漫談航天與教育1)

周建平

(中國載人航天工程辦公室，北京 100094)

自1999 年以不惑之年參與中國載人航天工程以來，我見證了幾代中國航天人不懈奮斗，完成載人航天工程“三步走”戰(zhàn)略任務(wù)，獨立自主建造和運行“天宮”空間站，書寫航天夢托舉中國夢的壯麗篇章。在60 余年的人生中，我的命運始終同國家航天事業(yè)緊密相連，我在工作中取得的一點成績和前20 余年航天與力學專業(yè)的受教育和教育工作經(jīng)歷、后20 余年橫跨高校與重大專項工程的獨特經(jīng)歷密不可分。今天，我懷抱作為教師傳道授業(yè)的初心回到國防科技大學，就會前征集的同學們感興趣的問題，結(jié)合個人經(jīng)歷談一談航天與教育，希望能夠?qū)υ谧那嗄陮W子有所借鑒和啟發(fā)。

1 航天主要的專業(yè)領(lǐng)域

近半個世紀以來，航天成為了全球各大國競相爭奪的高科技領(lǐng)域，在國防、軍事和經(jīng)濟領(lǐng)域均起到了舉足輕重的作用。要推動航天的三大領(lǐng)域，即空間科學、空間技術(shù)和空間應(yīng)用的全面進步，涉及到的專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域很多，我還是通過介紹其中的一個實例，希望同學們能夠管中窺豹。

1.1 航天涉及的專業(yè)領(lǐng)域-以運載火箭動力系統(tǒng)為例

從航天器講，運載火箭和空間飛行器是航天器的兩大主要內(nèi)容。運載火箭之中，最主干且支撐技術(shù)提高和進步最重要的分系統(tǒng)，當屬總體、結(jié)構(gòu)、動力、控制和地面的測發(fā)控。對空間飛行器來說，還必須考慮能源動力系統(tǒng)、熱控等。而就載人航天工程而言，還有一個環(huán)控的問題，因為要保證人的生活和生存。另一大領(lǐng)域是信息技術(shù)，包括測控等。

我從運載火箭的動力系統(tǒng)分類作為切入點，談?wù)勂渌婕暗闹饕獙I(yè)。從運載火箭的動力種類來說，就有液體、固體、核能、電推進等，微小推力的還有太陽帆、激光推進。先說液體火箭的分類。一類是以長征二號、長征三號、長征四號為代表的常溫推進劑為燃料的運載火箭，一般采用四氧化二氮和偏二甲肼這類有毒甚至劇毒的推進劑。其特點是在部分常溫區(qū)處于穩(wěn)定的液態(tài)。現(xiàn)在液體火箭推進劑在朝著低溫方向發(fā)展，如長征七號、長征六號和長征八號的一級，長征五號的助推器等，均采用液氧煤油推進劑。與常溫推進劑相比，液氧儲存條件在90 K 以下，但環(huán)保無毒，并且發(fā)動機比沖更高。液氧煤油發(fā)動機也是我國新一代火箭的主要動力，發(fā)動機結(jié)構(gòu)也相應(yīng)復雜了很多。低溫推進劑的另一種類是液氫液氧，燃燒劑液氫的液態(tài)溫區(qū)是20 K 以下，相應(yīng)的發(fā)動機比沖相比前兩種大幅提高，如正在研制的液氫液氧推進劑發(fā)動機YF-75E，比沖高達450秒。因為分子量越低，燃料獲得的密度比沖，即單位質(zhì)量的比沖也越大?，F(xiàn)在的長征五號和長征五號B 的芯級，長征七號甲的三級、長征八號的二級，以及長征三號的上面級，也都采用液氫液氧的推進劑。

高比沖的推進劑也有缺點，因為其密度低，儲存同樣重量的推進劑，需要的貯箱就更大，相應(yīng)結(jié)構(gòu)代價也會更高。因此，一般情況下液氫液氧發(fā)動機用在上面級。特殊情況，如長征五號和長征五號B 用在芯一級，所以長五液氫貯箱直徑足有5 米。液氫的低溫環(huán)境要求增加了使用液氫液氧推進劑的難度，2022 年9 月21 日美國NASA的SLS 重型火箭就因為液氫泄露推遲發(fā)射。

液體推進劑一個重要發(fā)展方向是用液氧甲烷。液氧甲烷也屬于低溫推進劑，甲烷的分子量低于煤油，因此充分燃燒時，獲得的比沖比煤油高。同時，隨著可重復使用運載器的出現(xiàn)，甲烷因便于清洗的特性，加上相對廉價且易獲取，成為極具潛力的液體火箭推進劑。

另一類是固體火箭。盡管大家更熟悉的是固體導彈，但固體燃料也用于運載器，國內(nèi)的長征六號的助推器和“快舟”系列用的就是固體燃料。

兩大推力之外，還有電推進的方式。比如空間站用的80 毫牛四臺并聯(lián)的霍爾推進系統(tǒng)，推進劑是氙氣，其比沖比液體和固體火箭發(fā)動機高很多，可獲得5 倍的比沖性能，其推力盡管有限，但用于補償大氣阻力還是勝任的。電推進技術(shù)發(fā)展很快，最近十來年已經(jīng)有一牛以上量級的產(chǎn)品出現(xiàn)。

另一種是核推進?！版隙稹钡窃拢乱挂绾味冗^？采用核電源的同位素溫差發(fā)電的技術(shù)，這種核電源功率比較低。更有前景的是核熱推進技術(shù)，可以獲得的功率更大，所以發(fā)動機的推力就可以做得更大，但是面臨的可靠性、安全性、空間環(huán)境和熱環(huán)境的挑戰(zhàn)也更大。目前核推進的推力水平雖然比不上化學推進，但是質(zhì)量效率是其兩倍以上，這意味著推進劑質(zhì)量相同時，核熱推進產(chǎn)生的推力是化學推進的兩倍，在遠離太陽進行星際探測時具有廣泛的應(yīng)用前景。核熱推進可以顯著縮短星際飛行時間，這對于載人深空探測（如登陸火星）是非常有利的。

其他的推進方式還包括激光推進和太陽帆。大家可以看到僅從燃料這個角度看動力技術(shù)就有如此多的分類，我們再拿動力中的一種-液體推進來看其所涉及的專業(yè)。最基礎(chǔ)的問題是燃料燃燒和流動問題，涉及到熱力學、燃燒科學、流體力學問題，當然也涉及到材料、結(jié)構(gòu)、強度、振動、沖擊、控制、測試、機械設(shè)計制造等等問題。一臺發(fā)動機實際上就涉及到機械行業(yè)幾乎所有的學科，而且由于極高的推重比要求，它的挑戰(zhàn)性還要大的多。

中國航天的成功，是中國整個科研體系、工業(yè)體系支撐的結(jié)果。我們載人航天工程的運載火箭和空間飛行器，研制主體是航天科技集團有限公司。配套包括航天科工集團有限公司、中國電子科技集團有限公司，也包括航空、材料、機械、電子信息、冶金、化工、兵器、紡織、石油等等大量的行業(yè)。當然航天行業(yè)、航天工業(yè)本身的能力處于主體地位。因此，對于志在航天的同學，無論你們的專業(yè)背景如何，航天行業(yè)和航天工業(yè)都有你的用武之地。

1.2 數(shù)理化：航天與力學專業(yè)學生應(yīng)具備的“童子功”

下面我談?wù)?，現(xiàn)在航天與力學專業(yè)的學生應(yīng)該如何打好投身航天事業(yè)的基礎(chǔ)。在大學，不論是本科生還是研究生，學生應(yīng)該具備的基本知識結(jié)構(gòu)的核心一定是數(shù)學、物理和化學。這是工程各個領(lǐng)域的共同基礎(chǔ)，也是培養(yǎng)學生具備良好科學素養(yǎng)和基本工程師能力兩個核心任務(wù)所最應(yīng)強調(diào)的基礎(chǔ)課程。

一是數(shù)學。我和許多專家的共識是，航天與力學專業(yè)學生最應(yīng)該加強的是數(shù)學。包括以下必修課：微積分、微分方程、線性代數(shù)、概率論、數(shù)理統(tǒng)計等。我一直很想回到國防科技大學給同學們講講課，分享我工作多年后對數(shù)學精髓的理解。學習數(shù)學，不單單是解題技巧，更要重視高等數(shù)學展現(xiàn)的初等數(shù)學所不具備的分析問題的思維方式，體會在認識和理解世界的過程中高等數(shù)學擔任的雙重角色：既提供了解決問題的方法論，又提供了工具。關(guān)于這一點，我在后面舉例具體說明。

二是物理學。通過物理學知識，我們從原理和規(guī)律層面，加深了對現(xiàn)實世界的認識和理解。物理學是從事其他專業(yè)的重要基礎(chǔ)。如果你今后從事技術(shù)方面的工作和學習，一定會涉及到很多物理學知識，但基本原理都在大學物理中講到了。我在大學的時候，讀過伯克利大學物理全五卷。等到讀完博士、投身專業(yè)研究后回頭看物理和數(shù)學，大家應(yīng)有許多新思考與啟發(fā)。

三是化學。當年我們學化學，有一部分同學不太認真，覺得畢業(yè)后不會從事化工方面的工作，化學能有什么作用？實際上化學涉及工程重要基礎(chǔ)的方方面面。大家也知道，我國工業(yè)領(lǐng)域的較突出的短板之一就是材料，包括芯片。不光是光刻機的制造問題，材料的瓶頸制約也非常突出。航空航天也一樣，制造出國際水平的一顆鉚釘就牽涉到材料和工藝的一系列問題。再說化工，前面說到的推進劑就是化工產(chǎn)品。還有煤油，這并非普通的煤油，而是專門研制的火箭推進劑煤油。我國現(xiàn)在已經(jīng)能夠采用煤制油技術(shù)生產(chǎn)性能先進的合成煤基煤油推進劑，這件事情很值得中國人驕傲。合成煤基煤油不僅能得到與用石化煉化技術(shù)制備的同等品質(zhì)的煤油，而且掌握了合成的原理和技術(shù)，就可以優(yōu)化組分，獲得更高性能。

進一步地，我們國家在高性能煤油上也取得了很大的進展?，F(xiàn)在的水平制備出的高性能煤油比原來的石油基煤油的比沖高8 秒。8 秒比沖增量和原本液氧煤油燃料330 秒的比沖相比，看似只有2.4%的增幅，但對運載能力的實際貢獻十分顯著。以正在研制的新型登月火箭為例，火箭起飛質(zhì)量是2400 多噸，大概帶的有一千七八百噸的推進劑，其中1/4 的推進劑是煤油。如果僅將二級推進劑中的50 噸煤油換成新研制的高性能煤油，就能將運載火箭的地月轉(zhuǎn)移能力提高800 千克。付出的代價相當有限，成效卻極大。

所以說化學或者材料學，也是支撐航天的非常重要的一個學科。不僅包括推進劑，也包括結(jié)構(gòu)材料。綜上，盡管航天有如此多的涉及各行各業(yè)的專業(yè)，但是這些大學入學以后就要學習的必修課程，不管今后從事什么工作，都是我們工作最重要的基礎(chǔ)。多年以前我與大學同學聊到，大學的學習是修煉“童子功”，過了這個階段一般就學不到了。誠然，當今是一個“學習型”社會，然而基本的科學素養(yǎng)訓練，應(yīng)該在大學完成，也只能在大學高質(zhì)量完成。也許工作之后有機會“亡羊補牢”，但我相信在大學教育這一人生關(guān)鍵時期，打好基礎(chǔ)對培養(yǎng)一個人具備全面的科學素養(yǎng)與能力是極其重要的，它能夠使同學們今后在不同崗位和環(huán)境中更容易適應(yīng)新挑戰(zhàn)，能力得到更好發(fā)揮。

2 航天的工程挑戰(zhàn)

航天有沒有出現(xiàn)過事故？中國也好外國也好，有一定航天能力的國家都出過飛行失利事故。為什么航天工程這么難？因為沖破地球引力是巨大的挑戰(zhàn)。我們都知道第一宇宙速度7.9 km/s，第二宇宙速度11.2 km/s。但是這是一個多大的概念？我們送航天器入軌，需要什么樣的動力水平？如何直觀地理解沖出地球阻力、走向太空的難度？讓我們談一談航天面臨的工程挑戰(zhàn)，直觀認識發(fā)射所需要的能量。

2.1 沖破地球引力：火箭發(fā)動機與三峽大壩

以液氧煤油發(fā)動機為例，一臺120 噸的液氧煤油發(fā)動機(YF-100)，把燃燒劑和氧化劑輸送到燃燒室才能燃燒，產(chǎn)生高壓，從噴管噴出工質(zhì)。為此每秒要輸送400 余千克的推進劑，從而產(chǎn)生120 噸的推力。輸送這些推進劑依靠的是以燃氣為動力的渦輪泵，單臺功率是20 兆瓦。20 兆瓦動力是多大？柴油動力航母用的是燃氣渦輪發(fā)動機，一艘航母需要配置8 臺25 兆瓦的燃氣渦輪發(fā)動機，才能達到功率20 萬千瓦（200 兆瓦），而我們的CZ-5B 火箭一級飛行段，輸送推進劑的渦輪泵總功率就接近這個值。

我們再將一臺液氧煤油發(fā)動機與航母進行動力對比。長征五號運載火箭，有四個助推器共八臺YF-100 發(fā)動機。其中，一臺120 噸的YF-100液氧煤油發(fā)動機，出口噴出的燃氣的秒流量乘以速度平方再除以2，就是燃氣的動能，考慮到效率損失后，每秒噴出的工質(zhì)的動能為2100 余兆瓦，是航母的十倍有余。

再做個比較，航天發(fā)射的能量和三峽發(fā)電站進行對比，又將如何呢？三峽發(fā)電站采用水輪發(fā)電機組，一臺滿功率約為700 兆瓦。其水位落差百余米，一臺發(fā)電機滿負荷發(fā)電時水落下進入水輪機入口的動能大約是900 余兆瓦。更直觀一點，長江三峽一共32 臺發(fā)電機，滿負荷發(fā)電時，大約有每秒3 萬立方米的水滾滾落下，使32 臺發(fā)電機滿功率發(fā)電，大約是兩萬多兆瓦。現(xiàn)在我們要發(fā)展的新一代登月用的運載火箭，其中一臺液氧煤油發(fā)動機噴出的燃氣動能比三峽的兩臺水輪發(fā)電機入口水的動能還要大20%以上。一枚運載火箭共有21 臺發(fā)動機，其噴出的燃氣動能比42 臺三峽水輪發(fā)電機滿負荷發(fā)電時的水入口動能還大。因此，我們可以直觀地理解，探月火箭發(fā)射時燃氣噴出產(chǎn)生的動能要比三峽大壩滿功率發(fā)電時所需水的功率還要大很多。

可看看我們的火箭才多大？世界上最先進的燃氣渦輪發(fā)動機功率大概是25 兆瓦，有20 多噸重。而YF-100 發(fā)動機單臺總質(zhì)量是1000 多千克，渦輪泵只占其中一小部分，從功率/質(zhì)量比看，二者相差將近百倍。

我們在這么小的火箭發(fā)動機上面，實現(xiàn)了三峽大壩那么大的地面裝置才能實現(xiàn)的能量。看過長江三峽的人就知道，其中一臺機組就非常壯觀，何況整個大壩長達2300 余米。而我們只需要將一枚運載火箭的三個直徑5 米的芯級排在一起，一共15 米，其發(fā)動機燃燒噴出的燃氣動能就相當于2 個三峽大壩滿載發(fā)電時的全部水輪機入口水的總動能。這就是運載火箭要沖出地球引力所需要的巨大的能量。

2.2 漫長的等待與“試錯”的代價：談長征五號遙二的失利

航天是個復雜的系統(tǒng)，復雜在哪？專業(yè)復雜、系統(tǒng)復雜、體系復雜。航天面臨的挑戰(zhàn)之一是漫長的研發(fā)周期，比如中國空間站就耗時12 年，其間沒有或者很少試錯的機會。在方案論證和設(shè)計階段，除了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目外，沒有其他產(chǎn)品產(chǎn)出。因為經(jīng)費原因，初樣階段也只能生產(chǎn)用于鑒定試驗、一部分可靠性試驗等數(shù)量很有限的產(chǎn)品，一直到初樣研制的末期，才能把具備電性能、結(jié)構(gòu)性能、熱性能的產(chǎn)品，各做一套進行相關(guān)試驗，很多時候三類產(chǎn)品分步驟使用同一臺設(shè)備去做。這么長的迭代周期，只能做非常有限的地面試驗，而且還很難模擬天上的各種環(huán)境條件，能不能實現(xiàn)一次做成、一次做好是很大的挑戰(zhàn)。中國空間站取得今天的成就，不僅回答了能不能的問題，還表明中國航天人有能力建成一座高水平永久性空間站。

航天還有另外一類突出的問題，就是航天的天地差異性。高真空環(huán)境、陽照區(qū)和陰影區(qū)溫差200 多度、輻射環(huán)境等，對于航天的裝備提出特殊的要求。載人航天還有一個微重力環(huán)境，使得地面的航天員訓練和相關(guān)實驗都變得非常困難。沒經(jīng)過驗證實驗，如何證明在天上能夠正常工作？就需要大量的基礎(chǔ)研究和仿真支撐。這是極具挑戰(zhàn)性的工作。當然，通過不斷的研究，我們已經(jīng)獲得更多的飛行數(shù)據(jù)支撐地面的工作，這也是航天一步一個腳印發(fā)展到今天的基礎(chǔ)。

有同學問中國航天失敗的案例，我舉一個例子，前幾年發(fā)生的長征五號遙二失利。航天發(fā)展到今天，最大挑戰(zhàn)之一就是發(fā)動機，前面我用發(fā)動機與三峽大壩做了一個比較，由此大家應(yīng)該比較容易理解火箭發(fā)動機的比功率之高，是地面使用的發(fā)動機很難相比的。這次失利的原因在于液氫液氧的發(fā)動機在飛行中失效。而為了找到失效的原因并徹底改進以提高可靠性，我們花了兩年多時間。為解決一個問題，耗時兩年是很大的代價。但只有找到問題的規(guī)律和機理，采取有效措施并進行充分驗證，才能實現(xiàn)后面長征五號系列火箭的“長治久安”。

失敗是難免的，但一定要從失敗中汲取經(jīng)驗教訓，把失敗的案例變成財富。中國航天能走到今天靠的就是始終堅持問題導向，不斷總結(jié)提高、不斷深化認識。航天有一個很著名的“雙五條”技術(shù)和管理歸零標準（圖1）。其中，“技術(shù)歸零五條”的內(nèi)容是：定位準確、機理清楚、問題復現(xiàn)、措施有效、舉一反三。就是要找到故障發(fā)生的準確位置，說清楚發(fā)生的機理，在相同的狀態(tài)下復現(xiàn)發(fā)生的故障，找到有效的解決辦法，進行充分的實驗驗證，然后把新的認識推廣到航天全行業(yè)，對產(chǎn)品進行舉一反三，無論是方法的、原理的、設(shè)計的，還是工藝的。

圖1 質(zhì)量問題歸零“雙五條”

3 中國航天的成就

3.1 第二名的差距

中國是世界航天大國，正邁入航天強國的行列，目前居世界第二，綜合實力超過了歐洲和俄羅斯。但與美國相比仍有差距，無論是涉獵的范圍、技術(shù)水平的先進程度等方面，我們?nèi)孕枧?。比如美國的航天飛機，盡管有若干不如人意，但它仍是航天史上最復雜、規(guī)模也最大的航天器，入軌質(zhì)量重達130 噸，可重復使用，實現(xiàn)天地往返。美國的 SpaceX 公司，用二十年時間開發(fā)可重復使用的火箭、重型運載火箭和星鏈衛(wèi)星，在大大沖擊了航天領(lǐng)域的同時也大大推動了航天技術(shù)的發(fā)展，推動了航天產(chǎn)業(yè)變革進程。為什么強調(diào)差距？作為航天人應(yīng)該有承認差距、始終堅持問題導向的精神，不斷追求更好、更快的發(fā)展。中國航天正處在發(fā)展越來越好、越來越快的時期，我希望年輕一代能盡展其才，使中國航天技術(shù)更上一個臺階，早日比肩、超越美國。

3.2 發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

再說一說中國的載人航天工程的發(fā)展水平。載人航天空間站項目于2010 年立項，當時定下的目標，一是全面掌握大型空間設(shè)施在軌建造技術(shù)。建成空間站的組合體，在軌建造這個最關(guān)鍵的部分我們已經(jīng)完成了。我們還通過艙外活動開展了若干建造事項，艙內(nèi)建造項目更多。明年，我們將把空間站核心艙的兩幅太陽帆板轉(zhuǎn)移到實驗艙的尾部。完成了這項驗證技術(shù)的“大動作”，我們就可以宣布在軌建造技術(shù)與國際空間站建造水平相當。二是建造一個基于當代國際先進水平且經(jīng)濟高效的中國空間站，目前這個目標我們已經(jīng)全面實現(xiàn)了（圖2）。這非常具有挑戰(zhàn)性，很多方面的問題，最開始我們沒有多少技術(shù)基礎(chǔ)，研制的時間進度又非常緊張，地面試驗很難做，例如再生生保系統(tǒng)。

圖2 我國空間站建造完成的構(gòu)型示意圖

空間站之前，我們采用的是非再生生保系統(tǒng)，這對于短期飛行是合理的。非再生生保主要依靠一次性運輸補給品的方式保障人的生存和生活，其代價很大，單人一天大概10 千克補給品，聽起來不多。但是3 個人駐留一年，365 天，大概需要10 噸物資，需要兩艘貨運飛船才能完成運輸，這將是一個很大的負擔。所以，必須想辦法循環(huán)使用空間站的各種資源，這就是再生生保技術(shù)的作用，它使得水和氧資源可以實現(xiàn)再生循環(huán)。該系統(tǒng)通過冷凝裝置收集人蒸發(fā)的汗、呼出的水蒸氣以及排泄的尿液，凈化達到飲用水和電解制氧用水的要求。在太空微重力條件下，如何處理氣液混合體，是一個很大的難題。這是一套很復雜的化工裝置，我們在沒有飛行經(jīng)驗的情況下，不僅成功做出了這套裝置，并且達到的水平比國際空間站高。從最開始收集冷凝水，處理冷凝水，到后來下決心處理比較難凈化的尿，再到后來的二氧化碳還原，我們的科技人員在攻關(guān)過程中不斷提高要求和目標，當然難度也不斷升級。二氧化碳是非常好的資源，但處理難度很大。如何利用二氧化碳呢？我國的空間站利用電解水制氧，我們用其產(chǎn)生的氫氣和通過吸附、解析、富集等一系列手段獲得的二氧化碳，進行Sabatier 反應(yīng)，獲得氧和甲烷。這樣，我們大幅提高了資源的再生利用率?，F(xiàn)在，中國空間站已經(jīng)不需要上行運輸水和氧氣。只需要利用上行食品中所含的水的補充，就能實現(xiàn)軌道上水資源和氧資源的完全閉合供給，也能實現(xiàn)二氧化碳無消耗資源的凈化處理。我們的空間站有兩個機械臂，這是我國第一次研制大型的空間機械臂，這兩個機械臂還可以級聯(lián)在一起成為一個長達15 米、擁有14 個自由度的超級機械臂，這是一個很好的創(chuàng)新，也是一個很大的成就（圖3）。

圖3 航天員在機械臂輔助下艙外活動現(xiàn)場照片

再談?wù)勚袊臻g站的應(yīng)用前景。中國空間站建造成功，標志建造階段的結(jié)束，但不是空間站工程的結(jié)束，下一步將進入應(yīng)用與發(fā)展工程階段。中國空間站為科學家和工程師提供了一個很好的太空試驗平臺，今后的主要工作將轉(zhuǎn)向利用平臺，開展空間科學、空間技術(shù)和空間應(yīng)用三大領(lǐng)域的科學研究和應(yīng)用工作。各個領(lǐng)域適合和需要在空間，特別是需要人參與的科學研究和技術(shù)試驗，都可以考慮到空間站上進行，當然，這些項目需要經(jīng)過一系列的評估，滿足空間站準入條件。為什么說我們的平臺很好呢？一是規(guī)模很大，我國從來沒有這么大的航天器；二是能源很充足，發(fā)電能力達38 千瓦，目前中國最大的衛(wèi)星只有10千瓦；三是有人的參與，人的參與可以解決很多自動化無法解決的問題，包括設(shè)備的調(diào)試和校正，尤其是科學實驗還要迭代；四是天地往返效率高，用貨運飛船把試驗設(shè)備儀器運上去，火箭發(fā)射的時候環(huán)境非常惡劣的，對航天器等設(shè)備耐環(huán)境水平要求非常高，但貨運飛船內(nèi)可以采取減震減沖擊的措施，很多民品、商采的東西可以送到空間站上使用。且迭代周期短，載人飛船一年發(fā)射兩次，貨運飛船一年發(fā)射一到兩次，可提供比較高頻的天地往返運輸?shù)臋C會。歡迎老師和學生們充分發(fā)揮想象力，提出好的創(chuàng)意，參與到載人航天工程中來。

4 我的經(jīng)歷：對教育和學習的感觸與體會

中國的航天起步跟我的年齡是一樣的，60 余年。載人航天工程，得益于整個航天的發(fā)展進步，是幾代航天人努力取得的成就。從863 計劃算起有30 多年了，從921 工程算起也已31 年，從曙光號（714 工程）算起，則有50 多年了。我簡單談?wù)勎业慕?jīng)歷。

4.1 個人經(jīng)歷

我的經(jīng)歷跟同學們有很大的差異，因為我們所處時代不一樣。作為20 世紀50 年代出生的人，我的小學、中學時代，不以考試為主要目標，因為那時候沒有高考。我高中畢業(yè)后下鄉(xiāng)，進工廠，是湘西金礦井下的工人。一直到1977 年，鄧小平同志決定恢復高考，我才有上大學的機會。由于信息不暢通，我是在1977 年10 月12 日，中央人民廣播電臺播出恢復高考的信息時才得知，很激動，像做夢一樣。兩個月以后進入考場，期間每天上班干體力活，很辛苦，一天假也沒有請過。但我考學也沒有太大壓力，始終充滿信心，最后考入國防科技大學。我碩士研究生期間就讀于大連理工大學，然后回到國防科技大學任教，讀博士，留校當老師，參加載人航天工程的論證、做科研、再到出國、再到回國，再到調(diào)入載人航天工程擔任總體室主任，到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心擔任總工程師，再調(diào)回北京擔任載人航天工程的副總師，從2006 年起，擔任工程總師已經(jīng)17 年了。就大家感興趣的方面，我談?wù)勔恍└杏|。

4.1.1 中學：養(yǎng)成讀書習慣

這些年學習和教育，我覺得最有感觸的事情是讀書。盡管前面說我小的時候沒讀多少書，但我是一個發(fā)自內(nèi)心的愿意讀書和獲取知識的人。我是湖南人，小時候沒有很多書可讀，所以到哪我都和圖書館的管理員關(guān)系很好，因為那是我最喜歡去的地方。最開始的時候，我把湘西金礦的公共圖書館里認為值得一讀的書，幾乎都讀完了。

其中有兩本書對我產(chǎn)生了很大的影響，一本書是寫富拉爾基第一重型機械廠的《鋼鐵巨人》（圖4）。在里面我看到了知識分子在工業(yè)大生產(chǎn)中發(fā)揮的極其重要的作用，我所在礦上的工程師和知識分子的風范對我日后影響也很大。第二本是經(jīng)濟學的書，那是我讀過的第一本學術(shù)著作，讓我領(lǐng)略了研究的魅力。我終生保持著讀書這個習慣，只要碰到問題，哪怕是我很陌生的專業(yè)，我都會從專業(yè)書中尋求幫助。對于復雜問題，雖說我不能和從事該領(lǐng)域研究工作的專家們相比，但通過閱讀專業(yè)書籍，把基本東西搞清楚，我可以做出自己的判斷。

圖4 《鋼鐵巨人》

我讀書的習慣是受到我的老師們的影響而形成的。從中學時代開始，幾乎所有階段的老師都是我的朋友，并影響了我一生。中學的班主任是數(shù)學老師，他鼓勵我通過閱讀自學，所以我就去了技術(shù)圖書館借閱大學數(shù)學、物理和其他專業(yè)的書。老師們對我很好，把很多高中教材都找來送給我。那時沒考大學的機會，毫無功利之心。在初中，我就讀完了所有的高中教材。在高中時代，老師給了我樊映川的《高等數(shù)學講義》（圖5）和大學的物理教材。之后我通過圖書館又找到了更多大學教材。

圖5 《高等數(shù)學講義》

我中學時代的物理老師畢業(yè)于北大物理系，英語老師畢業(yè)于中國科技大學的物理系，他們的學識和風范以及具體幫助和指導對我產(chǎn)生了非常大的影響。在潛移默化的過程中，我全憑興趣養(yǎng)成了讀書的習慣。這是我想說的第一個方面。

4.1.2 大學：積累理論自信

大學是我們那時候的學生沒日沒夜瘋狂汲取知識的階段，我們77 級的學生對知識太饑渴了，十分珍惜這好像是天上掉餡餅一樣得來的學習機會。我本科除了修完本專業(yè)的課，還修完了我們系固體力學專業(yè)研究生所有課程，以及學校數(shù)學系前兩年的課程，還有不少其他的選修課。以至于大三的時候，數(shù)學系的系主任邀請我轉(zhuǎn)去數(shù)學系。我在本科注重知識積累，接受到比較嚴格的科研訓練則是在碩博士階段。我的研究生階段是在大連理工大學力學系，我有幸遇到那個年代的中國力學學術(shù)水平最高群體之一，這個群體的老師有：錢令希院士、鐘萬勰院士、程耿東院士、唐立民教授、周承倜教授等。這些大師們的風采，以及大師們給我講授的課程，使得我從思維層次上對科學有更多的理解。當時研究生很少，發(fā)論文其實也不多。得益于在本科和研究生階段構(gòu)筑的知識體系，使我對自己的研究對象以及相關(guān)的學科有了比較深入的思考。我認為大學學習生涯，自己在知識的積累和科研方面的訓練做的比較好。這兩個方面的積累，令我具備了科研工作中的理論自信。理論自信意味著什么？就是有能力也有膽識去面對不同的甚至是自己生疏的問題，一是搞懂問題，二是鍥而不舍地解決問題，三是做出正確的判斷，四是當存在著不同意見的時候，作為決策者能做出正確的決定。

4.1.3 工作：強調(diào)科學問題

無論是學習還是工作，我非常重視對物理原理的理解。讀書時候要理解科學原理，工作的時候養(yǎng)成用科學原理進行思考的習慣，依據(jù)原理分析、推理、判斷、總結(jié)，最后決策。給大家舉個例子。長征七號火箭二級推進劑輸送管路有一個五通的管路裝置，用于將貯箱中的推進劑分為四個分叉送到四臺發(fā)動機。首次飛行中發(fā)現(xiàn)，管路中的壓力出現(xiàn)了異常的突變，壓差超過了過去地面試驗的認識。分析機理很費勁，研制單位和大學老師一起做了一段時間的分析和仿真，認為可能是一種“空泡”效應(yīng)。我聽完匯報，心想：這么高的流速，這么大的壓力的情況下要堆積空泡談何容易啊。我沒研究過流體力學，但是我學過流體力學的基本原理。我指出，這樣復雜的一個出流裝置是可能產(chǎn)生渦流的，而渦流會導致壓力降低。后面中國空氣動力學研究試驗中心真把這個“渦”算出來了，試驗也觀察到了急劇的渦流現(xiàn)象，從而驗證了我的判斷。這就是從原理上去理解問題、判斷問題。

為什么要強調(diào)從原理上去理解呢？找到解決問題合理且可能的辦法，需要知識去做判斷。我也期望同學們對此加以重視?，F(xiàn)在的仿真算力都很強，年輕人學習掌握新技術(shù)也很快。但是，對物理原理的理解以及分析和推理的能力，是創(chuàng)新和創(chuàng)造的基礎(chǔ)，這是一個長期積累的過程。作為老師，應(yīng)該早點傳授給你們這種能力，但是，這種能力的培養(yǎng)更多地要依靠你們自己不斷的學習、思考，形成對物理本質(zhì)的深刻理解，養(yǎng)成優(yōu)秀的科學素養(yǎng)。

4.2 時代背景與機遇

我能夠進入載人航天工程，是一個非常偶然的機會。我碩士畢業(yè)后到國防科技大學任教，博士畢業(yè)繼續(xù)在國防科技大學任教，出國學習一段時間，再回到國防科技大學，到1999 年離開，在國防科技大學待了21 年。按理說，我終身職業(yè)應(yīng)該一直就是老師，我也非常熱愛大學的教職。1992 年載人航天工程技術(shù)進行可行性論證，原國防科工委要求國防科技大學推薦一個老師參加論證工作。全校當時有8 個系，每個系推薦一個人。我的前任王永志總師，看了8 個人的情況，要了我這個學力學的，因為力學是航天最重要的基礎(chǔ)之一，尤其是總體專業(yè)。因為我的專業(yè)背景，我參加了論證工作，才發(fā)生了后面一系列的事情。

4.2.1 我的初心：認真獲取、理解并應(yīng)用知識

同學們關(guān)心，怎么在人生關(guān)頭做好重要選擇，怎么去堅持初心？這問題挺難回答。初心應(yīng)該是自己懂得一定的道理，形成基本人生觀的時候最重要的東西。在我的中學時代，我就形成了世界觀。我少年時代的初心非常簡單，就是做一個有知識的人，長大以后做一個有用的人。那時候沒有高考的機會，也無書可讀，老師們深深影響了我，我對此記憶猶新。我當時就想，如果長大后沒有受過大學教育，除了中文對其他語言一竅不通，沒有達到我認為自己應(yīng)該具備的基本的能力素質(zhì)水平，會是我終生的遺憾。所以我想我能多年來堅持認真學習，在工作過程中堅持向不同行業(yè)的不同專家學習請教，都源于這份初心：我要認認真真獲取知識、理解知識并且應(yīng)用知識。

4.2.2 人生關(guān)頭的選擇：機遇與能力

再說選擇。我人生選擇的機會不多。第一個選擇是高考，我選擇了報考國防科技大學，當時叫長沙工學院。彼時中國已經(jīng)十多年沒高考了，我在湘西的大山溝里長大，沒見過很大世面，應(yīng)該怎么去做選擇？首先，我的目標是想考一所好大學，所以我填志愿選了國防科大、中南礦冶和湖南大學等三所湖南最好的大學，而且填了不服從分配，由此保證我能上個好的大學，不行就來年再考。這就是我當時的選擇。第二個是讀研究生。我認為我應(yīng)該換一個讀書的環(huán)境，增長見識。所以選擇了當時國內(nèi)我認為力學最好的大連理工大學，因為那兒有前面我說到的一批非?；钴S的力學專家。

博士就更簡單了，念完研究生，導師勸我留在大連，因為飲食習慣，我選擇回老家湖南。原本給我分到同濟大學，但我心想還是長沙好。母校歡迎我，因此又回到了長沙。教了兩年書以后又讀了博士，然后再繼續(xù)在學校任教。我前面說了，我去參加載人航天技術(shù)經(jīng)濟可行性論證的時候，那是學校委派的，不是個人的選擇。

之后公派出國，原本去法國，由于學習法語要一年時間代價太大，所以我自己在美國找了一個教授資助，去美國工作一年多。在美國我有一個選擇的機會，因為我拿的是H1B 工作簽證。同事們以為我會留在美國，但是我待了一年多就回國了，為什么？道理也很簡單。盡管當時我們國內(nèi)的生活條件和美國差距很大，但我認為我的事業(yè)在國內(nèi)，少年時代的初心始終在影響我。

另一個人生選擇是參與載人航天工程。組織調(diào)我去北京，我對在國防科技大學的教學工作有很多留戀，我還遠遠沒有達到自己給自己定下的退休前至少指導25 個博士畢業(yè)的目標，所以也留有遺憾。大工程的召喚對人很有吸引力，彼時我已經(jīng)42 歲，絕沒有想到要去當工程總師，因為我在經(jīng)驗上與畢業(yè)后就在航天工業(yè)部門工作的同學們相比，有將近20 年的差距。我很幸運，趕上了一個極其需要人才的時代。2006 年，我到北京工作的第七年，我接替了王永志總師，到今天17 年了，幸運地成為中國最受矚目的重大科技工程的參與者和見證者。

這就是我做過的人生選擇。從自己的經(jīng)歷看，我不否認會有一些重大的人生關(guān)頭，肯定需要做一個選擇。但關(guān)鍵的是什么？我覺得是能力，具備能力，被使命選中時才能把握機會。同時，不一定每次選擇都關(guān)鍵，年輕人永遠有把事情做好的機會和條件。我是在不惑之年參與載人航天工程，后來擔任了工程總師。人生之中，一直會有努力的機會，努力沒有捷徑。另一方面，我從一個大學教授去當工程總師這種機遇也是時代的產(chǎn)物。

時代與機遇的確會影響發(fā)展路徑。但是我認為只要努力，憑能力都能夠獲得好的發(fā)展，而且不管我們走什么道路，都可以滿懷愉悅地去欣賞走過的路。我回過頭來看我的知青生活也很有成就感，每一個人都應(yīng)該有平淡之心，欣賞生命完整的歷程。

5 啟示和建議

5.1 總師做什么

大家也很關(guān)心總師做什么。我覺得作為總師，最重要的職責如下。

第一，一定要提出更高遠的目標和更好的解決路徑。這是我的最重要的職責和使命。舉國之力開展大工程，要對全國人民交上完美的答卷，因此起步就必須瞄準高遠的目標。這是第一要務(wù)。

第二，設(shè)計好系統(tǒng)，千軍萬馬協(xié)同一致去工作。我們航天的行當可不能發(fā)生內(nèi)卷，大家必須非常高效的協(xié)同在一起，緊密合作。

第三，在實踐的過程中不斷優(yōu)化，與時俱進。盡管經(jīng)過多輪論證，我們認識問題的水平會在實踐中不斷提高。一個長達十年、數(shù)十年的工程周期中，世界在不斷變化，需要保持與時俱進。

第四，要用先進的理論和方法來促進技術(shù)進步。這也是我的重要職責。這些年我一直積極推動以工程實踐來帶動行業(yè)的發(fā)展和進步，例如可靠性、風險管理、基于模型的系統(tǒng)工程方法（model-based system engineering，MBSE）、數(shù)字化、一體化等。

第五，在不斷的學習請教過程中，運用知識和經(jīng)驗來做出科學的判斷。作為總師，有時用“孤家寡人”形容也不為過，決策非常難，需要足夠的知識和足夠的理論自信進行支撐。

5.2 對同學們的建議

最后，給同學們提六點建議。

第一點，希望大家高度重視基礎(chǔ)知識的學習理解與融會貫通。大學的學習，解題技巧不是那么重要，掌握知識原理更重要?，F(xiàn)在，工具軟件很多，提供了很多有效的分析解決問題的手段，提高了效率。但是，一個優(yōu)秀的軟件工程師或者用戶，必須掌握軟件的建模原理和方法。如果只掌握技巧，有時很難做好仿真，或者很難判斷仿真軟件算出來的結(jié)果，可能不知道對不對，更難知道好不好。所以要重視基礎(chǔ)學科的學習，掌握科學的原理，才能逐步養(yǎng)成洞察事物本質(zhì)和規(guī)律的能力，升華知識，在工作中受益。

第二點，希望同學們要有廣博的知識和系統(tǒng)的思維。更寬的知識面，才有可能形成從系統(tǒng)角度權(quán)衡決策的能力。用一句通俗的話，這叫多學科優(yōu)化?，F(xiàn)在很多行業(yè)都涉及了多學科，不再是一個牛頓或愛因斯坦憑腦袋就能想出一個不得了定律的時代，為了實現(xiàn)目標，我們時刻面臨著權(quán)衡選擇。所謂要有系統(tǒng)的思維，就是要從全局看問題。為什么錢學森先生強調(diào)系統(tǒng)工程？我舉個簡單的例子。在我們空間站初樣研制階段，遇到了火箭運載能力不足的問題。我們空間站3 個艙段的質(zhì)量是22 噸，結(jié)果發(fā)現(xiàn)運載能力掉到了21噸多，問題就嚴重了，這運載差距怎么辦？作為總師，我提出了一個很簡單的解決思路：將火箭入軌近地點高度降低到170 千米左右，這是綜合火箭和飛行器需求提出的新技術(shù)接口條件。航天一直是用200 千米的入軌近地點高度，為什么我說這件事情從原理上看最簡單？原理在于這樣可以降低勢能損失，因為不需要把那么重的火箭送到那么高的位置。勢能損失減少了，運載能力一定能夠提高。最后實現(xiàn)了460 千克的載荷運載能力提升。就這么一個點子，一分錢沒多花。所以說知識面非常重要，而這些知識基本都是大學學到的。

第三點，希望同學們有良好的團隊精神。我想說，在航天這個行業(yè)，真是千人一桿槍、萬人一桿槍、十萬人一桿槍的事，個人的能力和知識面都非常有限。作為工程總師，如果我不對，我也得聽別人的，不能以權(quán)力權(quán)威去挑戰(zhàn)科學事實?？茖W技術(shù)要講民主，一定要有高尚的品格。在一個大工程里，人格的魅力是每一個人能發(fā)揮作用并獲得發(fā)展空間最重要的品質(zhì)之一。大團隊缺誰都可以找到替代者，但是你個人如果和隊伍不能融洽在一起，能力再強也孤掌難鳴。品格和素養(yǎng)是發(fā)自內(nèi)心的。在大學養(yǎng)成團隊精神、協(xié)作精神，既要謙虛又要自信，既能堅持正確的東西，又能理解別人和被別人理解和接受，這都是一種能力，而大學是培養(yǎng)這種能力的地方。

第四點，希望同學們要堅持問題導向。習主席經(jīng)常提到，搞工程搞科研，做好的東西不用自夸，只有堅持問題導向才能不斷完善。希望同學們要自信但不能自負，不能自以為是。我就有一個不斷完善自己的心態(tài)。有些同事問我為什么能多年保持奮斗精神。在我干航天的這些年中，開會基本不談?wù)摮煽?，都是在不斷討論問題。我希望我們的年輕同學也要有這種勇敢直面問題的精神，對自己的素質(zhì)和品行都會產(chǎn)生很好的影響。

第五點，希望同學們要敢于質(zhì)疑，多問幾個為什么?，F(xiàn)在問為什么的人太少了。解決工程問題往往有多條路徑，要敢于大膽質(zhì)疑合理性與正確性，探討是否能夠做得更好。只有大膽的質(zhì)疑，才有發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的機會和可能。這點都做不到，談何創(chuàng)新？

第六點，希望同學們追求卓越。完美沒有止境，追求卓越是人類社會發(fā)展進步的根本動力，是工程科技創(chuàng)新的核心動力。安于現(xiàn)狀，很難有大的作為。

我一直就期望，在退休之前回大學教一段時間書，把一生所學所想所思，用更加簡單、更容易聽懂的方式分享給同學們。這也是我的初心。謝謝大家！