作者:邱晨辉 来源:中国青年报 发布时间:2019/6/3 11:25:26
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为航天器“画像”:就是要破解卡脖子技术

 

30岁的张磊是中国航天科工四院四部一名副主任设计师,每当他讲起自己的职业,外人都很难相信:在过去7年的职业生涯里,他从未到过发射现场,也从未在那里感受过航天器冲破苍穹的发射瞬间。

“所以,你究竟是做什么的?”他不止一次地被问道。

并非所有的航天人都冲锋在发射一线:有的长年伏案实验桌前计算火箭飞行轨迹,有的还要奔走各个试验现场验证理论数据。张磊就是后一类人:计算并设计出一个拥有怎样的外形才能飞得更远、飞得更准的航天器。换句话说,他就是给包括火箭在内的航天器“画像”的人。

每个航天人心中都有一个飞越高山、划破苍穹、破解黑洞的梦想,送达数万公里的高度,定格万亿次的计算。而张磊所在的气动研究团队的梦想,则是用力与热的结合,亲手“画下”火箭的样子,计算出每一个航天器的飞行轨迹,并把它们送上太空——尽管在那最受瞩目的一刻,深藏功与名的他们从未出现在现场。

前不久,在中国青年报·中青在线记者采访期间,这支由22人组成、平均年龄不到33岁的科研团队,刚刚历经5年啃下一块被称作世界级工程应用难题的“硬骨头”。在此之前的2018年,他们在一年之内就组织实施了20多项试验,刷新了年度气动试验数量纪录。他们创新试验方法,还为所在研究单位节省上千万元的科研费用。

而这一切,都源于他们手中的科研“画笔”。

“画笔”决定型号预研成败

“别人看到一艘宇宙飞船,一架航天飞机,一枚运载火箭,一颗人造卫星,往往更关注它们的外观和性能,而在我们的脑海里,浮现的则是这些航天器外观设计运动过程的直观投影。”中国航天科工四院四部气动水动室副主任高太元说。

在别人看来,也许亲眼看到自己研制的航天器发射成功让人激动不已,但对这群气动专业人而言,航天器发射的那一瞬间,不过是按照他们的设定,“重复”此前早已仿真过千百次的飞行画面,而最终的成功,则是对他们前期得出数据的最好检验。

事实上,即便放眼国际航天史,航天器的设计问题都不可小觑。因为设计问题而发生的事故,也让整个航天史多了几分令人唏嘘的悲壮。

比如,还未起飞就在发射台上失火的阿波罗1号。

那次事故造成3名航天员丧命。事后调查发现,阿波罗1号舱门向内开启的设计,导致火灾发生时,宇航员在舱内气压升高的情况下没能打开舱门。

此外,阿波罗1号舱内装载的“空气”也是百分之百纯氧气,在这种环境下,即便是铝,也会像木头般燃烧——火灾的出现也就不令人奇怪了。这次事故的发生,最终迫使美国国家航空航天局暂停了与苏联的太空竞赛。

也因此,在任何一个航天器的研制尤其是预先研制阶段,有关外形气动设计的研究都备受重视,其研究经费往往能达到预研经费的30%乃至50%以上。

正如中国航天科工四院四部气动水动室主任李艳丽所说,气动研究,就是航天器研制的先行军——这一研究描绘了航天器全生命周期的生存环境和穿衣指数,为其他分系统的设计提供了最原始依据。

相应地,这一研究的成败,在很大程度上决定着整个预先研究任务的成功,甚至决定着某个型号最终能否成行。

10多年前,当高太元刚到中科院力学所攻读博士研究生时,他被研究所一楼大厅陈列的30多位院士的照片深深地震撼了。毕业时,有机会选择其他行业的他,最终还是选择了航天,“保家卫国是我的初衷,虽然不能像战士一样冲锋陷阵,但我们能创造出‘不战而屈人之兵’的力量。”

“谁不向往安逸的生活,但总想日子过得更有意义。就像身边的很多女同事‘不爱红妆爱武装’,投身航天器设计这门‘冷科学’之中,同样可以干得投入!”高太元说。

破解卡脖子问题省下千万元量级经费

工欲善其事,必先利其器。过去这几年,高太元所在的这支科研团队不断思考着一个大问题,即如何在最短的时间里,将“几何参数”变为“气动参数”。最终,他们经过几年努力,以一键式智能优化设计为方向,建成了高性能计算中心。

以前,他们只能通过风洞试验来获取“气动参数”,如今,高性能计算中心的出现,可以替代风洞试验获取80%~90%气动数据,每年省下千万元量级的成本。

“就好比设计一辆自行车,先确定自行车各个部件的数据,再根据这些数据在绘图软件上进行手动绘画,诸如钢条、链条、齿轮、螺母等这些小部件都要精确无误。如此一来,一个自行车模型的设计,很可能就需要画个上千笔,如果需设计多个外形供最终挑选,就要耗费难以想象的时间和人力。”李艳丽说。

而如今,采用了一键式智能优化设计,则是在确定部件形状尺寸之后,将得到的数据输入事先设计好的参数化程序,只需按下按钮,所需设计模型即可生成。

从此,老一辈航天设计师“用算盘计算气动参数、十多个人一算就是一个月”的科研场景,成为历史。

“我们的创新就是要从国家需求出发,关注受制于人的技术领域,解决技术瓶颈关键问题。也正是在这个意识下我们提出大量新概念,敢为天下先。”中国航天科工四院四部主任钟世勇说。

李艳丽告诉记者,她所在的四部以气动专业等技术瓶颈为突破口,逐步形成了基于大数据的航天器总体设计创新模式,提升了总体设计方案初始的成熟度和可靠性,迭代设计周期大幅缩短。而这些,也最终形成了面向航天器全生命周期的应用模式,有力支撑了装备的体系化发展。

高太元说,他的日常工作就是和“升阻比”“装填”“稳定性”“防热”“载荷”这些所谓的航天器设计制约因素打交道,“而最有成就感的事,就是将这些制约设计的‘拦路虎’都打倒,破解卡脖子难题,做出方案来。”

满天星云正扑面而来

而这些,在很大程度上得益于这家科研单位对于年轻科技人才的重视。中国航天科工四院四部党委书记张邵军告诉记者,在四院四部,只要肯拼搏进取,只要能创新创效,单个项目团队获奖50万元、100万元,个人拿到十几万元甚至几十万元的奖励早已不是新鲜事,突出贡献专家和学术技术带头人不断涌现。

张磊就是其中一名佼佼者。回忆刚来航天的那段岁月,无数个通宵达旦已经印象模糊,但师傅对他的“唠叨”至今仍回响在耳边:“台阶要一步步地爬,事情要一件件地做”,这样的工作态度伴随他直到现在。

“站在‘山顶’回望最初那段岁月,所有的‘台阶’历历在目,攀爬的过程正是一个气动新人成长的见证。”张磊说。

贾轶楠是一名航天新兵,这位清华大学力学专业高材生择业时,毫不犹豫地迈进中国航天科工四院四部的大门。她告诉记者,气动(水动)团队年轻积极的氛围打动了她,这里有活力,有创造力,很温暖,关注每一个成员的成长。

“很多入职五六年的青年已成为中流砥柱,看到他们,就像看到五六年以后的自己。”贾轶楠说。

在钟世勇看来,“当下是年轻航天人最好的时代”。

他向记者打了个比方,如果把国家任务、航天事业的发展比作一个航天器,那么在他的青年时代,航天器的飞行速度很慢,迎面而来的只是寥寥星辰;而如今,航天器的速度则有了质的飞跃,那种情景就是——浩瀚宇宙中的满天星云,扑面而来!

“这当然要求年轻人拥有更快的反应速度,不能犹豫!”

张邵军说,航天人极少在新闻报道中露面,他们默默地付出隐藏在历史的更深处,中国航天科工四院四部气动研究团队在这一方面尤为典型。“我们清楚自己在干什么,国家认可我们在干什么,人民受益于我们的工作,这就足够了”。

阿波罗1号事故发生后,美国国家航空航天局对该型号做了重新设计,结果就包括舱门的“再设计”:由向内开启,改为向外开启。后来美国人拍了一部电影《阿波罗13号》,还专门提到这次事故。

对李艳丽及其团队来说,他们常常以这样的例子来提醒自己:“我们自己亲手画下的、亲手设计的航天器,还有没有可能出现问题?”

就像他们常常问自己的:“万分之三与万分之四,小数点后第五位的四舍五入,对整个型号任务方案究竟能带来什么影响?”

——失之毫厘,谬以千里。

 
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