性和交叉性的前沿探索。

  (二)优先资助能够解决多物理场高效飞行中的基础科学难题并具有应用前景的研究项目。

  (三)重点支持项目应具有良好的研究基础和前期积累,对总体科学目标有直接贡献与支撑。

五、2023年度资助计划

  拟资助培育项目14-16项,资助直接费用约为80万元/项,资助期限为3年,培育项目申请书中研究期限应填写“2024年1月1日—2026年12月31日”; 拟资助重点支持项目5-7项,资助直接费用约为300万元/项,资助期限为4年,重点支持项目申请书中研究期限应填写“2024年1月1日—2027年12月31日”。

 六、申请要求及注意事项

  (一)申请条件。

  本重大研究计划项目申请人应当具备以下条件:

  1. 具有承担基础研究课题的经历;

  2. 具有高级专业技术职务(职称)。

  在站博士后研究人员、正在攻读研究生学位以及无工作单位或者所在单位不是依托单位的人员不得作为申请人进行申请。

  (二)限项申请规定。

  执行《2023年度国家自然科学基金项目指南》“申请规定”中限项申请规定的相关要求。

  (三)申请注意事项。

  申请人和依托单位应当认真阅读并执行本项目指南、《2023年度国家自然科学基金项目指南》和《关于2023年度国家自然科学基金项目申请与结题等有关事项的通告》中相关要求。

  1. 本重大研究计划项目实行无纸化申请。申请书提交日期为2023年9月1日-9月7日16时。

  项目申请书采用在线方式撰写。对申请人具体要求如下:

  (1)申请人应当按照科学基金网络信息系统中重大研究计划项目的填报说明与撰写提纲要求在线填写和提交电子申请书及附件材料。

  (2)本重大研究计划旨在紧密围绕核心科学问题,对多学科相关研究进行战略性的方向引导和优势整合,成为一个项目集群。申请人应根据本重大研究计划拟解决的具体科学问题和项目指南公布的拟资助研究方向,自行拟定项目名称、科学目标、研究内容、技术路线和相应的研究经费等。

  (3)申请书中的资助类别选择“重大研究计划”,亚类说明选择“培育项目”或“重点支持项目”,附注说明选择“多物理场高效飞行科学基础与调控机理”,受理代码选择T02,并根据申请项目的具体研究内容选择不超过5个申请代码。

  培育项目和重点支持项目的合作研究单位均不得超过2个。

  (4)申请人在“立项依据与研究内容”部分,应当首先说明申请项目符合本项目指南中的具体资助研究方向(写明指南中的研究方向序号和相应内容),以及对解决本重大研究计划核心科学问题、实现本重大研究计划科学目标的贡献。

  如果申请人已经承担与本重大研究计划相关的其他科技计划项目,应当在申请书正文的“研究基础与工作条件”部分论述申请项目与其他相关项目的区别与联系。

  2. 依托单位应当按照要求完成依托单位承诺、组织申请以及审核申请材料等工作。在2023年9月7日16时前通过信息系统逐项确认提交本单位电子申请书及附件材料,并于9月8日16时前在线提交本单位项目申请清单。

  3. 其他注意事项。

  (1)为实现重大研究计划总体科学目标和多学科集成,获得资助的项目负责人应当承诺遵守相关数据和资料管理与共享的规定,项目执行过程中应关注与本重大研究计划其他项目之间的相互支撑关系。

  (2)为加强项目的学术交流,促进项目群的形成和多学科交叉与集成,本重大研究计划将每年举办一次资助项目的年度学术交流会,并将不定期地组织相关领域的学术研讨会。获资助项目负责人有义务参加本重大研究计划指导专家组和管理工作组所组织的上述学术交流活动,并认真开展学术交流。

  (四)咨询方式。

  国家自然科学基金委员会交叉科学部二处

  联系电话:010-62329489

  * 注:多物理场是指高速飞行器在飞行过程中,表面与空气摩擦产生的高温场(飞行器表面气体环境温度>3000K)、气动力学场(飞行器构型和表面气固界面非稳态时变)、电磁场(跨域可重复高速飞行复杂电磁环境)。本重大研究计划针对一种或多种物理场复杂环境下的问题开展研究。

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