我国高等学校在航空航天领域的研究现状及前沿分析

于辉，游骏

（1.西北工业大学 生命学院，西安 710072）

（2.西北工业大学 航天学院，西安 710072）

0 引 言

航空航天技术是20 世纪兴起的一门综合性极强的现代科学技术，是对人类生活影响最大的科学技术之一，也是人类文明发展的重要标志。航空航天技术作为多种高精尖技术的集合，是衡量一个国家综合国力的重要因素，其涵盖了物理、数学、生命科学等基础研究领域和其他相关的应用研究领域。20 世纪初，第一架带动力、可操纵的飞机出现后，航空航天技术飞速发展，到20 世纪50年代中期，第一颗人造卫星发射成功，人类的脚步也开始迈向更遥远的太空。近年来，我国在航空航天领域取得了一系列举世瞩目的伟大成就，这些成绩的取得与我国高等学校等科研机构和广大科研人员潜心学术、矢志原始创新，集中优势力量开展科技攻关息息相关。

开展关于航空航天领域的研究，对系统总结经验、准确发现问题、科学谋划未来起到至关重要的作用。国内部分研究者聚焦这个主题开展了一些研究，马雪梅等利用Web of Science 的数据，研究了航天强国的发展动态，对比分析了中国与美国、欧盟、俄罗斯等国家和地区在航空航天领域的差距；孟祥昊等分析了中美俄三国航空航天技术的研究现状；周立秋等分析了我国航空航天技术发展态势和航空航天力量的分布情况。

上述研究分析主要聚焦国家与国家/地区之间等宏观层面的研究，缺少高等学校关于该领域研究的系统梳理与分析。而我国高等学校是航空航天原始创新的重要发源地，在航空航天技术发展和进步中发挥了重要作用；进一步聚焦高等学校关于航空航天领域研究现状和前沿分析等开展研究，对推动我国航空航天技术发展，助力航空强国和航天强国建设具有十分重要的意义。

1 数据源和研究方法

1.1 数据来源及筛选

本文基于Web of Science 核心合集数据库，以JCR 收录的30 个航空航天工程领域（Engineering，Aerospace）的科技期刊为数据源，检索条件设置为期刊名，地址设置为China，搜索时间设置为2011—2020 年，在对所检索的论文进行去重处理后，共获取11 488 篇论文信息；在此基础上，添加Univ 条件，对高等学校参与发表论文进行筛选，获得10 860 篇文献（占文献总数的95%），足以看出我国高等学校在航空航天领域研究中的重要地位。因此，本文重点对高等学校参与发表的文献数据进行分析研究，以此来分析我国航空航天领域研究的现状和前沿方向。

1.2 研究方法

本文以CiteSpace 软件为基础对所建立的数据库进行分析，CiteSpace 软件的版本为5.7. R2。CiteSpace 是一款基于JAVA 平台的信息可视化软件，是文献计量学方面最先进的分析工具之一。通过CiteSpace 绘制的知识图谱能够显示一个学科或知识领域在一定时期的发展趋势和动向，从而使得研究者能够科学地把握研究现状与前沿。本文以近十年我国高等学校关于航空航天领域研究文献为数据基础，通过使用CiteSpace 软件的关键词共现，关键词突现，机构合作关系等分析方法，分析研究我国高等学校关于航空航天领域的研究现状和前沿方向。

2 研究情况分析

2.1 文献发布情况分析

论文的产出情况能够说明一个国家在该科学领域中的知识产出能力，2011—2020 年，我国高等学校在航空航天领域共发表论文10 860 篇，其年度分布如图1 所示。

图1 航空航天领域论文的年度发文量Fig.1 Annual number of papers published in the field of aerospace

从图1 可以看出：2011 年发表的论文为375篇，2019 年达到最高值2 024 篇，而2020 年略微降低，但总体呈现上升趋势，这说明我国高等学校越来越重视关于航空航天领域的研究，这与我国高等学校和广大科研工作者响应党和国家部署安排，主动服务于航空和航天事业发展密不可分。

2.2 高等学校发文情况分析

高等学校的发文数量能够在一定程度上展现该校在航空航天领域的研究程度，从而揭示该领域处于最前沿的高等学校。通过CiteSpace 生成研究机构共现图谱，可以展示出各个高等学校之间的合作强度。2011—2020 年发文量排名前20 的高等学校如表1 所示，可以看出：排名前五的高等学校分别为北京航空航天大学，西北工业大学，南京航空航天大学，国防科技大学，哈尔滨工业大学；北京航空航天大学发文最多，为1 919 篇，另外四所高等学校发文量也均在1 000 篇左右，在航空航天领域有着较高水平。发文量在500 篇以上的高等学校还有北京理工大学，清华大学。排名前20 的高等学校中，大部分为国防军工行业特色高等学校，属于航空航天领域研究的中坚力量，可见航空航天领域的研究和进展，与我国的国防事业发展息息相关。从地区分布来看，位于北京的高等学校最多，在航空航天领域实力最强；而位居其后的地区分别为陕西、江苏、黑龙江、湖南，均为国防科技重点省份，具有较强实力，其他省份在航空航天领域的实力则相对弱一些。

表1 机构发文量统计Table 1 Statistics on the number of articles issued by institutions

高等学校之间合作关系图如图2 所示，可以看出：北京航空航天大学、西北工业大学、南京航空航天大学、国防科技大学、哈尔滨工业大学在图中占据较大位置。以上述大学为中心各自发展出了若干合作网络，通过对这些合作网络分析可以得出，连接关系较强的往往处于同一地区或相邻省份，如西北工业大学与西安电子科技大学、空军工程大学有较强合作关系，南京航空航天大学与复旦大学、南京大学有较强合作关系等，当然，跨地区也存在一定的合作关系，例如国防科技大学与清华大学的合作。

按照“群众投工投劳、专项项目投入、政府补助资金”的原则，州政府落实专项补助资金，统一购置鼠用饵料、防鼠毒素，组织动员群众对鼠害发生较为严重的草场进行集中连片防治。按照“整体规划、分步实施、压茬推进”的原则，利用有效时间对全州发生鼠害草场进行集中连片防治，控制草原鼠害，促进农牧民群众增产增收，有效保护草原生态环境。

图2 高等学校合作关系Fig.2 Research institution partnerships

3 研究现状与前沿分析

关键词是对一篇文献的高度概括，通过对关键词分析，能够反映出目前在该领域的研究现状以及研究的变化趋势，而关键词突现，则是通过关键词的突增性，体现该领域的发展趋势，进而分析其研究前沿。

3.1 关键词共现分析

在CiteSpace 中选择Keyword，对关键词进行共现分析，其仿真结果如图3 所示，其中，关键词的圆圈大小对应关键词出现的频次，出现次数越多圆圈越大；关键词之间的连线表示两个关键词同时出现在一篇文献。通过对关键词共现图谱结果分析，可以得到关键词的出现频次。出现频次排名前20 的关键词如表2 所示，其中，中心性表示了该节点的重要程度，中心性大于0.1 的节点称为关键节点。出现频次高于500 的关键词分别为de⁃sign、system、model、flow、optimization、perfor⁃mance，这类词语的共同特点是对某一领域较为笼统的概括，如设计（design）一词出现次数最多，为954 次，其所表示内容涉及飞行器结构设计、控制系统设计等方面。基于关键词分析，我国高等学校在航空航天领域的研究，主要聚焦优化、稳定性、动力学、数值仿真、卫星、跟踪、导航、姿态控制、滑模控制等应用研究领域。

图3 关键词共现网络Fig.3 Keywords co-occurrence network

表2 高频关键词统计表Table 2 High frequency keywords statistical table

3.2 关键词聚类分析

在关键词共现分析的基础上，CiteSpace 可以根据关键词之间的关系进行聚类分析，由此可以更加准确地把握我国高等学校在航空航天领域的研究动态和发展趋势。关键词聚类分析结果如图4 所示，其中，每个#表示一个聚类，共生成22 个聚类，聚类的编号由小到大表示聚类中所包含的关键词数量逐渐减小。

图4 关键词聚类图谱Fig.4 The clustering graph of keywords

这在这些聚类中，又可以根据其意义以及包含的内容分为六个大类。

第一大类是与飞行器总体设计相关领域的研究，包括航天器（spacecraft）、航空器（aircraft）、空间机器人（space robot）、算法（algorithm）、空间飞行器（space vehicle）、微重力（microgravity）。以上聚类主要围绕飞行器总体进行研究，或者是对涉及飞行器的某一领域进行研究，具有较强的归纳概括性。

第二大类是与高超声速环境下飞行器相关领域的研究，包括空腔结构（cavity）、减阻（drag re⁃duction）、激波（shock wave），其中，空腔结构是针对高超声速飞行器的结构设计方式；减阻主要指飞行器在高超声速环境下的减阻问题；激波则是在超声速下的一种气动现象，激波是飞行器阻力增大的重要原因之一，消除激波影响对减阻有着重要意义。

第三大类是与飞行器制导系统相关领域的研究，包括冲击时间（impact time）、组合导航（inte⁃grated navigation）、导弹制导（missile guidance）、杂波（clutter）以及多系统（multi-GNSS）。其中，冲击时间表示在导弹制导过程中对导弹击中目标时间的控制，组合导航和导弹制导以及多系统均是对导弹制导系统的设计，而杂波是指对导弹控制系统工作环境的研究。现代战争中，已经不是仅仅满足于导弹击中目标，而是要进一步控制导弹击中目标的时间、角度，甚至同时控制多枚导弹，进行协同制导。

第四大类是与飞行器自身结构设计相关领域的研究，包括震荡（earthquake）、气动声学（aero⁃acoustics）、复合材料（composite materials）、振动（vibrations）。复合材料能够有效减轻飞机本身的重量，同时，相对于传统材料，复合材料具有更优越的综合性能，因此在航空航天领域被广泛运用。震荡、气动声学、振动则是指飞行器自身的结构特性，涉及飞行器结构材料、振动频率和模态等。

第五大类是与流体力学相关领域的研究，包括风洞实验（wind tunnel test）、数值分析（numeri⁃cal simulation）。其中，风洞实验是通过实验方法研究气体流动及其空气特性，数值分析则是使用计算机程序来求解数学模型的近似解，如计算流体力学等。

第六大类是与类发动机相关领域的研究，包括燃烧（combustion）和离心式压缩机（centrifugal compressor）。离心式压缩机因其结构简单可靠且稳定工作范围宽，被广泛应用于航空发动机。燃烧主要指的是对超燃冲压发动机的研究，与传统火箭发动机相比，超燃冲压发动机无需携带氧化剂、节省燃料，在消耗同等燃料的情况下，推力能达到传统火箭发动机的4 倍。

3.3 研究前沿分析

对于学科前沿，一般情况下以3～5 年内研究数据作为基本前沿集合，因此，本文选取2017—2020 年我国高等学校关于航空航天领域发表的论文，通过CiteSpace 的关键词突现功能，得到排名前20 的关键词突现结果，如表3 所示，其中，强度表示关键词在该时间段内引用量变化情况，强度大说明这段时间该关键词被大量引用，体现出某类研究的兴起。

表3 关键词突现结果Table 3 The result of keywords bursts

从表3 可以看出：我国高等学校关于航空航天领域研究的前沿方向主要包括以下四类。

第一类是关于发动机相关领域的研究，特别是对高超声速发动机的研究。其中，隔离段（isola⁃tor）是超燃冲压发动机的重要气动部件，不起动（unstart）则是超燃冲压发动机的一种现象；隔离段的作用就是为防止超燃冲压发动机进气道的不起动。在高超声速的情况下，气动加热十分严重，因此飞行器的防热系统（thermal protection system）显得尤为必要；此外，推力（thrust），气缸（cylinder）是发动机中常见的名词，航空发动机（aircraft en⁃gine）以及轴流式发动机（axial flow compressor）指的是不同发动机，这些都是关于发动机研究的重要内容。

第二类是关于控制理论相关领域的研究，包括滑动模态（sliding mode），执行器饱和（actuator saturation），有限时间控制（finite time control），控制系统（control system）。其中，滑动模态主要指滑模控制方法，滑模控制能够克服系统的不确定性，具有很强的鲁棒性，但是存在抖振问题。执行器饱和是指在实际问题中，对于所设计的控制方法，还存在机械上的限制，因此需要对执行器饱和问题进行研究。而有限时间控制也是控制理论中一个重点研究的问题。

第三类是关于卫星相关领域的研究，包括对航天器姿态控制的研究。控制力矩陀螺（control moment gyro）就是实现姿态控制的一个装置，而伪谱法（pseudo-spectral method）是在求解卫星轨道问题的常用数值模拟方法。

第四类是其他相关领域的研究。由于研究方向涉及到多个方面，无法统一归纳总结为某一类，如数值模拟（numerical simulation），在气动方面，有计算流体力学；在结构方面，有静力学分析等。环境（environment），采样（capture），飞行器（flight ve⁃hicle），强度（strength），代码（code），校验（valida⁃tion）均是一些较为笼统的关键词，并不是对某一研究方向的概括。

4 分析与展望

通过上述分析，可以得出以下结论：

（1）2011—2020 年，我国高等学校在航空航天工程类期刊上发表的论文数量稳步增加，这说明我国高等学校关于航空航天领域的研究越来越重视和持续深入。

（2）国防军工行业特色高等学校是航空航天领域研究的中坚力量，同一区域的高等学校间开展了实质性合作、产出了研究成果，不在同一区域的高等学校开展合作较少。

（3）我国高等学校关于航空航天领域研究主要偏向于应用问题的研究，对基础理论研究较少，主要集中在关于飞行器总体设计、高超声速飞行器、制导控制、飞行器结构设计、流体力学以及发动机设计等方面研究。

（4）我国高等学校的研究前沿主要集中在高超声速发动机、控制理论、航天器姿态控制、数值模拟、复合材料等领域的研究。

通过对我国高等学校在航空航天领域的研究成果分析，一定程度上反映了我国在航空航天领域的实力，要建成世界航天强国，首先需要提高国家航空航天科技创新能力，特别是原始创新能力，在这一方面，可以借鉴国外航空航天强国的经验，逐步提高研发能力、创新能力。其次，我国在航空航天领域，偏向于应用问题，而对于航空航天前沿基础的探索存在不足，需要加强对世界研发前沿技术的研究，解决“卡脖子”问题。最后，各个高等学校作为航空航天领域研究的主力，也需要积极发挥带头作用，加强各个机构之间的合作交流，支撑中国航天事业的发展。

5 结束语

本文利用可视化工具，从多个角度对我国高等学校在航空航天领域发表的论文进行了分析，总结了我国高等学校在航空航天领域的研究现状和发展前沿。回顾过去，我国航空航天实力快速提升，我国高等学校特别是国防军工行业特色高等学校作为航空航天领域研究的中坚力量，起到了十分重要的作用。展望未来，以北京航空航天大学和西北工业大学等“国防七子”为代表的高等学校，还将聚焦制约航空航天事业发展的关键领域持续开展深入研究，为国防科技进步和现代化建设提供强有力的智力支撑。