科技創(chuàng)新不渝志 逐夢航空發(fā)動機
——記北京航空航天大學能源與動力學院副教授張偉昊

孫雅琴

航空工業(yè)被譽為“現代工業(yè)的皇冠”，而航空發(fā)動機則是“皇冠上的明珠”,是國家綜合實力的重要標志之一。航空發(fā)動機是一種技術含量極高的工業(yè)產品，其制造成本占整架飛機的20%～30%，飛行器劃時代的突破，都直接與航空發(fā)動機的技術進步有關系。

在北京航空航天大學能源與動力學院副教授張偉昊看來，航空發(fā)動機是當今世界上最復雜的、多學科集成的工程機械系統之一，涉及氣動熱力學、燃燒學、傳熱學、結構力學、控制理論等眾多領域，需要在高溫、高壓、高轉速的嚴酷條件下工作，并滿足推力／功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長、油耗低、噪聲小、排污少等眾多十分苛刻而又互相矛盾的要求。扎根航空發(fā)動機研究的關鍵一環(huán)，張偉昊主要從事航空發(fā)動機熱力循環(huán)、航空燃氣渦輪內部流動與換熱機理、渦輪氣動設計技術、實驗測試技術等研究。

科技創(chuàng)新不渝志，逐夢航空發(fā)動機。張偉昊一直在用科學為航空發(fā)動機技術的發(fā)展保駕護航。

以夢為馬的科研創(chuàng)新之路

張偉昊出生在一個知識氛圍濃厚的家庭。因為母親是一名中學教師，從小家里各類雜志期刊數不勝數，其中更不乏軍事類的刊物。幼時張偉昊最愛做的一件事情，就是和親戚家的小孩一起共享刊物，并在耳濡目染間對航空航天領域萌生了巨大興趣。

從小到大，優(yōu)秀一直與張偉昊如影隨形。高考時，優(yōu)異的成績也讓他有了更多的選擇權。“雖然當時的高考分數完全能夠選擇報考北京航空航天大學最好的專業(yè)，但當時心底的聲音一直在告訴我：一定要學習發(fā)動機相關專業(yè)?！睆垈リ徽f。而父母也十分尊重他的決定，并鼓勵他在自己喜歡的專業(yè)上努力學習，積累經驗。

從本科到博士，張偉昊在北京航空航天大學度過了自己珍貴的青春時代。在多年的學習、積累下，他于2013年6月順利獲得了流體機械及工程工學博士學位，并在此之后順利進入了北京航空航天大學力學博士后流動站工作。從博士到博士后，張偉昊先后師從陳懋章院士、鄒正平教授、李椿萱院士從事科學研究，老一輩科研工作者治學嚴謹，對待科研熱忱的態(tài)度，給張偉昊留下了深刻印象?！坝行┰菏磕赀^70還扎根在科研一線，給我們年輕人做出了良好的表率，這些精神都是我們需要學習的?！睆垈リ徽f。

從本科到博士后，張偉昊在北京航空航天大學度過了十幾年的科研時光。“這些年來，不管是科研思路還是解決問題的思路，基本上都是集中在團隊內部進行的。”他說。為了能夠拓寬自己的科研視野與研究思路，張偉昊于2014年5月前往香港大學機械工程系從事研究工作。

張偉昊

在香港大學的一年時間里，張偉昊除卻參與航發(fā)項目之外，還參與到了流體機械的項目中。在這一過程中，他接觸到了不同的企業(yè)，且有機會前往華為等相關企業(yè)基地進行定期交流。這些經歷讓張偉昊產生了很大的感觸，并讓他學習到了大型企業(yè)行走在科技前沿的同時，怎樣更好地將科學技術落地生根，為他今后科研工作的開展奠定了堅實的基礎。

科技助力祖國航空航天

“航空發(fā)動機領域可能與其他領域有所不同，其研究成果是以5年、10年為周期的?！睆垈リ徽f。在他看來，航空發(fā)動機之所以重要，是因為很多國家根本不具備研制航空發(fā)動機的能力，主要原因是，航空發(fā)動機集成了現代工業(yè)中的很多尖端技術，系統設計非常復雜，航空發(fā)動機和國家的冶金、橡膠、石化、輕工、電子、機械等基礎工業(yè)部門關聯度很高，它的制造衡量著一個國家的綜合工業(yè)能力。

作為一名航空航天研究者，張偉昊時刻在提醒著自己要甘于寂寞，在航空發(fā)動機研究領域不斷攻關，用科研技術服務于祖國的科技發(fā)展。

大渦模擬是近十多年來發(fā)展起來的研究湍流運動的一種重要手段，它為研究許多流動機理問題提供了更為可靠的方法，在航空發(fā)動機領域也有著十分重要的應用。在此之前，張偉昊的師兄成功研發(fā)了大渦模擬的程序。在這一基礎上，張偉昊考慮到了換熱對于發(fā)動機渦輪部件的影響，并對這一程序成功進行了改進與升級。

除此之外，張偉昊還與領域內的華人學者合作出版了燃氣渦輪氣體動力學領域的唯一英文專著，并在書中系統總結和評述燃氣渦輪氣體動力學領域新的物理現象和設計方法，為航空燃氣渦輪基礎研究水平和工程設計能力的提升提供了重要支撐。除此之外，他還探討并給出了多學科耦合問題及設計優(yōu)化技術在渦輪設計中的應用前景和途徑，為未來航空發(fā)動機低壓渦輪先進設計技術的發(fā)展指明了方向。

一直以來，陳懋章院士都在教育自己的學生：“搞科研要有懷疑精神，更要有一竿子插到底的務實精神和創(chuàng)新精神”，要從機理出發(fā)解決非常實際的工程問題，以及用戶使用過程中的科學工程問題。在科學研究中，張偉昊也希望自己能將理論到工程貫穿起來，做出更多成績。

功夫不負有心人，通過多年的科研探索，張偉昊首次獲得的渦輪前緣流動精細結構，給出了前緣感受性對復雜壓力梯度與大曲率耦合影響下的邊界層演化機制，提出了基于葉片前緣線型曲率可控布局的流動控制策略和技術，獲得國際認可并被多次引用。同時，針對渦輪端區(qū)流動控制問題，基于對渦輪尖區(qū)多尺度旋渦結構時空演化的準確把握，明確了渦輪三維葉頂受限空間內的主控旋渦結構，并提出基于主控旋渦定制演化的泄漏流動控制技術；從泄漏渦與通道渦的相互作用機制出發(fā)，發(fā)展了基于多尺度旋渦非定常耦合的尖區(qū)流動摻混損失評估和抑制方法；在此基礎上，充分考慮結構強度的約束，給出了渦輪轉子葉頂三維造型參數選取準則，形成強魯棒性的渦輪尖區(qū)多尺度流動控制技術。目前，這些成果已進入我國多個航空發(fā)動機主力研究院所的設計體系，成功應用于多個低壓渦輪部件的研制，獲得顯著效果。

孜孜不倦培養(yǎng)科研人才

致天下之治者在人才，成天下之才者在教化?！霸诖髮W里，我們的根本任務還是要培養(yǎng)人才。搞科研能解決我們行業(yè)與社會的一些需求，但是培養(yǎng)人才會對我們整個社會的貢獻更大?！睆垈リ徽f。因此在入職北京航空航天大學之后，張偉昊就以服務國家重大戰(zhàn)略需求為目標，以培養(yǎng)航空發(fā)動機人才為己任，將教書和育人緊密結合，并積累了屬于自己的教學心得。

在本科課堂教學中，張偉昊十分注重對學生的“引導”與“啟發(fā)”，充分提高學生的積極性和參與度，以老師的“教”激發(fā)學生的“學”。值得一提的是，其在本科教學期間就帶領著自己的學生編寫了相關程序，解決了困擾某研究所多年的問題?！霸诿ぴu過程中，我們用自己研發(fā)的程序進行分析、總結的數據特點，和研究所實際出現的問題能夠完全對應?！睆垈リ徽f，這項成果讓他頗為自豪。

張偉昊深知，本科階段學生們有繁重的學習任務，在這一背景下，他們還通過業(yè)余時間自學去完成程序設計，這讓張偉昊由衷地感受到新一代青年學子身上的可塑性。為了培養(yǎng)學生們開展科學研究的能力，張偉昊在給自己的學生安排科研任務時，也會告誡他們：希望他們不要僅僅關注結果，更要在完成課題的過程中融入自己的思考，以提升學生在科學研究中的自主思考能力。

優(yōu)良的教學引領，也帶給張偉昊一系列榮譽。從事教學工作多年來，他先后擔任4門課程的主講教師，授課600余學時，累計選課1300余人次，參與2項教改項目（“氣體動力學（2）”“航空發(fā)動機設計”），參與1項國家一流課程建設，作為國家精品課團隊成員2019年獲“北京高校優(yōu)秀本科育人團隊”，獲“我愛我?guī)煛眱?yōu)秀青年教師、“優(yōu)秀導師”、生產實習“優(yōu)秀指導教師”等獎勵。

“一直以來，航空發(fā)動機就是個挑戰(zhàn)很大、門檻也很高的行業(yè)，在20世紀90年代之前，國家的重視程度有限，想要有一番作為也沒有那么大的空間。但現在的情況不一樣了，國家在這一領域的投入非常大，對年輕人來說是很好的機會?！睆垈リ徽f。現如今，他也全身心投入兩機重大專項的相關研發(fā)中，力求和團隊成員們通過10年或更長時間的努力，將我國的航空發(fā)動機水平提升至一個新的臺階。