國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂是中國科協(xié)最新推出的一檔學(xué)術(shù)欄目，突出前沿性、思辨性和傳播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，傳播學(xué)術(shù)領(lǐng)域的前沿發(fā)展動態(tài)。講堂將持續(xù)邀請戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團隊，講述突破傳統(tǒng)的前沿探索、卓有成效的改進方法、顛覆認(rèn)知的創(chuàng)新理論以及改寫行業(yè)規(guī)則的研究成果。今日為您推送第四期內(nèi)容，一起看→
“航天科技的進步需要用舉國之力來推進。研制低成本、高可靠性、方便靈活的運載工具是航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，而研制高安全、長壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學(xué)家永遠追求的目標(biāo)”。清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授莊茁在國家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂上發(fā)表如上觀點。
逐夢蒼穹，鑄就強國之夢
探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強國，是我們不懈追求的航天夢?！吧裰邸眴柼?、“天和”遨游、“嫦娥”攬月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“悟空”“慧眼”探索宇宙奧秘……一代代航天人前赴后繼，推動中國航天事業(yè)向前發(fā)展。太空探索永無止境，偉大復(fù)興的中國夢持則可圓。
中國航天的自主創(chuàng)新與多維轉(zhuǎn)型
航天航空技術(shù)的發(fā)展支撐著我國的國家安全和國際地位，是國家層面的戰(zhàn)略選擇。新中國航天事業(yè)的發(fā)展史是一部自力更生、自主創(chuàng)新的歷史。新中國成立初期，我國航天領(lǐng)域幾乎從零起步。錢學(xué)森等老一輩科學(xué)家心懷報國熱忱，克服重重困難，帶領(lǐng)中國航天人從仿制改型到自行設(shè)計、再到自主創(chuàng)新，成功完成“兩彈一星”等戰(zhàn)略任務(wù)。王永志等第二代航天科學(xué)家繼往開來，帶領(lǐng)新一代航天人自強不息、勇于探索，成功完成“載人航天”等戰(zhàn)略任務(wù)。
技術(shù)創(chuàng)新是航天強國建設(shè)的核心驅(qū)動力，中國航天堅持走自主可控的發(fā)展道路，聚焦關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)。近幾年取得了諸如重型運載火箭“長征九號”研制、中國空間站“天宮”環(huán)繞地球在軌運行及“虹云工程”和“鴻雁星座”低軌寬帶通信衛(wèi)星星座計劃等一系列重大突破，使中國航天在國際航天領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的地位。
當(dāng)前，我國航天技術(shù)正在多維度向“新”轉(zhuǎn)型。
以運載火箭領(lǐng)域為例，已完成從液氫、液氧火箭燃料向無毒的全液氧甲烷迭代升級；在材料設(shè)計上，火箭和飛行器結(jié)構(gòu)也在不斷減輕減??；在經(jīng)濟效益上，我國的商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)正在探索可回收火箭技術(shù)；持續(xù)增強的國家經(jīng)濟實力也為技術(shù)研發(fā)體系提供了堅實保障。
在技術(shù)應(yīng)用維度，航天技術(shù)長期以來主要服務(wù)于國防安全與重大科研需求。隨著美國SpaceX公司引領(lǐng)全球商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)模式變革，我國商業(yè)航天企業(yè)積極跟進，推動航天技術(shù)向民生領(lǐng)域深度滲透。依托全球最大的互聯(lián)網(wǎng)用戶基數(shù)，我國商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)已構(gòu)建獨特的ToC市場基礎(chǔ)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)就是航天技術(shù)民用化的典型代表。隨著國家低空經(jīng)濟戰(zhàn)略的推進，航天技術(shù)將在遙感監(jiān)測、高精度定位等領(lǐng)域形成技術(shù)支撐體系，賦能城市規(guī)劃、智慧物流、應(yīng)急救援、生態(tài)保護及農(nóng)業(yè)等關(guān)鍵場景，向民生經(jīng)濟多領(lǐng)域拓展。
隨著我國航天事業(yè)進入新階段，航天技術(shù)面臨更高要求。為穩(wěn)步推進空間站應(yīng)用與發(fā)展、完成載人月球探測等重要任務(wù)，持續(xù)提升國防安全與民生保障能力，航天裝備需不斷突破核心技術(shù)難點，筑牢航天強國的技術(shù)根基。
高安全、長壽命和輕量化：空天飛行器如何實現(xiàn)
航天科技的進步需要用舉國之力來推進。其中，研制低成本、高可靠性、方便靈活的運載工具是航天事業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵任務(wù)，更為重要的是減輕上面級結(jié)構(gòu)重量和提高有效載荷能力。因此，研制高安全、長壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學(xué)家永遠追求的目標(biāo)。
斷裂是工程結(jié)構(gòu)最直接、最危險的破壞形式。空天飛行器高安全、長壽命與輕量化之間的強約束，使斷裂控制成為我國空間站實現(xiàn)長期運行、大型飛機實現(xiàn)長期服役的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。斷裂控制也是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速分離的重要手段，如運載火箭級間分離、航天員安全逃逸等。
在航天器的設(shè)計中，板殼是飛行器最主要的結(jié)構(gòu)形式，整體加工成型的變截面殼體結(jié)構(gòu)承載能力強、疲勞性能好、結(jié)構(gòu)重量輕，是我國新一代航空航天器的共同需求，也是國際上大型飛行器的共同需求。然而，板殼整體結(jié)構(gòu)缺少局部止裂元素，加之大型變截面殼體特征尺寸差異大，受力工況復(fù)雜，其斷裂過程耦合了全部I/II/III型斷裂模式，一旦出現(xiàn)裂紋，呈現(xiàn)易失穩(wěn)、難控制的特點，局部斷裂極易誘發(fā)全局性、災(zāi)難性后果，這為人員和飛行器結(jié)構(gòu)安全帶來了極大風(fēng)險。
先前，板殼斷裂一直局限于基爾霍夫薄板與明德林中厚板兩套理論分段主導(dǎo)的狀態(tài)，不具備普適性，是國際斷裂力學(xué)領(lǐng)域長期攻而未克的難題。航天器需要板殼整體加工，如何讓斷裂可控，即在需要止裂時讓裂紋停止擴展，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生斷裂事故；在需要斷裂發(fā)生時讓裂紋快速擴展，比如人員逃逸、穿蓋彈射等，這些都是對斷裂力學(xué)提出的挑戰(zhàn)。
在國家重大科技專項、國家自然科學(xué)基金支持下，歷經(jīng)30余年攻關(guān)，面向空間站、大飛機國家重大戰(zhàn)略工程等領(lǐng)域，圍繞“斷裂控制”核心問題，我們團隊發(fā)明了基于連續(xù)體的殼體斷裂擴展有限元技術(shù)和變截面殼體結(jié)構(gòu)裂紋預(yù)測防控、引導(dǎo)驅(qū)動系列技術(shù)，對結(jié)構(gòu)裂紋實現(xiàn)能“阻”能“疏”、可“調(diào)”可“控”，創(chuàng)建了殼體斷裂統(tǒng)一計算理論和方法，提出了殼體裂紋兩側(cè)不連續(xù)位移場和裂尖奇異場擴充形函數(shù)，填補了殼體斷裂領(lǐng)域的計算理論空白，出版了中英文專著《擴展有限單元法》。
我們突破了傳統(tǒng)殼體有限元思路，建立了連續(xù)體與殼體關(guān)聯(lián)方程，在殼體節(jié)點求解運動學(xué)方程，在連續(xù)體節(jié)點求解動力學(xué)方程，解除了殼體斷裂計算與厚度的相關(guān)性；構(gòu)建了連續(xù)體殼相互作用積分，建立了基于能量釋放率的連續(xù)體殼斷裂準(zhǔn)則，實現(xiàn)了變厚度殼體結(jié)構(gòu)三維裂紋沿復(fù)雜路徑自然、自主擴展的統(tǒng)一計算，解決了傳統(tǒng)殼體有限元受薄殼、厚殼的理論限制，以及需要預(yù)先指定裂紋路徑的問題。這些成果屬國際原創(chuàng)。
美國、西班牙、英國學(xué)者評價“在殼體中構(gòu)建了擴充形函數(shù)，描述了位移場的非連續(xù)性，莊茁團隊的裂紋擴展計算程序是國際上公認(rèn)的兩個比較完善的大型計算程序之一。”
具體到方法和思路，我們建立的是基于連續(xù)體的殼方程，從運動學(xué)和動力學(xué)關(guān)聯(lián)兩方面解決了變形協(xié)調(diào)和力的平衡問題，同時還建立了能量釋放率的準(zhǔn)則，解決了裂紋擴展或止裂的判據(jù)問題，應(yīng)用于工程分析。
這項研究工作主要是針對我國空間站密封艙的設(shè)計問題。十幾年前，我們著手推進相關(guān)工程的設(shè)計，發(fā)明了變截面殼體結(jié)構(gòu)裂紋擴展預(yù)測與止裂控制技術(shù)，建立了變截面殼體結(jié)構(gòu)參數(shù)與斷裂控制自適應(yīng)優(yōu)化設(shè)計方法，厘清了壁板厚度、加筋拓?fù)洹⒉季治恢脤Y(jié)構(gòu)疲勞斷裂壽命的影響規(guī)律，突破了整體結(jié)構(gòu)斷裂易失穩(wěn)、難控制的技術(shù)瓶頸。
在安全性方面，天和核心艙是技術(shù)成功實踐的代表。天和核心艙是中國空間站發(fā)射入軌的首個艙段，具備長期自主飛行能力，可支持航天員長期駐留，開展多種科學(xué)和技術(shù)試驗，起飛質(zhì)量22.5噸，是中國自主研制的規(guī)模最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的航天器。天和核心艙由我們團隊進行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計（長11.6m，直徑4.2m），并以壽命期裂紋不穿透殼體壁板為準(zhǔn)則，即如果出現(xiàn)初始裂紋，不會形成穿透裂紋，克服了安全性這一大難關(guān)。這是變截面殼體整體結(jié)構(gòu)在我國載人航天器上的首次應(yīng)用，同時也將我國載人航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計由強度準(zhǔn)則革新為基于斷裂控制的疲勞損傷容限準(zhǔn)則。
在實現(xiàn)飛行器的長壽命方面，力學(xué)技術(shù)也有重要應(yīng)用價值。以天和核心艙為例，艙體外部太空環(huán)境是零氣壓，內(nèi)部壓力是91kPa±10kPa，是航天員生存的基本環(huán)境條件。在此工況下，由內(nèi)外壓差導(dǎo)致的應(yīng)力作用在艙體結(jié)構(gòu)上。同時，空間站繞行地球需要每日經(jīng)歷16次日照與陰影區(qū)的交替，從面向太陽到背對太陽的周期是1.5小時。在受太陽輻照時，艙體表面溫度達100℃，而背對太陽時，表面溫度達-100℃。這200℃的溫差導(dǎo)致了交變溫度應(yīng)力，產(chǎn)生了空間站的疲勞壽命問題。在航天器疲勞壽命驗證上，要確保航天器的使用壽命達到15年，倘若按照常規(guī)方法進行實驗驗證，就需要持續(xù)進行15年的實驗。這種方式不僅耗時過長，還會嚴(yán)重影響航天器的發(fā)射計劃。因此，我們采取了一種替代方案：通過在地面模擬太空環(huán)境，利用注入氣壓和釋放氣壓的方式模擬太空溫度變化所產(chǎn)生的交變應(yīng)力，從而縮短疲勞載荷的時間間隔，以此加速實驗進程，保證了2021年的正常發(fā)射。
在輕量化方面，航天領(lǐng)域的飛行器設(shè)計以往是基于強度準(zhǔn)則，導(dǎo)致航天器尺寸偏大、偏重。我們基于斷裂控制的疲勞損傷容限新準(zhǔn)則，制造出一系列變截面殼體，例如將加強筋最小間隔由62.8毫米擴大至162毫米，壁板由3.5毫米等厚度優(yōu)化為2毫米至3.5毫米變厚度，減薄了部分應(yīng)力不大且不集中的位置。通過擴大加強筋間距，采用變厚度壁板，與蒙皮點焊結(jié)構(gòu)相比，實現(xiàn)了天和核心艙在同等尺寸、同等強度下單艙減重超150公斤，減重率達8.57%，結(jié)構(gòu)重量占比22%，即78%是有效載荷，而國際空間站的結(jié)構(gòu)重量占比30%。顯然，結(jié)構(gòu)重量多，就會造成有效載荷小，這是我國空間站優(yōu)于國際空間站的設(shè)計，達到了國際領(lǐng)先水平，核心技術(shù)是采用了變厚度整體殼體結(jié)構(gòu)。這些技術(shù)不僅應(yīng)用在空間站上，也應(yīng)用在我國自主研制的運-20戰(zhàn)略運輸機的機翼上，使機翼的整體壁板結(jié)構(gòu)減重1000公斤。
這些技術(shù)還具備廣泛的拓展?jié)摿?。例如，在西氣東輸高壓管道安全評估、涪陵頁巖氣水力壓裂開采等領(lǐng)域。未來，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，還將在載人登月和深海探測等前沿領(lǐng)域得到應(yīng)用。這些場景都涉及力學(xué)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)用于航天、航空、航海等工程。
對新時代航天航空領(lǐng)域人才培養(yǎng)的思考
航天事業(yè)取得的跨越式發(fā)展成就，既是踐行國家科技強國戰(zhàn)略的里程碑成果，更是幾代航天科技人才接續(xù)奮斗的智慧結(jié)晶。當(dāng)前，世界百年未有之大變局加速演進，國家之間的競爭實質(zhì)上是科技的競爭、人才的競爭。面對技術(shù)迭代加速的時代特征，必須著力構(gòu)建與科技發(fā)展需求相適配的人才核心能力體系。
人類歷史上的前三次工業(yè)革命分別以蒸汽、電力、信息等單一技術(shù)為特征，第四次工業(yè)革命則體現(xiàn)了人工智能、大數(shù)據(jù)、生物技術(shù)、納米技術(shù)等群體技術(shù)涌現(xiàn)和融合的特點。我國2035年遠景目標(biāo)綱要明確提出要大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟，推進數(shù)字產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)業(yè)數(shù)字化，凸顯了數(shù)字算力的重要性，這也為航空、宇航、力學(xué)等學(xué)科帶來了重大的機遇與挑戰(zhàn)。
航天航空事業(yè)需要大量優(yōu)秀人才，而大學(xué)的辦學(xué)宗旨就是教育培養(yǎng)人才，這是學(xué)校一切工作的出發(fā)點和落腳點。
以清華大學(xué)為例，清華航空學(xué)科不僅為國家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，還為國家需要的崗位培養(yǎng)人才，設(shè)立了很多特殊班級，比如錢學(xué)森力學(xué)班、航天員工程碩士班、空軍-清華聯(lián)合培養(yǎng)飛行員班等。其中，2009年至今，錢學(xué)森力學(xué)班已培養(yǎng)了15屆450余名本科生；2005年11月，在神舟六號返回后，中國首批航天員中的13人成為了“航天員工程碩士班”學(xué)員，并于2020年1月全部完成了工程碩士學(xué)位的學(xué)習(xí)；2011年9月，“空軍-清華聯(lián)合培養(yǎng)飛行員班”成立，首批32名飛行學(xué)員成為了空軍航空大學(xué)和清華大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的本科生，至今已經(jīng)培養(yǎng)了400余名飛行員本科生。
學(xué)生選擇到祖國需要的崗位建功立業(yè)，祖國也選擇了他們。
當(dāng)今時代，大學(xué)的使命已從教育、科研拓展到引領(lǐng)國家和區(qū)域的創(chuàng)新體系，尤其在工科教育上突破了專業(yè)概念，形成學(xué)科交融、問題導(dǎo)向、產(chǎn)教融合、創(chuàng)新驅(qū)動的新范式，這對人才的能力和素質(zhì)培養(yǎng)提出了新要求。工科研究生教育正面臨三大轉(zhuǎn)型，一是從學(xué)科導(dǎo)向轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)需求導(dǎo)向；二是從專業(yè)分割轉(zhuǎn)向跨界融合；三是從適應(yīng)社會需求轉(zhuǎn)向主動引領(lǐng)發(fā)展。
傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式強調(diào)對單一學(xué)科的學(xué)習(xí)，存在科研與工程應(yīng)用脫節(jié)的情況，而航空航天事業(yè)的發(fā)展需要構(gòu)建多學(xué)科交叉的人才體系。舉例而言，導(dǎo)航控制系統(tǒng)作為關(guān)鍵技術(shù)，既需要導(dǎo)航制導(dǎo)與控制專業(yè)的人才，也需要計算機科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的支撐；軌道優(yōu)化設(shè)計與再入返回技術(shù)研發(fā)則需要航天動力學(xué)、固體力學(xué)、材料科學(xué)與控制領(lǐng)域的專業(yè)人才。
面向未來發(fā)展，人才培養(yǎng)應(yīng)聚焦兩大方向：一是學(xué)科必須要有交叉，要培養(yǎng)跨界的復(fù)合型人才；二是要重視人工智能技術(shù)，要培養(yǎng)學(xué)生運用智能方法進行理論和數(shù)據(jù)建模的能力。同時，要重視訓(xùn)練提升學(xué)生創(chuàng)意、創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的能力，全球勝任力，工程實踐能力以及職業(yè)道德與社會責(zé)任感。
優(yōu)秀的教育工作者作為人才培養(yǎng)的核心責(zé)任人，肩負(fù)著為國家培養(yǎng)高層次創(chuàng)新人才的重要使命，要始終遵循學(xué)術(shù)擔(dān)當(dāng)，創(chuàng)新求實、頂天立地，追求卓越的行為規(guī)范，努力將教育、科技和人才培養(yǎng)緊密結(jié)合，鑄就強國之夢。
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