自制火箭發(fā)射架，保送清華

唐雪

孟齊志是清華大學機械工程系研究生。作為一名“機械迷”，他在北京科技大學本科階段就玩轉各大競賽；大四保研后，他開始埋首科研，從事結構拓撲優(yōu)化的相關研究。從競賽狂人到學術小生，孟齊志對機械專業(yè)的熱愛始終如一。

自制火箭發(fā)射架

在2012年全國科研類航空航天模型錦標賽中，孟齊志作為校航模隊火箭組成員，初踏競賽之路。

他所在小組的參賽項目是模型航天器，大功告成之際，團隊將場地選在奧森公園觀光塔西側的草地。隨著火箭的升空，大家卻發(fā)現火箭姿態(tài)向北側傾斜。最后燃料燃盡，火箭在降落傘的鉗制下順利著陸，但偏離目標位置太遠了。隨后的多次試驗亦如此。

為此，小分隊就地開會。在明確排除了火箭自身性能因素后，他們分析起了外界環(huán)境。發(fā)射位置，地面狀況，天氣情況都尋因未果，孟齊志遂將目標鎖定在火箭發(fā)射架上，他發(fā)現這個發(fā)射架是上一屆火箭組的遺留成品，由相機三腳架改裝而成。改裝后的發(fā)射架，比三腳架多了一項約束火箭初射階段軸線位置的裝置，即添加了四根發(fā)射導軌用以約束火箭外圓柱面。

隨后，孟齊志發(fā)現了這一改裝的缺陷：其導軌裝置是通過螺栓將一端固定在基座上，長期以來的使用已使導軌產生較大的彎曲變形，不能保證精度要求了。另外，如果使用的火箭型號有差別，直接導致大型號火箭不能發(fā)射，小型號火箭與導軌存在發(fā)射間隙。這一系列問題對火箭發(fā)射軌跡造成了直接的干擾，他決定對發(fā)射架進行重新設計。

為避免之前發(fā)射架存在的問題，孟齊志打算將導軌兩端固定置于發(fā)射框架上，以增大導軌剛度，并且采用彈簧收線原理，實現上下固定平面八個固定點同時同速（向內或者向外）收縮或者擴張，以此發(fā)射不同直徑火箭。在此基礎上，他打算再多集成一些輔助功能，比如說調節(jié)發(fā)射平臺水平位置，發(fā)射框架空間立體姿態(tài)全面覆蓋，發(fā)射初始狀態(tài)圖像采集與傳輸等。

經過反復的修整，設計工作基本完成，接下來需要進行實物制作了。受限于金屬材料的加工條件限制，孟齊志決定使用木質層板作為主要材料。經過一個多月的努力，發(fā)射架初具雛形，還加上了風速儀、攝像頭、水平儀等裝置實現了附加功能。然而，小組沒有找到合適的裝置來實現“收線”功能。他說：“原因是彈簧剛度很大，一般的小電機無法驅動。而采用大電機，又將無法供電?！?/p>

項目擱置了近兩天的時間，作為負責人的孟齊志焦急萬分。當他坐在工作臺前苦思解決方案時，突然注意到了工作臺下放置的一把手鉆，頓時捕捉到了靈感。何不直接改成手動操作，利用傘齒輪傳動？這樣，既能節(jié)約空間，又能實現大扭矩輸出。于是，他們立刻行動起來，改裝實驗室被廢棄的手鉆，成功地實現了“收線”功能。

在出發(fā)赴賽的前一天，小組完成了發(fā)射架的全部設計、加工和組裝工作。當天，隨著“3、2、1發(fā)射”的口令，火箭模型直飛云霄，在藍天劃出優(yōu)美的弧線，發(fā)射架實現了預期的全部功能，一舉奪得科技創(chuàng)新一等獎。

三改智能車

全國賽歸來，孟齊志對活動愈發(fā)著迷，開始積極備戰(zhàn)智能車校內賽。比賽按照賽道識別傳感器的不同分成了光電組、電磁組和攝像頭組。孟齊志加入光電組，主要負責安裝和調整光電傳感器。

光電傳感器的安裝程序復雜，先要根據預期提出方案，再繪制設計圖紙，然后根據圖紙加工制作并進行安裝調試。而最大的難題就是方案的不確定性，預期的方案和最終賽道測試的結果通常存在一定的差異。作為小組中唯一的機械專業(yè)隊員，孟齊志又肩負起了車體機械結構搭建的任務。

最初，他大膽提出設計方案，利用木質層板，將光電傳感器進行定位，再將定位好的傳感器固定到支架上?？紤]到支架需要有足夠的強度、盡量小的密度以及合適的機加工性能，孟齊志決定選用鋁合金材料。第一款支架由一根水平固定的角鋁和一根豎直與車體前部剛性連接的鋁條組成，凝聚了他的創(chuàng)新思維。

然而，孟齊志完成車模搭建的第二天，便接到另一名隊友的電話：“車?？焖俎D彎時，傳感器繞豎直的鋁條有小幅的扭振現象。同時，調試過程中光電傳感器也出現了無端損壞的情況?！泵淆R志頓時緊張起來，趕到調試現場和隊友一起分析問題的原因。二人反復拆裝車模，終于有所發(fā)現：“第一問題的原因可能是支架慣性較大，而一根鋁條的剛度不足；第二問題的原因可能是光電傳感器的金屬外殼直接接觸角鋁，造成干擾?！?/p>

確定原因后，孟齊志立即著手改進。為了增大支架的剛度，他將原先的一根鋁條改成兩根。新的問題又滋生了，兩根鋁條勢必增大了支架的質量。他當機立斷，顛覆先前的經驗，選用了更小型號的鋁條，以保證剛度和質量。同時，為了避免傳感器受干擾，他找來絕緣膠，涂裝在角鋁的表面。

再次測試時，扭振現象被有效抑制，但光電傳感器仍然無端損壞。孟齊志從隊友那兒得到了一條重要的修改線索：“可能是因為調試人員身上帶有靜電，在調試過程中，難免會觸碰到支架上的傳感器，導致傳感器靜電擊穿?！痹诘谌畏桨感薷臅r，他苦苦冥思：“如何既能讓調試人員可以觸碰，又不引起靜電擊穿呢？”連續(xù)幾天，孟齊志都寢食難安。突然有一次，他靈機一動：“最簡單的做法就是增加保護罩！”

孟齊志興沖沖地跑去場地，卻又面臨一個障礙：在原有的支架上增加保護罩，會導致保護罩和支架不容易固定在一起。孟齊志只好舍棄當初辛苦搭建的支架，用盒鋁代替角鋁。同時，他將盒鋁的寬面一側用銑刀銑出一排圓孔，作為傳感器對環(huán)境信息采集的通道，將盒鋁內部進行絕緣膠涂裝，繼續(xù)沿用木質層板定位的方法將傳感器置入盒鋁內，這才實現了盒鋁的雙重角色——充當支架和保護罩。

經過三次改進，孟齊志終于制作出完美的光電傳感器安裝架，也助團隊的智能車成功完成比賽要求，獲三等獎。這次經歷，也讓孟齊志愈加迷戀機械專業(yè)所滌蕩出的獨特魅力。

初探拓撲優(yōu)化

隨后，孟齊志陸續(xù)參加了華北五省機器人大賽、校節(jié)能減排、“搖籃杯”、機械創(chuàng)新等科技比賽，頻頻折桂。大四時，他免試進入清華大學機械工程系直接攻讀博士學位，因此他的學士論文獲得了本校和清華導師劉辛軍教授的聯(lián)合指導。在劉教授的建議下，他將畢業(yè)設計的論文題目定為“并聯(lián)機床關鍵結構件的拓撲優(yōu)化方法與應用”。

剛接觸此課題時，孟齊志感覺十分有趣：“并聯(lián)機床是由并聯(lián)機構為主要傳動部分的機床，那什么是并聯(lián)機構呢？比如，人用手端起杯子喝水這個動作，有兩種方式，一是伸出一只胳臂，用手握住杯子，遞到嘴邊；二是伸出兩只胳臂，同時握住杯子，捧到嘴邊。第一種方式的手臂即傳統(tǒng)的串聯(lián)機構；第二種方式中的兩只手臂一起動作，相當于并聯(lián)機構。顯然，兩只手比一只手要穩(wěn)，反映在并聯(lián)機構上，就能體現為精度高，剛度大等特點?！彼呍O的工作就是利用拓撲優(yōu)化方法，去尋找一種最優(yōu)的并聯(lián)機床關鍵結構件的拓撲結構。那什么是拓撲優(yōu)化呢？做了大量調研后，孟齊志發(fā)現，拓撲可理解成結構的輪廓或形狀，拓撲優(yōu)化就是設計區(qū)域在約束條件下，尋找到一種結構輪廓，使其結構的某項性能指標達到最好。

初期的興奮勁兒一過，孟齊志開始緊張起來。雖然課題的應用對象有師兄的一些相關研究作為參考，但優(yōu)化的實現手段繁復多樣，水平參差不齊，從中要找一個出彩的研究方法，難度很大。他在均勻化方法、變密度法、漸進結構優(yōu)化法以及水平集方法等算法上舉棋不定。察覺孟齊志的問題后，劉教授對他的研究思路進行了整體把控，詳細解釋數學模型的求解方法，助他打通“任督二脈”。最終，孟齊志找到了核心思路，即利用變密度法，建立優(yōu)化問題的數學模型?！皩熃ㄗh我利用優(yōu)化數學模型構造拉格朗日函數，再用Kuhn-Tucker極值條件推導出迭代準則?！?/p>

在建模過程中，挑戰(zhàn)接踵而至。他遇到理論上最為關鍵的地方——數學模型的顯式表達和函數對自變量的靈敏度分析。為此，孟齊志反復查文獻，翻專業(yè)教材，伏案進行理論的推導?！霸谀嵌螘r間，我滿腦子都是數學模型和解算過程，有時連看到生活中的往復運動、優(yōu)美的輪廓都能讓我聯(lián)想起一個拓撲迭代過程?！币粋€月后，他通過在MATLAB數學軟件中編程計算，設計出了滿足性能要求的拓撲結構。

通過四個月的努力，孟齊志最終以先進的變密度法，成功地優(yōu)化出并聯(lián)機床關鍵結構件的拓撲結構，順利完成畢業(yè)設計。

目前，孟齊志正讀博士研究生一年級，在縱橫交錯的模型函數和求解算法的關系中，在傳統(tǒng)理論與現實問題的岔路處，他正在初試課題“振型節(jié)點主動設計”，也正在尋求創(chuàng)新“變密度法懲罰模型改進”。

責任編輯：曹曉晨