飛行器上放飛夢想
——記奮戰(zhàn)在我國航空航天科研領(lǐng)域一線的青年科技工作者孟軍輝

段盼盼 范德強

孟軍輝

隨著飛機起飛的提示音響起，飛機在跑道上快速滑動，繼而升空。期間，孟軍輝安靜地坐在自己的位置上，眼睛緊盯機翼，當看到襟翼伸出并向下彎折，他在心里小小感嘆了一句：“這真的和課堂上講的一樣。”觀察飛機機翼的變化是孟軍輝在學生時代乘坐飛機時常做的事。

幾年后，當孟軍輝投入到與飛行器相關(guān)的研究工作中時，他坐在飛機上，盯著飛機機翼，想得更多的是：是否可以將自己研究的柔性復合材料應用到飛機上？又過了幾年，當他成為北京理工大學宇航學院的一位教師，他又考慮到：如何將自己觀察到的飛機機翼工作時的細節(jié)帶到課堂上，轉(zhuǎn)化成知識傳授給學生們。

就這樣，孟軍輝一步一個腳印地詮釋了青春最好的樣子。他在傳承中不斷增強自己的擔當本領(lǐng)，在創(chuàng)新中不斷重塑夢想的基調(diào)。

進入空氣稀薄地帶

2015年10月13日，我國首個新型臨近空間飛艇在內(nèi)蒙古錫林浩特市巴彥寶拉格機場解纜升空。飛艇在指定高度展開了包括飛行、通信、空間態(tài)勢感知等多種科學實驗后順利著陸，實現(xiàn)了所有升空設備完好回收。此次試飛成功的新型臨近空間飛艇由北京航空航天大學武哲教授科研團隊研制，其研究水平達到了世界領(lǐng)先，而孟軍輝從很早就加入到了這個科研團隊。

什么是臨近空間？孟軍輝簡要地解釋道，航空空間和航天空間之間有一個空白的區(qū)域，該區(qū)域就是臨近空間，通常指距離地球表面20千米到100千米之間的區(qū)域。雖然美國等發(fā)達國家對臨近空間的探索早于中國，但由于該區(qū)域低溫低壓、空氣稀薄、高輻射等嚴酷條件，所以一直沒有人類設計的飛行器成功涉足。

對臨近空間的探索，現(xiàn)階段國內(nèi)外的研究熱點之一就是浮空飛行器，它類似于小孩子喜歡玩的氫氣球，充滿氣體后，利用浮力升到臨近空間并駐足于該領(lǐng)域。相比衛(wèi)星，它的優(yōu)勢在于成本較低，且離地面更近，可以更高分辨率地對地實施觀測。

2009年，在北京航空航天大學飛行器設計與工程專業(yè)讀大三的孟軍輝幸運地進入武哲教授科研團隊。一開始，他主要從事飛艇的總體設計的相關(guān)工作。雖然飛艇升空的原理聽起來比較簡單，但是和氫氣球一樣，飛艇在不斷升高的過程中，隨著外部氣壓越來越低，內(nèi)部的氣體壓強會把飛艇撐得越來越大，達到一定高度就會爆炸。所以飛艇能否成功探索臨近空間，柔性氣囊材料非常重要。

孟軍輝回憶道，柔性氣囊材料除了具有柔性輕質(zhì)的特點，還需要能夠滿足飛艇內(nèi)外的壓差作用，同時還需要承受臨近空間晝夜溫差以及臭氧和紫外的輻射老化。國際上很多國家早期研制的臨近空間飛艇，往往無法實現(xiàn)2萬米高空的飛行高度，即便成功進入臨近空間，但是在臨近空間環(huán)境的影響下，氣囊材料也無法滿足長時間駐空飛行的要求。當時這一問題是一個世界性難題，國內(nèi)外相關(guān)學者都在致力于攻克它。于是，孟軍輝也將自己的研究重點轉(zhuǎn)移到了這個方向，開始從事柔性氣囊材料的研究。最終，他在師兄的帶領(lǐng)下，優(yōu)化了氣囊材料的結(jié)構(gòu)和加工工藝，將十幾層厚度的材料層壓熱合至不到一毫米的厚度，同時能夠較好地滿足飛艇飛行性能的要求。

孟軍輝詳細介紹道，他們研制的柔性纖維增強復合材料采用了一種特種的、高強的纖維絲編織成承力層，然后在內(nèi)外表面分別熱合層壓上耐環(huán)境層和氣密層等，這樣氣囊就可以在滿足力學性能要求的前提下，同時也能較好地適應臨近空間的環(huán)境。材料做出來以后，孟軍輝在導師和師兄的帶領(lǐng)下，經(jīng)過了兩次試飛驗證，結(jié)果顯示材料完全達到了項目要求，且在國際上達到了先進水平。

在此基礎上，孟軍輝再接再厲，又對柔性纖維增強復合材料的非線性力學問題發(fā)起進攻?！芭c常規(guī)金屬材料和碳纖維層合板不同，柔性復合材料具有很多非線性行為，最常見的就是撕裂破壞，撕裂后，它的裂紋是怎樣的一個走向呢？這是我博士和博士后期間的一個研究重點。”孟軍輝說。

在傳統(tǒng)斷裂力學的研究中，通常采用有限元方法，但是該方法如果應用于柔性纖維增強復合材料的力學研究的話，不但會使計算過程變得非常復雜，而且最后的結(jié)果也會有很大偏差。對此孟軍輝借鑒美國普渡大學的向量式有限元方法，對柔性纖維增強復合材料非線性力學行為進行了研究，并取得了一系列創(chuàng)新進展。

2017年，孟軍輝入職北京理工大學宇航學院，他的研究方向向航空航天方向繼續(xù)拓展，一方面繼續(xù)聚焦柔性充氣式結(jié)構(gòu)，研制用于智能武器裝備的柔性充氣式機器人和用于多環(huán)境適應的柔性充氣式機翼結(jié)構(gòu)；另一方面將柔性材料與智能材料相結(jié)合，實現(xiàn)飛行器的智能可變構(gòu)型設計，同時研究柔性充氣結(jié)構(gòu)用于航空航天中的結(jié)構(gòu)力學和結(jié)構(gòu)動力學問題。2019年，他入選中國科協(xié)第五屆“青年人才托舉工程”，同時擔任中國力學學會流固耦合專業(yè)委員會委員。

“我是一個幸運的人”

飛行器綜合設計本科育人團隊榮獲2019年北京高校優(yōu)秀本科育人團隊

近5年來，孟軍輝以第一作者和通訊作者發(fā)表SCI和EI論文20余篇，主持國家自然科學基金項目1項、軍委科技委國防科技創(chuàng)新特區(qū)項目1項、博士后科學基金項目1項以及多項國防領(lǐng)域的橫向課題，個人承擔的科研總經(jīng)費已達200余萬元。

對于一個剛過而立之年的青年科技工作者而言，這份漂亮的履歷后，有努力，有機遇，還有孟軍輝在關(guān)鍵時刻的勇于擔當。當大多數(shù)大學生還在思考未來時，孟軍輝已經(jīng)在武哲教授科研團隊找到了人生方向。那是一段“拼命”的日子，整個團隊全年幾乎無休，一心一意撲在科研上。2010年的某次飛行試驗，正在讀碩士的孟軍輝已經(jīng)成為這次任務的主要參與者，頂著巨大的壓力，他在師兄的帶領(lǐng)下在試驗基地連軸轉(zhuǎn)了兩個多月，最后的三天兩夜，幾個負責放飛方案制定的同學基本“沒合眼”。試飛成功的那一刻，孟軍輝躲進帳篷里，久久呆坐著說不出話來。

如今再回頭看那些經(jīng)歷，那些辛苦在孟軍輝的記憶中已經(jīng)模糊了，但依舊鮮明的是那個面對困難、面對責任義無反顧的自己。他用“幸運”形容那段經(jīng)歷，有幸在學生時代參與到如此重大的項目當中，有幸與那么多優(yōu)秀的人共事，有幸得遇武哲教授、吳光輝院士和王晉軍教授等幾位恩師。正是因為那段時間的磨煉，他才會在科研道路上迅速成長起來，并在接下來的道路上日益堅定。

來到北京理工大學宇航學院后，孟軍輝的“幸運”還在繼續(xù)。他加入了宇航學院劉莉教授的飛行器綜合設計學科組，作為剛?cè)肼毜那嗄杲處?，他在沒有項目、沒有經(jīng)費和學生的情況下，得到了劉莉教授和學科組其他老師的大力支持和幫助，并較快地做出了成果。

孟軍輝做得第一個工作是充氣式無人機的設計和研制。充氣式無人機和飛艇類似，都屬于柔性充氣結(jié)構(gòu)。充氣式無人機通常是將其機翼利用膜結(jié)構(gòu)充上具有一定壓力的氣體，讓它具有一定的氣動外形。這種飛行器，其充氣式機翼不用時是折疊狀態(tài)，但當飛行器起飛時，機翼充氣展開，且能保持一定的剛度。在航天方面，它也有著很大的應用空間，它可以與高動態(tài)火箭或?qū)椣嘟Y(jié)合，實現(xiàn)作戰(zhàn)時對目標的長時間駐空監(jiān)測和精準打擊。他率領(lǐng)學生通過總體方案設計和動力學仿真分析，完成了氣動/結(jié)構(gòu)/能源多學科設計及優(yōu)化，滿足了設計目標和部署要求。此外，孟軍輝還帶領(lǐng)學生參加了一些相關(guān)的科技競賽，將科研和教學相結(jié)合，更好地服務航天航空領(lǐng)域。

臨近空間飛行器服役過程中，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂紋破壞并迅速擴展是其主要的失效模式之一。對此，孟軍輝致力于發(fā)展適用具有路徑依賴性的隱式本構(gòu)關(guān)系研究的深度學習模型和適用描述裂紋動態(tài)擴展時空數(shù)據(jù)信息的復合深度學習模型，通過將復合深度學習模型與臨近空間飛行器氣動/結(jié)構(gòu)/熱耦合效應研究的有限元模型互相融合，用于真實服役環(huán)境下裂紋擴展行為的快速預示，探索力學理論和深度學習結(jié)合的力學建模方法及其工程應用。該研究得到了國家自然科學基金項目支持。

近些年，柔性充氣結(jié)構(gòu)憑借其質(zhì)量輕、造價低、可折疊展開和控制靈活等優(yōu)點，越來越受到國內(nèi)外研究者的重視。孟軍輝介紹說，柔性充氣結(jié)構(gòu)可以提高飛行器運載效率，實現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式無法達到的性能，使航空航天事業(yè)走向大型化、輕型化。以衛(wèi)星為例，如果可以將柔性充氣結(jié)構(gòu)應用到衛(wèi)星太陽能帆板，不但可以收集到更多的太陽能量，還可以很好地解決成本問題。除此之外，如何將柔性充氣結(jié)構(gòu)應用到可變形的飛行器設計中，使飛行器機翼像鳥的翅膀一樣靈活，在不同的環(huán)境下呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，也是孟軍輝正在重點攻克的研究難點。

星光不問趕路人，歲月不負有心人。盡管孟軍輝表示：“我是一個幸運的人，一路上遇到了很多良師益友，我特別感謝他們，正是因為他們的幫助，我才能有如此大的成長”，但是每一份幸運的背后都是他長久的積累和不懈的堅持，其實是越努力越幸運罷了。

老將依舊，薪火相傳

敦品勵學育英才，厚德載物興中華。大學的根本任務是教書育人，大學教師的首要職責是教學工作。進入北京理工大學宇航學院，在劉莉教授和胡海巖院士的幫助下，孟軍輝很快就將自己代入了“教師”這一角色當中。

“劉莉教授是非常重視教學工作的，我剛到北京理工大學宇航學院的第一年，她就很認真地跟我討論怎么去編寫教材，馬上我們就要出一本教材了。除此之外，她還邀請胡海巖院士和我們一起討論教學的整個課程的設置。”劉莉教授和孟軍輝一起主講的“飛行器結(jié)構(gòu)力學”更側(cè)重于結(jié)構(gòu)靜力學的研究，而胡海巖院士所主講的“結(jié)構(gòu)動力學基礎”則更側(cè)重于結(jié)構(gòu)動力學的研究，再加上前期課程“彈性力學基礎”和后續(xù)的“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設計”以及試驗類課程，構(gòu)成了完整的飛行器結(jié)構(gòu)方向的課程體系，同時聯(lián)合學院教授飛行器制導與控制等相關(guān)課程的老師，一起組成了飛行器設計專業(yè)的育人團隊。2019年，在劉莉教授的帶領(lǐng)下，團隊申報了北京市的本科育人團隊，成了該年北京理工大學唯一一個入選該榮譽稱號的團隊。

胡海巖院士在卸任北京理工大學校長之后，在劉莉教授的邀請下，重新返回課堂，講授全英文本碩博貫通課“結(jié)構(gòu)動力學基礎”，孟軍輝擔任他的助教。“跟著胡院士去上課和自己去上課，真的不一樣，會有很大的收獲?！弊屆宪娸x印象特別深刻且對他影響特別大的是，胡海巖院士對本科生教育十分認真，拿到教材以后，他都會提前兩三個月和孟軍輝仔細討論下學期的課題怎樣設置、課怎樣講、作業(yè)怎樣布置，他還會將自己想要布置的作業(yè)親自做一遍。

有一次，胡海巖院士將教材上的一道動力學的作業(yè)題交給孟軍輝，讓他算一遍。孟軍輝在紙上算好以后，拿給胡海巖院士去看，結(jié)果發(fā)現(xiàn)胡海巖院士不但自己算了一遍，還針對不同的情況畫了圖，并延伸到了實際工程當中?！拔宜氵@道題用了半頁紙，胡院士用了七八頁紙，甚至還針對不同情況進行了討論分析，并有詳細的畫圖討論。這讓我非常慚愧，就是你看到老一輩的那種認真，就會覺得自己真的還有太多要學習的地方?！泵宪娸x說道。

2018年，胡海巖院士在腿部不適的情況下還堅持認真為學生們上課，一站就是兩三個小時。這種時刻為學生著想的精神在無形中也影響了孟軍輝。今年，在本科生畢業(yè)設計的指導中，孟軍輝幫學生們修改畢業(yè)論文常常修改到凌晨一兩點。答辯結(jié)束后，有一個學生認真地跟他說：“老師，我看到您給我們改論文的時間都到凌晨了，我特別感動，我就覺得我一定要把自己的畢業(yè)論文做好?！?/p>

“跟著胡海巖院士、劉莉教授他們這些前輩，你會在他們身上汲取到很多精神，在他們的影響下，你會學著站在學生的角度去思考學生真正的需求，會學會以身作則地去教導學生。他們就是榜樣，吸引著你向他們看齊?！泵宪娸x表示。

結(jié)硬寨，打呆仗。無論是科研工作，還是教學工作，孟軍輝都希望自己可以走得扎扎實實。他說：“我不是什么天資聰穎的人，我只希望每走一步都爭取有進步，一步一個腳印地去做好每件事。”說完這句話，孟軍輝輕輕地笑了，眼睛里是青春未泯的光。