原創(chuàng) 莊茁 中國(guó)科協(xié)之聲
導(dǎo) 語(yǔ)
國(guó)家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂是中國(guó)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(dòng)態(tài)。講堂將持續(xù)邀請(qǐng)戰(zhàn)略科學(xué)家、一流科技領(lǐng)軍人才和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，講述突破傳統(tǒng)的前沿探索、卓有成效的改進(jìn)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(jìn)步需要用舉國(guó)之力來推進(jìn)。研制低成本、高可靠性、方便靈活的運(yùn)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(zhǎng)壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學(xué)家永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)”。清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授莊茁在國(guó)家科技傳播中心學(xué)術(shù)發(fā)展講堂上發(fā)表如上觀點(diǎn)。
逐夢(mèng)蒼穹，鑄就強(qiáng)國(guó)之夢(mèng)
莊茁
探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)，是我們不懈追求的航天夢(mèng)?！吧裰邸眴柼臁ⅰ疤旌汀卞塾?、“嫦娥”攬?jiān)?、“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(dòng)中國(guó)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(guó)夢(mèng)持則可圓。
中國(guó)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(guó)的國(guó)家安全和國(guó)際地位，是國(guó)家層面的戰(zhàn)略選擇。新中國(guó)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(guó)成立初期，我國(guó)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(bào)國(guó)熱忱，克服重重困難，帶領(lǐng)中國(guó)航天人從仿制改型到自行設(shè)計(jì)、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(qiáng)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(qiáng)國(guó)建設(shè)的核心驅(qū)動(dòng)力，中國(guó)航天堅(jiān)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(yùn)載火箭“長(zhǎng)征九號(hào)”研制、中國(guó)空間站“天宮”環(huán)繞地球在軌運(yùn)行及“虹云工程”和“鴻雁星座”低軌寬帶通信衛(wèi)星星座計(jì)劃等一系列重大突破，使中國(guó)航天在國(guó)際航天領(lǐng)域中占據(jù)舉足輕重的地位。
當(dāng)前，我國(guó)航天技術(shù)正在多維度向“新”轉(zhuǎn)型。
以運(yùn)載火箭領(lǐng)域?yàn)槔淹瓿蓮囊簹?、液氧火箭燃料向無毒的全液氧甲烷迭代升級(jí)；在材料設(shè)計(jì)上，火箭和飛行器結(jié)構(gòu)也在不斷減輕減薄；在經(jīng)濟(jì)效益上，我國(guó)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(qiáng)的國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力也為技術(shù)研發(fā)體系提供了堅(jiān)實(shí)保障。
在技術(shù)應(yīng)用維度，航天技術(shù)長(zhǎng)期以來主要服務(wù)于國(guó)防安全與重大科研需求。隨著美國(guó)SpaceX公司引領(lǐng)全球商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)模式變革，我國(guó)商業(yè)航天企業(yè)積極跟進(jìn)，推動(dòng)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(guó)商業(yè)航天產(chǎn)業(yè)已構(gòu)建獨(dú)特的ToC市場(chǎng)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(guó)家低空經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的推進(jìn)，航天技術(shù)將在遙感監(jiān)測(cè)、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(hù)及農(nóng)業(yè)等關(guān)鍵場(chǎng)景，向民生經(jīng)濟(jì)多領(lǐng)域拓展。
隨著我國(guó)航天事業(yè)進(jìn)入新階段，航天技術(shù)面臨更高要求。為穩(wěn)步推進(jìn)空間站應(yīng)用與發(fā)展、完成載人月球探測(cè)等重要任務(wù)，持續(xù)提升國(guó)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(diǎn)，筑牢航天強(qiáng)國(guó)的技術(shù)根基。
高安全、長(zhǎng)壽命和輕量化：空天飛行器如何實(shí)現(xiàn)
航天科技的進(jìn)步需要用舉國(guó)之力來推進(jìn)。其中，研制低成本、高可靠性、方便靈活的運(yùn)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(jí)結(jié)構(gòu)重量和提高有效載荷能力。因此，研制高安全、長(zhǎng)壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學(xué)家永遠(yuǎn)追求的目標(biāo)。
斷裂是工程結(jié)構(gòu)最直接、最危險(xiǎn)的破壞形式。空天飛行器高安全、長(zhǎng)壽命與輕量化之間的強(qiáng)約束，使斷裂控制成為我國(guó)空間站實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行、大型飛機(jī)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期服役的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。斷裂控制也是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速分離的重要手段，如運(yùn)載火箭級(jí)間分離、航天員安全逃逸等。
在航天器的設(shè)計(jì)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(qiáng)、疲勞性能好、結(jié)構(gòu)重量輕，是我國(guó)新一代航空航天器的共同需求，也是國(guó)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(diǎn)，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(xiǎn)。
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(guó)際斷裂力學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)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(shí)讓裂紋停止擴(kuò)展，保證結(jié)構(gòu)不發(fā)生斷裂事故；在需要斷裂發(fā)生時(shí)讓裂紋快速擴(kuò)展，比如人員逃逸、穿蓋彈射等，這些都是對(duì)斷裂力學(xué)提出的挑戰(zhàn)。
在國(guó)家重大科技專項(xiàng)、國(guó)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(jī)國(guó)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(tuán)隊(duì)發(fā)明了基于連續(xù)體的殼體斷裂擴(kuò)展有限元技術(shù)和變截面殼體結(jié)構(gòu)裂紋預(yù)測(cè)防控、引導(dǎo)驅(qū)動(dòng)系列技術(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)裂紋實(shí)現(xiàn)能“阻”能“疏”、可“調(diào)”可“控”，創(chuàng)建了殼體斷裂統(tǒng)一計(jì)算理論和方法，提出了殼體裂紋兩側(cè)不連續(xù)位移場(chǎng)和裂尖奇異場(chǎng)擴(kuò)充形函數(shù)，填補(bǔ)了殼體斷裂領(lǐng)域的計(jì)算理論空白，出版了中英文專著《擴(kuò)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(diǎn)求解運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，在連續(xù)體節(jié)點(diǎn)求解動(dòng)力學(xué)方程，解除了殼體斷裂計(jì)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(shí)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(kuò)展的統(tǒng)一計(jì)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(guó)際原創(chuàng)。
美國(guó)、西班牙、英國(guó)學(xué)者評(píng)價(jià)“在殼體中構(gòu)建了擴(kuò)充形函數(shù)，描述了位移場(chǎng)的非連續(xù)性，莊茁團(tuán)隊(duì)的裂紋擴(kuò)展計(jì)算程序是國(guó)際上公認(rèn)的兩個(gè)比較完善的大型計(jì)算程序之一?！?/p>
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(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)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(shí)還建立了能量釋放率的準(zhǔn)則，解決了裂紋擴(kuò)展或止裂的判據(jù)問題，應(yīng)用于工程分析。
這項(xiàng)研究工作主要是針對(duì)我國(guó)空間站密封艙的設(shè)計(jì)問題。十幾年前，我們著手推進(jìn)相關(guān)工程的設(shè)計(jì)，發(fā)明了變截面殼體結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展預(yù)測(cè)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(jì)方法，厘清了壁板厚度、加筋拓?fù)洹⒉季治恢脤?duì)結(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(shí)踐的代表。天和核心艙是中國(guó)空間站發(fā)射入軌的首個(gè)艙段，具備長(zhǎng)期自主飛行能力，可支持航天員長(zhǎng)期駐留，開展多種科學(xué)和技術(shù)試驗(yàn)，起飛質(zhì)量22.5噸，是中國(guó)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(tuán)隊(duì)進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（長(zhǎng)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(huì)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(guó)載人航天器上的首次應(yīng)用，同時(shí)也將我國(guó)載人航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由強(qiáng)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(shí)現(xiàn)飛行器的長(zhǎng)壽命方面，力學(xué)技術(shù)也有重要應(yīng)用價(jià)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(shí)，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(yáng)到背對(duì)太陽(yáng)的周期是1.5小時(shí)。在受太陽(yáng)輻照時(shí)，艙體表面溫度達(dá)100℃，而背對(duì)太陽(yáng)時(shí)，表面溫度達(dá)-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(yàn)證上，要確保航天器的使用壽命達(dá)到15年，倘若按照常規(guī)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，就需要持續(xù)進(jìn)行15年的實(shí)驗(yàn)。這種方式不僅耗時(shí)過長(zhǎng)，還會(huì)嚴(yán)重影響航天器的發(fā)射計(jì)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(shí)間間隔，以此加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(jì)以往是基于強(qiáng)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(qiáng)筋最小間隔由62.8毫米擴(kuò)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(kuò)大加強(qiáng)筋間距，采用變厚度壁板，與蒙皮點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)相比，實(shí)現(xiàn)了天和核心艙在同等尺寸、同等強(qiáng)度下單艙減重超150公斤，減重率達(dá)8.57%，結(jié)構(gòu)重量占比22%，即78%是有效載荷，而國(guó)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(huì)造成有效載荷小，這是我國(guó)空間站優(yōu)于國(guó)際空間站的設(shè)計(jì)，達(dá)到了國(guó)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(guó)自主研制的運(yùn)-20戰(zhàn)略運(yùn)輸機(jī)的機(jī)翼上，使機(jī)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Α＠?，在西氣東輸高壓管道安全評(píng)估、涪陵頁(yè)巖氣水力壓裂開采等領(lǐng)域。未來，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，還將在載人登月和深海探測(cè)等前沿領(lǐng)域得到應(yīng)用。這些場(chǎng)景都涉及力學(xué)理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)用于航天、航空、航海等工程。
對(duì)新時(shí)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(guó)家科技強(qiáng)國(guó)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(jìn)，國(guó)家之間的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)質(zhì)上是科技的競(jìng)爭(zhēng)、人才的競(jìng)爭(zhēng)。面對(duì)技術(shù)迭代加速的時(shí)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(diǎn)。我國(guó)2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要明確提出要大力發(fā)展數(shù)字經(jīng)濟(jì)，推進(jìn)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(jī)遇與挑戰(zhàn)。
航天航空事業(yè)需要大量?jī)?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(diǎn)和落腳點(diǎn)。
以清華大學(xué)為例，清華航空學(xué)科不僅為國(guó)家培養(yǎng)了大批優(yōu)秀人才，還為國(guó)家需要的崗位培養(yǎng)人才，設(shè)立了很多特殊班級(jí)，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(hào)返回后，中國(guó)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(guó)需要的崗位建功立業(yè)，祖國(guó)也選擇了他們。
當(dāng)今時(shí)代，大學(xué)的使命已從教育、科研拓展到引領(lǐng)國(guó)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(dòng)的新范式，這對(duì)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(huì)需求轉(zhuǎn)向主動(dòng)引領(lǐng)發(fā)展。
傳統(tǒng)的人才培養(yǎng)模式強(qiáng)調(diào)對(duì)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(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的支撐；軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與再入返回技術(shù)研發(fā)則需要航天動(dòng)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(yùn)用智能方法進(jìn)行理論和數(shù)據(jù)建模的能力。同時(shí)，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(shí)踐能力以及職業(yè)道德與社會(huì)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(guó)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(shí)、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(qiáng)國(guó)之夢(mèng)。
素材來源：中國(guó)科協(xié)科學(xué)技術(shù)傳播中心
責(zé) 編：胡安妮
審 核：張敬一
終 審：孟令耘
清華大學(xué)鄧志東：人工智能的研究前沿、迭代演進(jìn)與發(fā)展路徑
原標(biāo)題：《清華大學(xué)莊茁：空天飛行器的高安全、長(zhǎng)壽命與輕量化》
