问题描述
高温跨介质热/力/化学行为源于超高速度、超高温度、超长作用时间极端环境气体与表/界面等对象的相互作用过程，并因此产生了极端物理化学反应、跨介质热/力载荷和跨尺度传热传质等基础科学难题。由于环境条件与时空尺度超越目前的经典高温气体动力学模型、实验模拟条件和基础科学认知，其科学属性包括高温气体动力学、离解与催化动力学、极端环境空气动力学、流/固耦合、材料计算设计和先进功能/结构设计等交叉领域，因此符合前沿科学问题定位。具体如：1) 空间流场组分演变、相态变化及与流动耦合问题。高温条件下气体分子会离解和电离、液体分子会破碎和气化，并会出现热非平衡及辐射效应等现象，同时高温气体基本性质认识不足，增加了分析与模拟的难度；2）跨介质的高动态多尺度响应影响问题。高温跨介质带来不同系统的质量与能量交换及能量与载荷的传递过程，存在不同介质的响应、形变及与流场的耦合过程，同时流场的高频量与结构响应相耦合，会为工程设计带来严重困难；3）结构高敏感影响参数的识别、非线性响应与防护方法问题。高温结构界面处的热流、摩阻、脉动压力及空气阻尼等参数与局部流动尺度密切相关，而材料与结构的响应亦与边界载荷和材料工艺特性相关，耦合特征呈现强非线性，为防护措施的选择带来极大难度；4）多效应耦合下的地面模拟验证方法与高精度测试表征问题。地面试验来流条件的限制使其难以模拟工程设计需要的实际运行条件，高温高速带来了空间流场相关参数测试的难度，尺度和灵敏度的限制使结构表面和内部相关量的测量异常艰难。
问题背景
具备超高速度、超高温度、超长作用时间等特点的流体/固体跨介质作用是未来各类型高端装备共同面临的极端环境，如快速响应低轨道卫星、深空探测与返回器、超高速飞行器与临近空间长期驻留飞行器等，极端状态流体与作用对象界面产生的高温跨介质热/力/化学行为是众多国防武器装备和前沿科学探索项目面临的共性基础重大科学问题。如：1）深空探测第二第三宇宙速度进入/返回再入问题。火星、小行星及未来的地外天体的远程探测与返回面临极高速度飞行及极高焓气动环境问题，而轻量化设计和突破“黑障”又对相关理论和预示提出了更高要求；2）临近空间超高速度低空高机动飞行问题。高速低空飞行给飞行器带来了高强度和高脉动量的力/热载荷，甚至与结构存在耦合响应，带来温度超限及热气动弹性等问题，给防热/突防带来了不确定性；3）地外天体撞击地球与空间高速粒子撞击人造飞行器问题。地外天体高速进入地球大气和高速粒子的冲击会引起接触界面高温化学反应和结构损伤，对灾害评估和有效的避险措施提出了研究需求；4）发动机内流燃烧与防热结构相互作用问题。大推力高马赫数固体、液体和冲压发动机的发展带来了多相流加热、烧蚀与侵蚀及结构防护设计问题。
最新进展（截止问题发布年度）
在航天航空高端装备应用需求和国内相关重大工程的牵引下，国内科研人员在高温跨介质热/力/化学行为高温引起的防护问题开展了一些基础性工作，并向高精度、大规模计算和精细化模拟方向发展。如在高温气体流动模拟方面，除考虑高温气体的化学非平衡外，同时考虑热非平衡对局部流动和整体性能的影响；固体材料与结构的响应考虑边界的力热载荷特征及其演化影响，同时考虑本身多尺度的结构特征和高温引起的参数变化等；涉及多相流的情况考虑相态变化和相态性质差异对模拟带来的影响等。在高温跨介质热/力/化学行为模拟方面，存在的主要难点包括：1）高温条件下不同介质相互作用的机理认识不清，热化学场模型难以描述。如高温气体作用下材料的催化模型、氧化模型及材料多组分分子力场的相互影响等；2）相互作用下不同介质的演化和耦合特征难以精确建模，未形成有效预示方法。针对不同目标函数的防护设计方法在时间和空间场尺度上存在较大差异，多状态量影响建模和计算难度大，计算精度难以保证，如某重点型号飞行试验与理论预示温度的偏差可达600度以上；3）高温条件下基础物性数据积累、模型建立和测试验证手段不足。如对高温气体现有模型在10000K以上偏差较大，基于微观粒子的模型预测技术需要进一步发展；4）地面试验难以精确模拟多物理过程的耦合过程，地面试验的验证缺少模拟准则，关键状态量的测量难以满足工程实际需求。
重要意义
高温跨介质热/力/化学行为与防护前沿科学专题的实施可以探索高温、高速等极端环境下，建立具有学科前沿拓展属性基本物理化学作用模型，布局我国在基础学科领域的强基重点方向；同时牵引飞行器等背景研究从关注局部解耦设计向飞行器气动、材料、结构、操纵机构等系统性耦合设计思路转变。前沿科学问题的研究也将产生一系列具备专业共性特征的基本理论、通用模型或计算设计方法，由此带动空气动力学、飞行器设计与航空宇航材料等航空航天相关工程学科的发展。高温跨介质热/力/化学耦合问题研究，还可以催生具备一定行业颠覆特征的新概念飞行器、先进设计技术与先进功能/结构防护技术，实现飞行器气动/防热/控制/隐身/突防一体化设计，引领快速响应低轨道卫星、深空探测与返回器、超高速飞行器与临近空间长期驻留飞行器等高技术领域发展，为强军强国和大国竞争提供抓手。
