研究论文丨深空探测器进入行星大气面临的极高速流动与传热基础科学问题
深空探测是探索浩瀚宇宙奥秘、拓展人类生存空间、承担人类文明认知使命的重要途径，也是维护国家战略权益、攀登科技制高点、打造深空科技创新策源地的迫切需要。当前，深空探测已经进入新一轮发展高 潮。美国已于2021年到达火星进行采样，预计2033年返回地球，其正主导实施“阿尔忒弥斯（Artemis）”计划，推进“重返月球”和“月球到火星”的载人登火战略。我国也于2024年10月正式发布了《国家空间科学中长期发展规划（2024—2050年）》，将“宜居行星”列为五大科学主题之一，并将陆续开展火星采样、载人登月、木星系探测等系列深空探测任务，如图1所示。
图 1 我国深空探测系列任务
实施这些任务时，受行星轨道转移和行星引力加速的影响，探测器将以超行星第一宇宙速度进入地外行星大气或返回地球大气：进入木星大气速度约50 km/s（木星第一宇宙速度为42.5 km/s），进入火星大气速度约5 km/s（火星第一宇宙速度为3.6 km/s）；火星采样返回、载人登月返回等深空返回任务，探测器再入地球大气时可以达到甚至超过地球第二宇宙速度（11.2 km/s）。相较临近空间与近地轨道返回的高速飞行器（飞行速度小于地球第一宇宙速度7.9 km/s），深空探测器飞行速度极高（图2），大气环境更加多样（图3），面临更加复杂的极高速流动与传热问题：
图2 深空探测器典型弹道与高温非平衡现象
图3 地球与典型地外行星大气环境对比
1） 更高的飞行速度使得流动特征时间缩短，并可与流场中的物理化学反应特征时间相当，导致高温非平衡效应突出、尺度不可分离、过程难解耦，无法兼顾计算效率和物理准确性，传统解耦/松耦合模拟策略失效，地面风洞等效模拟困难，阻碍流动机理认知与预测方法验证。
2） 更高的飞行速度还将导致更加严酷的气动力热环境，辐射加热不可忽略甚至起主导作用。辐射还可以穿透边界层甚至材料表层，导致材料热力响应机理显著区别于对流加热主导的第一宇宙速度以下的飞行场景，传统烧蚀热阻塞方法防热效率明显降低。
3） 更高的飞行速度导致流场能量和温度大幅提升，引发非绝热跃迁、二次电离、高激发态辐射及光致解离/电离等新的超高温物理化学现象，地外行星大气化学组成和反应机理与地球大气存在显著差异，相关模型和参数严重缺乏。
上述极高速流动与传热现象将显著改变宏观流动规律，并严重影响探测器气动力热环境与防热材料响应特性，并可诱发探测器失稳、失控，甚至热防护系统失效、结构破坏解体。受限于极高速流动、强辐射传热、超高温物理化学反应基础理论方面的诸多不足，探测器气动与防热设计中存在较大的不确定性。为确保飞行安全，工程应用中不得不采用增大热防护系统冗余质量、加大控制余量等保守设计方法进行规避，这带来了任务成本增加和有效载荷减少。然而冗余设计不能解决所有问题，认知不足会带来巨大设计风险。例如美国“伽利略号”木星探测器，飞行后分析表明驻点位置的烧蚀量远低于预期，而肩部的烧蚀量则远高于预期，实际飞行达到了“近失效（near failure）”的程度，如图4所示。
图4 “伽利略号”热防护系统设计与实际烧蚀情况对比
未来载人深空探测系统质量更大，可靠性、过载、舱内环境参数相对无人探测系统更加严苛，特别是我国火箭运载能力与美俄等航天强国相比相对较弱，对探测器质量约束要求也更高。沿用现有理论方法无法支撑任务精确设计，高冗余设计将带来难以承受的经济代价，甚至导致方案不能闭合。同时深空探测窗口少、周期长、成本巨大，我们既不能采用大量飞行实验的“飞着试”方法，又由于极高风险不敢贸然采取“试着飞”的途径。因此，要彻底解决探测器设计风险、保障任务高效可靠，就必须加强进入行星大气极高速流动与传热基础科学问题研究，认清物理本质，掌握机理规律，发展更为有效的分析预测能力。
1. 面临的关键科学问题
探测器以极高速度进入行星大气过程中，周围的气体受到强烈压缩和剧烈摩擦，巨大的动能向气体内能转换，使得气体温度急剧升高并发生复杂物理化学反应。能量还将随高温气体流动输运转移，并向探测器内部传递，引发伴随超高温物理化学反应的极高速流动与传热现象，因此，迫切需要突破以下3个关键科学问题。
1） 极高速复杂流动多过程耦合作用机理。针对极高速复杂流动的多尺度、多过程强耦合特征，创新跨学科分析框架与模拟方法，形成最高速度50 km/s的极端流动模拟预示能力，揭示流动基本过程与理化过程、传热传质过程的耦合竞争机制；阐明流场中能量、化学组分的非平衡输运行为，厘清探测器进入行星大气过程中流动结构生成演化与致力致热机理，大幅提升超第一宇宙速度、多行星大气环境、流-固-热-化多过程紧耦合的模拟能力。
2） 强辐射传热环境材料响应与防热机制。针对强辐射与强对流多机制加热环境下高效可靠协同防热设计要求，通过跨学科融合攻关，厘清环境-材料耦合中的能量转移和热量耗散机制，揭示防热材料响应机理；创新发展辐射热高效防护和传热传质调控方法，建立面向进入行星大气飞行环境的多机制协同防热设计理论。
3） 行星大气超高温多相态非平衡理化反应机理。针对行星大气高激发非平衡物理化学反应特征，创新超高温反应的计算与实验表征测量方法，揭示超高温内能激发弛豫、反应、辐射跃迁等机理，发展多相态非平衡理化反应动力学表征建模理论，构建最高温度 K、多行星大气组分的高置信度理化反应模型和基础数据库。
2. 我国未来研究展望和建议
近年来我国在先进飞行器科技领域加大了投入力度，特别是国家自然科学基金委前期设立的“空天飞行器的若干重大基础问题（2002—2007）”、“近空间飞行器的关键基础科学问题（2007—2015）”等重大研究计划，提升了空气动力学、超轻质材料结构及防热理论等方面能力水平，培养储备了一大批优秀人才，使我国在先进飞行器技术方面取得了技术进步和工程成就。但我国在深空探测所需的进入行星大气极高速流动与传热方面的基础研究仍较为薄弱：高温物理化学反应模型和基础数据、数值模拟和防热设计理论框架基本上还是沿用20世纪的成果，基础模型数据匮乏给工程应用带来较大不确定性和技术风险；我国地面实验设备能力已达世界一流，但实验模拟理论等方面存在短板；国内高温流动、材料传热、理化反应等领域优势研究力量分散，基础研究与工程应用配合不紧密，“有影响、用得上”的成果还不多。而国外近年来针对进入行星大气中的关键科学问题已部署了PHYS4ENTRY计划、ESM计划、ACCESS中心等，并取得了显著效益。
在上述背景下，国家自然科学基金委启动了“进入行星大气极端流动与传热基础科学问题”重大研究计划，计划从2026年1月起发布第一批指南。我们期待通过该重大研究计划国家顶层布局，凝聚全国优势力量，探索形成“协同攻关-学科融合-传承创新-开放共享”的目标导向型基础研究组织模式，构建具有世界影响力的中国极端流动与传热研究学术共同体，进而阐明进入行星大气飞行极高速复杂流动时空多尺度关联、多过程耦合作用机理，揭示强辐射与强对流多机制加热环境中材料响应与热量耗散机制，发展自主可控的超高温多相态物理化学反应动力学模型与基础数据库，建立可精确表征多相态、多尺度、多过程强耦合的极端流动与传热理论体系，为深空探测重大战略任务提供创新概念和解决方案，显著提升我国解决重大科学问题的协同攻关能力。
