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为航天器“画像”:就是要破解卡脖子技术

作者:土木工程
出处:www.lunrr.com
时间:2020-02-14

作者:邱陈晖资料来源:中国青年报发布日期:2019/6/3 11:25336026

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航天器肖像:断颈技术

30岁章雷是中国航天科技第四研究院副主任设计师。每次他谈到自己的职业生涯,局外人都很难相信,在他过去的7年职业生涯中,他从未去过发射场,也从未感受过宇宙飞船破空升空的那一刻。

"那么,你到底是做什么的?"他不止一次被问到。

并非所有的宇航员都在发射的第一线:有些人不得不在办公桌前等上几年来计算火箭的飞行轨迹,有些人不得不在不同的测试地点跑来跑去验证理论数据。张磊是后一种类型的人:计算和设计一个航天器,它能以什么形状飞得更远、更准确。换句话说,他是“画”包括火箭在内的航天器的人。

每个太空人都有一个梦想,飞越高山,穿越天空,破解黑洞,到达数万公里的高度,修正数万亿次计算。张磊空气动力学研究小组的梦想是将力和热结合起来,用自己的手“画”火箭的外观,计算每个航天器的飞行路径,并把它们送入太空尽管在最引人注目的时刻,它们从未带着隐藏的成就和名声出现在现场。

不久前,在接受《中国青年报》中青网记者采访时,这支平均年龄不到33岁的22人研究团队刚刚经历了五年,啃下了一个被称为世界级工程应用问题的“硬骨头”。在此之前,在2018年,他们在一年内组织并实施了20多次测试,创下了年度气动测试的新记录。他们创新了实验方法,为他们的研究单位节省了数千万元的研究费用。

所有这些都来自他们的科学研究“画笔”。

“画笔”决定模型前期研究的成败“%

”当别人看到宇宙飞船、航天飞机、运载火箭和人造卫星时,他们往往会更加关注自己的外观和性能,而在我们的脑海中,浮现的是宇宙飞船外观设计运动过程的直观投影。”中国航天科学技术第四研究院四个气动液压室副主任高太原说。

在其他人看来,看到我们自己开发的宇宙飞船成功发射可能令人兴奋,但对这群气动专业人士来说,宇宙飞船发射的那一刻只是之前模拟了数百次的飞行图像的“重复”,最终的成功是对他们之前获得的数据的最好测试。

事实上,即使看国际太空史,宇宙飞船的设计也不可低估。设计问题引发的事故也给整个太空历史增添了一丝悲伤。

例如,阿波罗1号在起飞前在发射台着火。

事故造成三名宇航员死亡。经过调查,发现阿波罗1号舱门向内开启的设计导致宇航员在舱内气压增加时无法打开舱门。

此外,阿波罗1号太空舱中的“空气”是100%纯氧。在这种环境下,即使铝也会像木头一样燃烧发生火灾并不奇怪。事故最终迫使美国宇航局中止了与苏联的太空竞赛。

因此,在任何航天器的开发中,特别是在前期开发阶段,都非常重视气动外形设计的研究,研究经费往往可以达到前期研究经费的30%甚至50%以上。

正如中国第四航空航天科学技术研究院四个空气动力和流体动力室主任李艳丽所说,空气动力研究是航天器发展的主导力量这项研究描绘了航天器整个生命周期的生存环境和着装指标,为其他子系统的设计提供了最原始的依据。

相应地,这项研究的成败在很大程度上决定了整个前期研究任务的成功,甚至决定了某个模型是否最终能够发生。

10多年前,当高太原刚刚来到中国科学院力学研究所攻读博士学位时,他对该所一楼大厅里展示的30多名院士的照片深感震惊。毕业后,他有机会选择其他行业,最终选择了航天。“保卫我的国家是我的初衷。虽然我们不能像士兵一样带头,但我们可以创造“不战而屈人之兵”的力量。"

“谁不渴望舒适的生活,但总是想过更有意义的生活。就像周围的许多女性同事‘不喜欢红色妆容,但喜欢武装’,她们也可以投身于航天器设计的‘冷科学’”高太原说。

打破瓶颈,节省数千万元的资金

如果一个工人想做好工作,他必须首先磨快他的工具。近几年来,高太原所在的研究团队一直在思考一个大问题,即如何在最短的时间内将“几何参数”转变为“气动参数”。最后,经过几年的努力,他们建立了一个以一键式智能优化设计为方向的高性能计算中心。

以前,他们只能通过风洞试验获得“空气动力学参数”。现在,高性能计算中心的出现可以取代风洞试验获得80%~90%的气动数据,每年节省数千万元。

”这就像设计一辆自行车,首先确定自行车各部分的数据,然后根据数据在绘图软件上手工绘图。钢筋、链条、齿轮、螺母等小零件。必须准确。因此,自行车模型的设计可能需要数以千计的笔画,而且设计多种形状进行最终选择将花费难以想象的时间和人力。”李艳丽说。

现在,采用一键智能优化设计。在确定零件的形状和尺寸之后,获得的数据被输入到预先设计的参数化程序中,并且仅通过按下按钮就可以生成所需的设计模型。

从此,老一辈空间设计师“用算盘计算空气动力学参数,十多人计算一个月”的科研场景成为历史。

“我们的创新是从国家的需要出发,关注别人控制的技术领域,解决技术瓶颈的关键问题。也正是在这个意义上,我们提出了大量新概念,并敢于成为世界第一。”中国航天科学技术第四研究院院长钟时永说。

李艳丽告诉记者,她的四个部门以气动专业等技术瓶颈为切入点,提高总体设计方案的初始成熟度和可靠性,大大缩短迭代设计周期,逐渐形成了基于大数据的航天器总体设计创新模式。然而,这些最终形成了航天器整个生命周期的应用模型,有力地支持了设备的系统开发。

高太原说,他的日常工作是处理所谓的航天器设计约束条件“升阻比”、“载荷”、“稳定性”、“热防护”和“载荷”。最令人满足的事情是打破限制设计的“障碍”,解决问题并提出解决方案。“

满天星云都来了

这些在很大程度上得益于这个科研单位对年轻科技人才的重视。中国航天科技第四研究院党委书记张少军告诉记者,在第四研究院,个人项目团队赢得50万元或100万元并不新鲜,个人赢得10万元以上甚至几十万元,只要他们愿意努力工作,取得进步,只要他们能够创新,创造效果。做出突出贡献的专家、学术和技术领袖不断涌现。

张磊是最好的之一。他第一次来到太空飞行时的记忆模糊了无数通宵的印象,但老师对他的“唠叨”仍在他耳边回响:“台阶应该一步一步地爬,事情应该一件一件地做”。直到现在,这种工作态度一直伴随着他。

”站在山顶,回首最初的几年,我可以清晰地看到所有的台阶。攀爬过程只是一个新气动人成长的见证。”张磊说。

贾一南是一名太空学员。选择职业时,清华大学力学专业毫不犹豫地进入了中国航天科技第四研究院。她告诉记者,气动(流体动力)团队年轻而积极的氛围感动了她。在这里,她充满活力,富有创造力,热情,关心每个成员的成长。

“许多已经工作了五六年的年轻人已经成为中流砥柱。看到他们就像五六年后看到自己一样。”贾一南说。

钟时永认为,“现在是年轻宇航员的最佳时机”。

他给记者打了个比方。如果把国家任务和航天工业的发展比作宇宙飞船,那么在他年轻的时候,宇宙飞船的速度非常慢,只有几颗恒星正在到来。但是现在,飞船的速度已经有了质的飞跃,而那种景象是浩瀚宇宙中满天星云,迎面扑来!

"当然,这需要年轻人有更快的反应速度,不能犹豫!"

张少军说宇航员很少出现在新闻报道中,他们默默的努力隐藏在历史的更深处。中国航天科学技术第四研究院的四个空气动力学研究团队在这方面尤为典型。“我们知道我们在做什么,国家承认我们在做什么,人民从我们的工作中受益,这就足够了。”

阿波罗1号事故后,美国宇航局重新设计了模型,结果包括舱口的“重新设计”:从向内打开到向外打开。后来,美国人拍了一部电影《阿波罗13号》,并特别提到了这起事故。

对于李艳丽和他的团队来说,他们经常用这样的例子提醒自己:“我们亲自绘制和设计的宇宙飞船有什么问题吗?”

正如他们经常问自己的那样,“小数点后第五位在3/10000和4/10000之间的舍入将如何影响整个模型的任务计划?”

-一次失误等于一英里。

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