飛行器上放飛夢想

段盼盼 范德強

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(dāng)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?！庇^察飛機機翼的變化是孟軍輝在學(xué)生時代乘坐飛機時常做的事。

幾年后，當(dāng)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(fù)合材料應(yīng)用到飛機上？又過了幾年，當(dāng)他成為北京理工大學(xué)宇航學(xué)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(xì)節(jié)帶到課堂上，轉(zhuǎn)化成知識傳授給學(xué)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(dān)當(dāng)本領(lǐng)，在創(chuàng)新中不斷重塑夢想的基調(diào)。

進(jìn)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(xué)實驗后順利著陸，實現(xiàn)了所有升空設(shè)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(xué)武哲教授科研團(tuán)隊研制，其研究水平達(dá)到了世界領(lǐng)先，而孟軍輝從很早就加入到了這個科研團(tuán)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(dá)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(yán)酷條件，所以一直沒有人類設(shè)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(xué)飛行器設(shè)計與工程專業(yè)讀大三的孟軍輝幸運地進(jìn)入武哲教授科研團(tuán)隊。一開始，他主要從事飛艇的總體設(shè)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(dá)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(jìn)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(dāng)時這一問題是一個世界性難題，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)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(xì)介紹道，他們研制的柔性纖維增強復(fù)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(xué)性能要求的前提下，同時也能較好地適應(yīng)臨近空間的環(huán)境。材料做出來以后，孟軍輝在導(dǎo)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(dá)到了項目要求，且在國際上達(dá)到了先進(jìn)水平。

在此基礎(chǔ)上，孟軍輝再接再厲，又對柔性纖維增強復(fù)合材料的非線性力學(xué)問題發(fā)起進(jìn)攻?！芭c常規(guī)金屬材料和碳纖維層合板不同，柔性復(fù)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?！泵宪娸x說。

在傳統(tǒng)斷裂力學(xué)的研究中，通常采用有限元方法，但是該方法如果應(yīng)用于柔性纖維增強復(fù)合材料的力學(xué)研究的話，不但會使計算過程變得非常復(fù)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(xué)的向量式有限元方法，對柔性纖維增強復(fù)合材料非線性力學(xué)行為進(jìn)行了研究，并取得了一系列創(chuàng)新進(jìn)展。

2017年，孟軍輝入職北京理工大學(xué)宇航學(xué)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(yīng)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(shè)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(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)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(dān)任中國力學(xué)學(xué)會流固耦合專業(yè)委員會委員。

“我是一個幸運的人”

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(xué)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(xué)基金項目1項以及多項國防領(lǐng)域的橫向課題，個人承擔(dān)的科研總經(jīng)費已達(dá)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(dān)當(dāng)。當(dāng)大多數(shù)大學(xué)生還在思考未來時，孟軍輝已經(jīng)在武哲教授科研團(tuán)隊找到了人生方向。那是一段“拼命”的日子，整個團(tuán)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(wù)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(fù)責(zé)放飛方案制定的同學(xué)基本“沒合眼”。試飛成功的那一刻，孟軍輝躲進(jìn)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(zé)任義無反顧的自己。他用“幸運”形容那段經(jīng)歷，有幸在學(xué)生時代參與到如此重大的項目當(dāng)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(xué)宇航學(xué)院后，孟軍輝的“幸運”還在繼續(xù)。他加入了宇航學(xué)院劉莉教授的飛行器綜合設(shè)計學(xué)科組，作為剛?cè)肼毜那嗄杲處煟跊]有項目、沒有經(jīng)費和學(xué)生的情況下，得到了劉莉教授和學(xué)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(shè)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(dāng)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(yīng)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(biāo)的長時間駐空監(jiān)測和精準(zhǔn)打擊。他率領(lǐng)學(xué)生通過總體方案設(shè)計和動力學(xué)仿真分析，完成了氣動/結(jié)構(gòu)/能源多學(xué)科設(shè)計及優(yōu)化，滿足了設(shè)計目標(biāo)和部署要求。此外，孟軍輝還帶領(lǐng)學(xué)生參加了一些相關(guān)的科技競賽，將科研和教學(xué)相結(jié)合，更好地服務(wù)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(xué)習(xí)模型和適用描述裂紋動態(tài)擴展時空數(shù)據(jù)信息的復(fù)合深度學(xué)習(xí)模型，通過將復(fù)合深度學(xué)習(xí)模型與臨近空間飛行器氣動/結(jié)構(gòu)/熱耦合效應(yīng)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(yù)示，探索力學(xué)理論和深度學(xué)習(xí)結(jié)合的力學(xué)建模方法及其工程應(yīng)用。該研究得到了國家自然科學(xué)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(dá)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(yīng)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(yīng)用到可變形的飛行器設(shè)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(fù)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(xué)育英才，厚德載物興中華。大學(xué)的根本任務(wù)是教書育人，大學(xué)教師的首要職責(zé)是教學(xué)工作。進(jìn)入北京理工大學(xué)宇航學(xué)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(dāng)中。

“劉莉教授是非常重視教學(xué)工作的，我剛到北京理工大學(xué)宇航學(xué)院的第一年，她就很認(rèn)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(xué)的整個課程的設(shè)置。”劉莉教授和孟軍輝一起主講的“飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)”更側(cè)重于結(jié)構(gòu)靜力學(xué)的研究，而胡海巖院士所主講的“結(jié)構(gòu)動力學(xué)基礎(chǔ)”則更側(cè)重于結(jié)構(gòu)動力學(xué)的研究，再加上前期課程“彈性力學(xué)基礎(chǔ)”和后續(xù)的“飛行器結(jié)構(gòu)分析與設(shè)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(xué)院教授飛行器制導(dǎo)與控制等相關(guān)課程的老師，一起組成了飛行器設(shè)計專業(yè)的育人團(tuán)隊。2019年，在劉莉教授的帶領(lǐng)下，團(tuán)隊申報了北京市的本科育人團(tuán)隊，成了該年北京理工大學(xué)唯一一個入選該榮譽稱號的團(tuán)隊。

胡海巖院士在卸任北京理工大學(xué)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(xué)基礎(chǔ)”，孟軍輝擔(dān)任他的助教?！案菏咳ド险n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(rèn)真，拿到教材以后，他都會提前兩三個月和孟軍輝仔細(xì)討論下學(xué)期的課題怎樣設(shè)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(xué)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(dāng)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(jìn)行了討論分析，并有詳細(xì)的畫圖討論。這讓我非常慚愧，就是你看到老一輩的那種認(rèn)真，就會覺得自己真的還有太多要學(xué)習(xí)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(rèn)真為學(xué)生們上課，一站就是兩三個小時。這種時刻為學(xué)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(shè)計的指導(dǎo)中，孟軍輝幫學(xué)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(xué)生認(rèn)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。”

“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(xué)著站在學(xué)生的角度去思考學(xué)生真正的需求，會學(xué)會以身作則地去教導(dǎo)學(xué)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(xué)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(jìn)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。