給飛行器“瘦身”
1克，有多重？
日常生活中的事物可以給出答案：約為一個(gè)紐扣、一根塑料吸管，或者一粒花生米的重量。然而，對(duì)航空航天領(lǐng)域科技工作者而言，1克重量，或許意味著要用一生去探索。
1克，對(duì)動(dòng)輒以噸計(jì)的飛行器，真的那么重要嗎？
提運(yùn)力、降能耗、減成本，就像錢學(xué)森先生曾說(shuō)過(guò)的：“航天器一個(gè)零件減少一克重量都是貢獻(xiàn)。”
20多年前，35歲的張衛(wèi)紅辭去國(guó)外高校終身教職，重返母校西北工業(yè)大學(xué)，投身祖國(guó)航空航天事業(yè)。當(dāng)年的青年學(xué)者，如今已近花甲之年，并成為中國(guó)科學(xué)院院士。張衛(wèi)紅培養(yǎng)的西北工業(yè)大學(xué)空天結(jié)構(gòu)技術(shù)創(chuàng)新攻堅(jiān)團(tuán)隊(duì)，多年來(lái)潛心鉆研“飛行器輕量化”，有力支撐了我國(guó)空天科技發(fā)展。
他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)，更是朝氣蓬勃——187名成員中，80后、90后是絕對(duì)主力，35歲以下青年超過(guò)90%。所有人，都奔著一件事——“為減輕每一克重量而奮斗”。
一
時(shí)光的指針，撥回到1999年。18歲的朱繼宏正讀高三，在保送擇校時(shí)，他早就有了主意：“去西工大，當(dāng)科學(xué)家！”
這位朝氣蓬勃、志向遠(yuǎn)大的大學(xué)生，讓剛回國(guó)不久的張衛(wèi)紅頗為欣慰。在他的悉心栽培下，朱繼宏碩士畢業(yè)后赴歐深造，繼續(xù)鉆研航空航天工程，學(xué)成回國(guó)，加入導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)。
一個(gè)盛夏傍晚，張衛(wèi)紅接到電話：南方一家研究所研制的某型號(hào)飛機(jī)，需重新設(shè)計(jì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)。他打量了一圈團(tuán)隊(duì)成員，決定派朱繼宏、谷小軍前去支援。“年輕人嘛，要多鍛煉。大膽試、大膽闖，我對(duì)你們有信心！”
那時(shí)，朱繼宏是青年教師，剛到而立之年，而谷小軍還在讀碩士研究生，缺乏實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。第一次接到這么重要的任務(wù)，兩個(gè)年輕人既興奮又期待，坐著火車一路南下。
南方的盛夏，溽熱難當(dāng)。因?yàn)檠芯克峒遥R時(shí)辦公室安排在舊倉(cāng)庫(kù)里，頭頂?shù)拇箫L(fēng)扇吱呀作響，仍然驅(qū)趕不走成群的蚊蟲(chóng)與滾滾的熱浪。兩人提著行李剛到，顧不上條件簡(jiǎn)陋，迅即投入“戰(zhàn)斗”。
“設(shè)計(jì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)，得跨過(guò)‘模型處理、網(wǎng)格劃分、載荷評(píng)估’這‘三座大山’。”在朱繼宏看來(lái)，前期建模尤其難，“就跟蓋房子一樣，要是有一根木樁沒(méi)搭好，房子就塌了。”
兩人早出晚歸，忙活了半個(gè)多月，卻一直進(jìn)展不大。深夜，月朗星稀，辦公室旁的小河上映著月光，微風(fēng)拂過(guò)，波光粼粼。“眼看著水面上的月牙‘長(zhǎng)’成了滿月，可咱們的設(shè)計(jì)任務(wù)什么時(shí)候才能完成？”谷小軍耷拉著腦袋，有些泄氣。
朱繼宏也不多言，小聲鼓勵(lì)：“咱們?cè)偌影褎牛 ?/p>
功夫不負(fù)有心人。幾天后，兩個(gè)年輕人攻克關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，思路立馬順暢了許多。緊接著又苦戰(zhàn)了兩個(gè)月，終于出色地完成了設(shè)計(jì)任務(wù)，讓機(jī)翼成功減重近百公斤。
從夏到秋，涼意驅(qū)趕了暑熱，谷小軍感覺(jué)自己仿佛經(jīng)歷了一場(chǎng)“蛻變”。
在攻堅(jiān)中接受歷練，團(tuán)隊(duì)里的年輕人，就這樣一步步成長(zhǎng)。
一次，某大型運(yùn)載火箭需要“一箭多星”方案——即設(shè)計(jì)一種合適結(jié)構(gòu)，把幾顆衛(wèi)星支起來(lái)。張衛(wèi)紅帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)里的年輕人，埋頭設(shè)計(jì)了幾個(gè)月。
“當(dāng)時(shí)，有幾公斤的重量，怎么也減不下來(lái)；幾赫茲的頻率，怎么也提不上去……”參與攻關(guān)的谷小軍記憶猶新。有一天，大伙兒正苦思冥想，有人突然靈光一閃：“誰(shuí)規(guī)定，衛(wèi)星的位置必須一成不變？要不，咱給衛(wèi)星‘挪挪窩兒’，跟隨結(jié)構(gòu)一起設(shè)計(jì)？”
大家都覺(jué)得眼前一亮，可以試一試！公式推導(dǎo)、方程求解……一番論證后，衛(wèi)星找到了合適的“新家”。
“重量減了下來(lái)，頻率提了上去，整體結(jié)構(gòu)高效順暢！”朱繼宏興奮極了，“這看似簡(jiǎn)單的‘協(xié)同優(yōu)化’設(shè)計(jì)思路，是在多少個(gè)通宵達(dá)旦后，才換來(lái)的靈光一閃啊。”
如今，朱繼宏已擔(dān)任博士研究生導(dǎo)師多年，正為祖國(guó)培養(yǎng)更多的青年才俊。谷小軍也已成為副教授，是團(tuán)隊(duì)里的中堅(jiān)力量。
二
給飛行器“瘦身”，創(chuàng)新設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，先進(jìn)制造是保證。團(tuán)隊(duì)里的85后青年科技工作者楊昀，鉆研的正是“把設(shè)計(jì)圖紙變成現(xiàn)實(shí)”。
“在空天制造領(lǐng)域，零件有兩個(gè)特點(diǎn)：輕薄、整體化高。”楊昀介紹，“輕薄自不用說(shuō)，整體化高可減少連接件的數(shù)量。歸根結(jié)底，都是為了‘減重’考量。”
不過(guò)，薄壁整體件制造難度很大——尺寸大、易振動(dòng)、加工效率低。有一次，一家制造廠加工飛機(jī)某零件，因?yàn)樾螤畈灰?guī)則，最薄處僅3毫米，一個(gè)零件加工下來(lái)，用了35天。
“病因”在哪兒？楊昀帶著幾名學(xué)生，開(kāi)始“查體”。“為掌握機(jī)床、刀具、原材料等的特性，我們需要采集各類參數(shù)。”楊昀記得，僅機(jī)床的參數(shù)，就反復(fù)測(cè)量了上千次。
3個(gè)月后，“藥方”開(kāi)出——師生新建的力學(xué)模型，優(yōu)化了工藝，提高了加工效率。“如今加工零件，只要15天。”楊昀興奮地說(shuō)。
日常科研，并不總是一帆風(fēng)順。此前一段“卡殼”的經(jīng)歷，讓楊昀至今難忘。
那是一個(gè)航空零件，加工時(shí)材料容易變形。團(tuán)隊(duì)里的年輕人反復(fù)嘗試，變形誤差范圍仍超出0.1毫米。
這還不算，最讓人頭疼的是——加工零件時(shí)，用同一個(gè)計(jì)算模型、同一套加工參數(shù)、同一套加工工藝，每次的變形幅度都不一樣。
“咋回事兒？”實(shí)驗(yàn)室里，師生面面相覷，百思不得其解。
楊昀決定請(qǐng)教導(dǎo)師張衛(wèi)紅。過(guò)了一天，導(dǎo)師打來(lái)電話：“你們建的力學(xué)模型中，可能有一項(xiàng)參數(shù)并不是固定值。”
一語(yǔ)驚醒夢(mèng)中人。楊昀帶著學(xué)生一一排查，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可能出在毛坯原材料的參數(shù)上。
“每次加工，都用同一種原料，來(lái)自同一個(gè)廠家。我們就想當(dāng)然地以為，這項(xiàng)參數(shù)是固定值。”楊昀解釋道，實(shí)際上每批次的毛坯料，力學(xué)性能都可能有波動(dòng)。“于是，我們把固定參數(shù)，替換成了數(shù)值區(qū)間。找準(zhǔn)‘病灶’，模型很快得到優(yōu)化。”
這些年來(lái)，導(dǎo)師的淵博學(xué)識(shí)和扎實(shí)功底，楊昀已多次領(lǐng)教。最讓他感佩的，是老一輩科研工作者的勤奮敬業(yè)、一絲不茍。
一次，張衛(wèi)紅出差回來(lái)，把論文修改意見(jiàn)遞給楊昀——那是航班上的一個(gè)清潔袋，上面寫(xiě)滿了密密麻麻的公式。原來(lái)飛機(jī)上找不到紙，張衛(wèi)紅便就地取材，出差途中的點(diǎn)滴時(shí)光，都不肯浪費(fèi)。
楊昀也秉承了老師的認(rèn)真勁兒，他常常和年輕學(xué)生們一起做研究，在制造廠里蹲點(diǎn)調(diào)研，在實(shí)驗(yàn)室里忙到深夜。
三
浩瀚蒼穹中，衛(wèi)星的天線與太陽(yáng)能電池板，猶如一把“傘”，徐徐打開(kāi)。在奔向遙遠(yuǎn)的星辰大海時(shí)，“傘”越撐越大。為給衛(wèi)星“瘦身”，這把“大傘”不配備傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置，僅靠一種智能材料便能自動(dòng)展開(kāi)。
這幅圖景，34歲的張亞輝設(shè)想過(guò)無(wú)數(shù)次。“空天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)”里的這位青年科技工作者，多年來(lái)研究“空天智能變體結(jié)構(gòu)”——嘗試在創(chuàng)新設(shè)計(jì)、先進(jìn)制造等“飛行器瘦身攻略”之外，探索一種“更遙遠(yuǎn)的未來(lái)”。
不用外力，自動(dòng)變形。什么材料，這么神奇？
“它叫形狀記憶合金，能‘記住’自己原來(lái)的模樣。當(dāng)溫度改變時(shí)，它會(huì)根據(jù)需求，主動(dòng)改變形狀與強(qiáng)度。”張亞輝說(shuō)，“我天天打交道的就是這種合金，知道它剛?cè)岵?jì)，‘記憶’超群。”
2021年秋天，張亞輝在《智能材料與結(jié)構(gòu)》選修課上，介紹了這類合金的應(yīng)用場(chǎng)景。他鼓勵(lì)學(xué)生大膽設(shè)想：“你們負(fù)責(zé)設(shè)想，我負(fù)責(zé)幫你們實(shí)現(xiàn)。”
大三學(xué)生陳禹丞的“金點(diǎn)子”，讓張亞輝感嘆后生可畏。
“衛(wèi)星的天線或電池板，能否用智能材料，做成扇子形狀？”這個(gè)00后小伙子思路活躍，“扇子‘展開(kāi)比’很大，收起來(lái)很小，又輕又方便。”
“在太空展開(kāi)一把扇子，這個(gè)想法很新穎！”得到老師肯定，陳禹丞很受鼓舞，他一頭鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里，查資料、測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)方案……
幾個(gè)月的努力，換來(lái)了初步方案。方案交給老師后，陳禹丞滿心歡喜。不料張亞輝一針見(jiàn)血地指出：方案“好看”，但不夠?qū)嵱茫吧咸斓臇|西，不能忘記‘輕量化’的初衷，要‘死摳’每一克重量。”
大膽設(shè)想，小心求證，老師的教導(dǎo)，陳禹丞心悅誠(chéng)服。
又經(jīng)過(guò)兩年的探索，陳禹丞的“金點(diǎn)子”邁出了實(shí)驗(yàn)室原理樣機(jī)的第一步：這種超輕量化裝置，自主展開(kāi)近1米時(shí)，所用的驅(qū)動(dòng)材料僅重1.6克，相關(guān)專利申請(qǐng)已被授權(quán)。新的學(xué)期，陳禹丞繼續(xù)攻讀碩士學(xué)位。朝氣蓬勃的“空天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)”里，又多了一名00后青年才俊。
自2008年進(jìn)入西北工業(yè)大學(xué)后，張亞輝15年來(lái)潛心科研，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的電腦文件越來(lái)越多。
就像數(shù)據(jù)的點(diǎn)滴聚壘，“空天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)”里，每一位成員用科研熱情聚壘成了靚麗的“青春圖景”。這些年來(lái)，團(tuán)隊(duì)先后獲得國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)、國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)，今年還獲評(píng)“中國(guó)青年五四獎(jiǎng)?wù)录w”。
夢(mèng)，在云霄之上，在星辰大海。“輕量化，是飛行器永恒的追求”，“空天結(jié)構(gòu)團(tuán)隊(duì)”逐夢(mèng)的步伐，將永不停歇……
