高超声速分离技术的知识获取

2013-01-18北京临近空间飞行器系统工程研究所刘滔张宛

航天工业管理 2013年5期

◎北京临近空间飞行器系统工程研究所刘滔张宛

北京航天长征科技信息研究所周世儒

自20世纪60年代开始，高超声速飞行器潜在的军事和经济价值使各国纷纷投入巨资对该领域进行研究开发，现已成为21世纪航空航天事业发展的一个主要方向。高超声速飞行器分离技术是支撑高超声速飞行器发展的关键技术之一，涉及气动、机构、控制等不同的专业领域，知识类型广、知识数量大，既有显性的设计实例知识，又有隐性的专家经验知识，加之各国对其保护力度很大，所以对高超声速分离技术的获取非常困难。随着高超声速分离技术的不断发展，应用知识管理中知识获取的相关理论对高超声速分离技术进行知识分类并提出相应的获取方法，变得越来越迫切。

知识获取一直以来都是知识系统设计前期的核心难题。为了构建一个高效、可靠的知识库系统，工程师在知识获取方面花费了大量精力。鉴于此，笔者结合工作实际，主要从科技文献和专利检索两个方面简述高超声速分离技术的知识获取情况。

一、文献知识的获取

分离系统是飞行器的一个重要分系统，其功用是将飞行器飞行过程中已经完成预定工作且在继续飞行中无用的部分分离并抛掉，从而改善飞行器的质量特性，提高飞行性能。对于高超声速飞行器而言，可预见的分离任务有：助推器分离，如美国Hyper-X 计划中X-43A 飞行器与“飞马座”火箭的分离；吸气式发动机进气道封堵机构分离；空天飞机与入轨飞行器的分离。

在明确了常见的高超声速分离任务后，笔者围绕目前国内外开展的主要项目进行分析，确定了高超声速分离技术面临的挑战及关键技术，并对高超声速分离技术知识进行分类。

1．面临的挑战及关键技术

综合高超声速分离技术领域内的研究情况，可以总结出高超声速分离技术在发展过程中将面临以下几个方面的挑战：

一是气动、动力、控制等专业与分离系统的高度耦合，对传统的分离系统分析设计手段乃至设计准则提出了挑战。高超声速飞行器往往采用超燃冲压发动机，但超燃冲压苛刻的启动条件极大地压缩了分离系统的设计空间，使传统极限偏差组合的分析和设计方法常常无法满足高超声速分离系统设计的需要，必须要联合气动、动力、控制等专业，所以有时为了获得总体可行的方案甚至需要挑战传统的设计准则。

二是高超声速与高动压的分离环境对分离过程的非定常气动预示提出了巨大挑战。高超声速飞行器分离多发生在高超声速、高动压环境下，分离过程气动力影响巨大，其预示的准确性将直接影响设计分离系统的成败。而在高超声速分离气动问题中存在分离两体的运动与流场变化高度耦合，全飞行器大尺度流场和分离两体间隙的小尺度流场并存等问题，使高超声速分离非定常气动环境预示异常困难。

三是恶劣载荷环境和狭小的设计空间对分离机构设计提出了巨大挑战。高超声速分离机构工作在高超声速、高动压环境下，由于恶劣的气动和热载荷环境必须要尽可能地增大分离机构尺寸，以确保分离解锁机构在解锁前提供刚度足够大的可靠连接，同时在分离时能克服气动阻力，实现分离两体快速敏捷的解锁和迅速分离。但由于高超声速飞行器往往采用高升阻比、低容积率的气动外形，使得分离机构应当尽可能轻便、小巧，以适应结构尺寸要求，两者的矛盾对分离机构的设计提出了巨大挑战。

四是复杂时变的分离载荷对高超声速分离机构的试验验证提出了巨大挑战。高超声速分离机构工作时往往受到较大的气动载荷作用，且气动载荷与分离机构的运动状态相互耦合，造成在试验中难以准确模拟真实分离机构工作时的载荷变化情况，进而难以验证分离机构的动强度。

综上所述，高超声速分离系统研制仍存在4 项关键技术有待后续解决：气动、结构、分离、控制一体化分析设计技术；高马赫数、高动压分离非定常气动环境分析技术；小型高效稳定的分离机构设计技术；分离机构试验验证技术。

2．知识分类

根据知识分类的方法，结合上述4 项关键技术将高超声速分离技术知识划分为：

分离机构设计知识，包括分离机构设计标准和规范，常用分离火工品及性能数据，国内外分离机构专利信息，分离机构业内专家信息等；

环境分析知识，主要包括分离非定常气动环境、热环境、载荷环境分析的标准和规范，常用分析方法和工具，业内专家信息等；

分离仿真知识，主要包括分离仿真计算标准和规范，常用分析方法和工具，以往仿真软件代码库，业内专家信息等；

分离试验知识，主要包括分离试验标准和规范，分离试验相关专利，国内试验单位信息，业内专家信息等。

二、专利知识的获取

对高超声速分离技术专利知识的获取，重点针对美国、俄罗斯、欧洲、日本等国家和地区的专利数据库，检索高超声速飞行器分离技术的相关专利申请。截至2012年7月，在高超声速技术领域共检索到210 件专利文献，其中中文文献15 件，外文文献195 件。采用逐条阅读专利文献的方式对检索到的专利数据进行筛选，共获得34 件分析数据，其中中文文献2 件，外文文献32 件。

对高超声速飞行器分离技术相关专利年度（见图1）、申请人（见图2）、区域以及技术分布情况进行分析。

图1 相关专利年度分布图

1．专利年度

从图1中可以看出：20世纪80年代末期到90年代中期为该技术的起步阶段，这个阶段的专利申请数量较少，但几乎每年都有专利产生，说明该技术发展早期各国一直处于技术的探索和研究阶段。

90年代中后期为第二阶段，尤其是1997～1999年专利数量较多，1998年出现第一个峰值，专利申请数为4 件，说明各国对该技术的探索取得了一定进展。

2001～2011年为该技术的第三阶段，这10年间专利申请数量较多，且呈波浪形分布。在2003～2006年间共申请了13 件专利，说明这段时间的技术创新活动一直比较活跃，高超声速分离技术已经得到快速发展。

2．申请人

从图2中可以看出，位于前5 位的申请人主要是美国政府和企业，说明高超速声速分离技术主要还是由美国掌控。美国共有4 件专利申请，位列第一位，其中NASA 有2 件专利申请，美国空军有1 件，美国海军有1 件。

3．申请区域

从检索出的高超声速分离技术的申请区域可以得知，美国为主要申请国，其申请专利30 件，俄罗斯申请专利2 件，中国申请专利2 件。美国在高超声速分离技术方面处于世界领先地位，而中国申请的专利都是在近10年内完成的，还处于该技术的起步阶段。

图2 相关专利申请人分布图

4．技术分布

高超声速分离技术的相关专利技术主要分布在高超声速分离仿真技术、高超声速分离机构和高超声速分离试验3 个领域。其中，在高超声速分离机构领域申请的专利数量最多，为24 件，占全部专利数量的70.59%；在高超声速分离试验领域申请的专利为6 件，占全部专利数量的17.65%；在高超声速分离仿真技术领域申请的专利为4 件，占全部专利数量的11.76%。

三、知识获取方法及建议

1．知识获取方法

通过对科技文献和专利检索分析，笔者总结了以下几点知识获取方法：一是通过综述性科技文献检索了解被研究技术在国内外的发展状况，如了解技术成熟度、支撑技术以及具备先进水平的机构和专家等；二是根据国内外技术发展状况对被研究技术进行分类，并根据需求确定重点关注方向，如重点检索的年代、相关项目的名称、研究单位的名称等；三是在知识获取过程中，根据获取的知识不断调整、更新知识获取的方向和重点，如根据国内外项目增加情况进行重点跟踪。