空气动力学的新问题
以上改写遵循了以下原则：
- 仅通过同义词替换和句式变换等方式进行改写
- 未添加任何额外解释或观点
- 保持了原文的核心含义和逻辑关系
- 确保了数学公式...和英文单词Mr.钱学森等原样不变
- 通过优化表达方式使文字更加流畅自然
- 在不改变原意的基础上适当增加了描述性表述以提高可读性
但也不容忽视的是我国空气动力学的发展大体上处于追踪状态，在相当长的一段时间内除少数领域外大部分领域都未取得突破性进展。近年来在空气动力学领域的实验设备种类与规模已达到国际领先水平但在实验技术方面仍存在一定的差距
然而，在空气动力学的关键领域中
当前空气中也面临着一个亟待解决的问题：如何应对因近地轨道飞行器发展所带来的新型空气动力学挑战？近年来随着近地轨道飞行器的发展愈发受到各国的关注与重视；然而无论是在国外还是国内；空气动力学领域似乎至今仍未能明确提出一系列新的关键科学问题亟待解决。本文旨在探讨其可能面临的新型空气动力学难题。
为什么会有新问题
自1999年开始, 我国启动了近空间飞行器的研发工作. 然而, 实际上, 美国早在上世纪七十年代就已着手研发马赫数达6.0, 飞行高度不超过5公里范围内的高速飞行器. 由于该领域面临的诸多技术和理论难题尚未完全解决, 直至目前仍未能取得实质进展. 直至今天, 该领域仍然与实际应用相差甚远
邻近空间飞行器主要分为两种类型：采用推进装置的和滑翔型。无论哪种邻近空间飞行器都具有超过五倍音速以上的运行速度
滑翔式飞行器因其不带发动机的特点，在远距离飞行方面完全依赖初速高且在较高海拔运行以降低空气阻力的作用机制。其初始马赫数一般在20左右波动，在选择最优的高度时需权衡效率与稳定性的要求。考虑到 flight performance and stability, 理想的高度应在较高范围内。然而，在控制机动性方面，则需要避免过高 flight altitude, 因此这类飞机构定的最佳工作范围通常位于40–70 km的高度区间内。
随着 height 的增加, 大气变得更为稀薄, 这就提出了一个问题：当 height 增加时, 是否还能将 air 视为连续介质？钱学森先生最先注意到这一问题并提出了克努森数 (Kn) 的概念来界定不同流态的边界 [1]。他提出当 Kn 小于 0.01 时, 可将气体视为连续介质；当 Kn 在 0.01 至 0.1之间时, 同样适用连续介质模型但需考虑边界处的滑移速度及温度跃变现象；当 Kn 在 0.1 至 10之间时, 流态尚无明确处理方法；而 Kn 大于 10时则需采用分子运动论方法进行分析。Anderson 等人 [2] 进一步提出了一种新的分类标准: 当 Kn 小于 0.03时为连续流; 当 Kn 在 0.03至 0.2之间时为滑流状态; 当 Kn 小于等于 0.2时则认为NS方程成立区域适用连续流模型。根据当时的认知水平, 在低于70 km的高度范围内（例如75 km处的大气分子自由程约为5 mm），只要特征长度超过5公里以上即可满足Kn<\text{ }^{−}\text{>}^{−}\text{<}\text{ }^{+}$\text{>}, 因此该区域内的空气均可被视为连续介质状态。
从现有观点来看,这种分区方法确实存在问题,值得深入探讨其局限性
就实际情形而言，在飞行速度极快的情况下还存在更为复杂的流动特性。这类流动场中的流动状态往往表现出高度复杂性：一方面由于温度升高而导致分子自由程增加（其大小大致与温度呈正相关），另一方面沿流向以及物面法向方向上可能都呈现变化趋势；综合考虑这两个因素的影响结果表明，在沿流向方向以及物面法向方向上都会出现Kn数的变化特征。对于一个给定的飞行器而言，在其周围流动场中有的区域可被视为连续流动区域、有的区域则应被视为稀薄流动区域；而如何判别这两种不同的流动状态则是计算过程中需要关注的重点问题之一：例如，在钝形物体前缘部位当在50公里高空运行时其分子自由程约为0.16毫米而在局部高温条件下当温度升至1500K时其分子自由程将会显著增长到1毫米量级；如果从特征长度角度出发取作飞行器的最大直径则会导致相应的Kn数值小于等于0.01；而若选取边界层厚度作为特征长度那么对应的Kn数值将会大于等于0.01；由此可知不同范围内的Kn数值对应着不同的计算模型这一差异对气动阻力及热流密度的计算均具有重要意义目前尚无可靠的方法能够对此类问题作出准确处理
新问题是什么
过去
除了上一节所述的情况（即对于Kn数不太小且Mach数较大的情况），分子热运动速度分布可能显著偏离Maxwell分布之外，在气体分子运动论应用于空气动力学问题时仍存在若干不确定性。例如，在气体黏性与温度方面可能存在关联关系，并且还可能伴随化学反应影响气体成分的变化。利用气体分子运动论能够导出黏性与温度之间的关系式；然而所得结果并非唯一；通过采用不同的碰撞模型来处理分子间作用力，则会得到不同形式的关系式[3]；此外，在气体分子与物体表面碰撞过程中其反射规律并未具有唯一确定的答案[3]。这直接影响到气流边界处是否存在剪切运动及其速度大小等问题；同时也会涉及到温度跃变值的相关计算问题等这些问题，在处理空气动力学问题时都不可避免地会遇到这些问题。
综上所述，在研究邻近空间高速流动所涉及空气动力学的问题时，在航空学领域面临的主要科学难题即在于气体分子运动论在其应用过程中所存在的局限性。换言之，在大气稀薄区域高速流动中建立坚实的物理理论基础还有待进一步探索和完善。为了突破这一限制条件，在基础研究层面需要继续深入探讨相关问题的同时还需要依靠有效的实证手段来辅助分析与计算工作。缺乏可靠的数据支持就无法对现有理论的有效性作出合理的论证；而且由于气体分子运动论的基本假设本身就是无法直接观测的事实这就使得其应用效果的确切性值得怀疑；截至目前为止并未取得能够充分证明现有计算方法可行性的详细数据
此外，在应用这些理论于实际问题时选择合适的数值模拟方法同样是一项具有挑战性的研究课题。拥有坚实的理论基础的前提下，在连续介质条件下相关研究已经取得了长足的发展进步，并且在大多数情况下能够满足绝大多数工程设计的需求。然而，在基于分子运动论的气体动力学数值模拟方面仍面临着诸多挑战：现有技术难以准确捕捉微观尺度上的流动特征，并且在处理复杂工况时效率较低。因此必须开发有效的简化方法以提高模拟效率。
例如，在讨论气体稀薄效应时，我们可以举一个具体的问题：当分子自由程达到一定程度时（即达到某种程度），很可能已经超越了连续介质中存在湍流或转捩的范围（即不再具备这些特性）。目前我们尚不清楚其临界点在哪里；即便如此，在存在湍流的情况下（即虽然还有 turbulent phenomenon），它们之间的性质是否有显著的不同呢？等等。
这些是我们当前了解的，在研发近空天飞行器过程中可能会面临的新型空气动力学挑战。如果我们在这一领域进展有限的话，在推进近空高速飞行器开发过程中将面临巨大的不确定性。
参考文献：
[1] ChienH S. Superaerodynamics, mechanics of rarfied gases. J Aero Sci, 1946, 13: 653–664
[2] Anderson J.D. 高超音速与高温气体动力学. New York: McGraw-Hill Book Company, 出版于1989年. 第22页.
[3] 沈清. 稀薄气体动力学. 北京: 国防工业出版社, 2003. 70–83, 122–126