作者:高炳 来源:人民日报 发布时间:2023/9/13 10:59:16
选择字号:
给飞行器“瘦身”

 

  ?

图①:张卫红(右一)和团队成员探讨科研进展。

图②:朱继宏(右一)和团队成员在做实验。

西北工业大学供图

1克,有多重?

日常生活中的事物可以给出答案:约为一个纽扣、一根塑料吸管,或者一粒花生米的重量。然而,对航空航天领域科技工作者而言,1克重量,或许意味着要用一生去探索。

1克,对动辄以吨计的飞行器,真的那么重要吗?

提运力、降能耗、减成本,就像钱学森先生曾说过的:“航天器一个零件减少一克重量都是贡献。”

20多年前,35岁的张卫红辞去国外高校终身教职,重返母校西北工业大学,投身祖国航空航天事业。当年的青年学者,如今已近花甲之年,并成为中国科学院院士。张卫红培养的西北工业大学空天结构技术创新攻坚团队,多年来潜心钻研“飞行器轻量化”,有力支撑了我国空天科技发展。

他带领的团队,更是朝气蓬勃——187名成员中,80后、90后是绝对主力,35岁以下青年超过90%。所有人,都奔着一件事——“为减轻每一克重量而奋斗”。

01

时光的指针,拨回到1999年。18岁的朱继宏正读高三,在保送择校时,他早就有了主意:“去西工大,当科学家!”

这位朝气蓬勃、志向远大的大学生,让刚回国不久的张卫红颇为欣慰。在他的悉心栽培下,朱继宏硕士毕业后赴欧深造,继续钻研航空航天工程,学成回国,加入导师团队。

一个盛夏傍晚,张卫红接到电话:南方一家研究所研制的某型号飞机,需重新设计机翼结构。他打量了一圈团队成员,决定派朱继宏、谷小军前去支援。“年轻人嘛,要多锻炼。大胆试、大胆闯,我对你们有信心!”

那时,朱继宏是青年教师,刚到而立之年,而谷小军还在读硕士研究生,缺乏实战经验。第一次接到这么重要的任务,两个年轻人既兴奋又期待,坐着火车一路南下。

南方的盛夏,溽热难当。因为研究所搬家,临时办公室安排在旧仓库里,头顶的大风扇吱呀作响,仍然驱赶不走成群的蚊虫与滚滚的热浪。两人提着行李刚到,顾不上条件简陋,迅即投入“战斗”。

“设计机翼结构,得跨过‘模型处理、网格划分、载荷评估’这‘三座大山’。”在朱继宏看来,前期建模尤其难,“就跟盖房子一样,要是有一根木桩没搭好,房子就塌了。”

两人早出晚归,忙活了半个多月,却一直进展不大。深夜,月朗星稀,办公室旁的小河上映着月光,微风拂过,波光粼粼。“眼看着水面上的月牙‘长’成了满月,可咱们的设计任务什么时候才能完成?”谷小军耷拉着脑袋,有些泄气。

朱继宏也不多言,小声鼓励:“咱们再加把劲!”

功夫不负有心人。几天后,两个年轻人攻克关键节点,思路立马顺畅了许多。紧接着又苦战了两个月,终于出色地完成了设计任务,让机翼成功减重近百公斤。

从夏到秋,凉意驱赶了暑热,谷小军感觉自己仿佛经历了一场“蜕变”。

在攻坚中接受历练,团队里的年轻人,就这样一步步成长。

一次,某大型运载火箭需要“一箭多星”方案——即设计一种合适结构,把几颗卫星支起来。张卫红带领团队里的年轻人,埋头设计了几个月。

“当时,有几公斤的重量,怎么也减不下来;几赫兹的频率,怎么也提不上去……”参与攻关的谷小军记忆犹新。有一天,大伙儿正苦思冥想,有人突然灵光一闪:“谁规定,卫星的位置必须一成不变?要不,咱给卫星‘挪挪窝儿’,跟随结构一起设计?”

大家都觉得眼前一亮,可以试一试!公式推导、方程求解……一番论证后,卫星找到了合适的“新家”。

“重量减了下来,频率提了上去,整体结构高效顺畅!”朱继宏兴奋极了,“这看似简单的‘协同优化’设计思路,是在多少个通宵达旦后,才换来的灵光一闪啊。”

如今,朱继宏已担任博士研究生导师多年,正为祖国培养更多的青年才俊。谷小军也已成为副教授,是团队里的中坚力量。

02

给飞行器“瘦身”,创新设计是关键,先进制造是保证。团队里的85后青年科技工作者杨昀,钻研的正是“把设计图纸变成现实”。

“在空天制造领域,零件有两个特点:轻薄、整体化高。”杨昀介绍,“轻薄自不用说,整体化高可减少连接件的数量。归根结底,都是为了‘减重’考量。”

不过,薄壁整体件制造难度很大——尺寸大、易振动、加工效率低。有一次,一家制造厂加工飞机某零件,因为形状不规则,最薄处仅3毫米,一个零件加工下来,用了35天。

“病因”在哪儿?杨昀带着几名学生,开始“查体”。“为掌握机床、刀具、原材料等的特性,我们需要采集各类参数。”杨昀记得,仅机床的参数,就反复测量了上千次。

3个月后,“药方”开出——师生新建的力学模型,优化了工艺,提高了加工效率。“如今加工零件,只要15天。”杨昀兴奋地说。

日常科研,并不总是一帆风顺。此前一段“卡壳”的经历,让杨昀至今难忘。

那是一个航空零件,加工时材料容易变形。团队里的年轻人反复尝试,变形误差范围仍超出0.1毫米。

这还不算,最让人头疼的是——加工零件时,用同一个计算模型、同一套加工参数、同一套加工工艺,每次的变形幅度都不一样。

“咋回事儿?”实验室里,师生面面相觑,百思不得其解。

杨昀决定请教导师张卫红。过了一天,导师打来电话:“你们建的力学模型中,可能有一项参数并不是固定值。”

一语惊醒梦中人。杨昀带着学生一一排查,发现问题可能出在毛坯原材料的参数上。

“每次加工,都用同一种原料,来自同一个厂家。我们就想当然地以为,这项参数是固定值。”杨昀解释道,实际上每批次的毛坯料,力学性能都可能有波动。“于是,我们把固定参数,替换成了数值区间。找准‘病灶’,模型很快得到优化。”

这些年来,导师的渊博学识和扎实功底,杨昀已多次领教。最让他感佩的,是老一辈科研工作者的勤奋敬业、一丝不苟。

一次,张卫红出差回来,把论文修改意见递给杨昀——那是航班上的一个清洁袋,上面写满了密密麻麻的公式。原来飞机上找不到纸,张卫红便就地取材,出差途中的点滴时光,都不肯浪费。

杨昀也秉承了老师的认真劲儿,他常常和年轻学生们一起做研究,在制造厂里蹲点调研,在实验室里忙到深夜。

03

浩瀚苍穹中,卫星的天线与太阳能电池板,犹如一把“伞”,徐徐打开。在奔向遥远的星辰大海时,“伞”越撑越大。为给卫星“瘦身”,这把“大伞”不配备传统驱动装置,仅靠一种智能材料便能自动展开。

这幅图景,34岁的张亚辉设想过无数次。“空天结构团队”里的这位青年科技工作者,多年来研究“空天智能变体结构”——尝试在创新设计、先进制造等“飞行器瘦身攻略”之外,探索一种“更遥远的未来”。

不用外力,自动变形。什么材料,这么神奇?

“它叫形状记忆合金,能‘记住’自己原来的模样。当温度改变时,它会根据需求,主动改变形状与强度。”张亚辉说,“我天天打交道的就是这种合金,知道它刚柔并济,‘记忆’超群。”

2021年秋天,张亚辉在《智能材料与结构》选修课上,介绍了这类合金的应用场景。他鼓励学生大胆设想:“你们负责设想,我负责帮你们实现。”

大三学生陈禹丞的“金点子”,让张亚辉感叹后生可畏。

“卫星的天线或电池板,能否用智能材料,做成扇子形状?”这个00后小伙子思路活跃,“扇子‘展开比’很大,收起来很小,又轻又方便。”

“在太空展开一把扇子,这个想法很新颖!”得到老师肯定,陈禹丞很受鼓舞,他一头钻进实验室里,查资料、测数据、设计方案……

几个月的努力,换来了初步方案。方案交给老师后,陈禹丞满心欢喜。不料张亚辉一针见血地指出:方案“好看”,但不够实用,“上天的东西,不能忘记‘轻量化’的初衷,要‘死抠’每一克重量。”

大胆设想,小心求证,老师的教导,陈禹丞心悦诚服。

又经过两年的探索,陈禹丞的“金点子”迈出了实验室原理样机的第一步:这种超轻量化装置,自主展开近1米时,所用的驱动材料仅重1.6克,相关专利申请已被授权。新的学期,陈禹丞继续攻读硕士学位。朝气蓬勃的“空天结构团队”里,又多了一名00后青年才俊。

自2008年进入西北工业大学后,张亚辉15年来潜心科研,记录实验数据的电脑文件越来越多。

就像数据的点滴聚垒,“空天结构团队”里,每一位成员用科研热情聚垒成了靓丽的“青春图景”。这些年来,团队先后获得国家自然科学奖、国家技术发明奖,今年还获评“中国青年五四奖章集体”。

梦,在云霄之上,在星辰大海。“轻量化,是飞行器永恒的追求”,“空天结构团队”逐梦的步伐,将永不停歇……

 
特别声明:本文转载仅仅是出于传播信息的需要,并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性;如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用,须保留本网站注明的“来源”,并自负版权等法律责任;作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜,请与我们接洽。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
野外回归的墨脱百合在原生地首次开花 科学家创有机小分子催化新纪录
科学家欲在脆弱冰川周围建屏障 7月福利!科学网APP论文&基金最新活动
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文