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程耿东:给火箭“减重”的优化大师

2022-04-30 14:43:3269 ℃

  

程耿东:给火箭“减重”的优化大师

  程耿东院士给本科生上课。

程耿东:给火箭“减重”的优化大师

  程耿东博士论文答辩。

程耿东:给火箭“减重”的优化大师

  程耿东院士在实验室为学生作指导。本版照片由大连理工大学提供

  据测算,火箭重量每减少一公斤,就将节省约两万美元的发射成本。程耿东指导团队为长征五号运载火箭减重达到1145公斤。这一科研成果被评价为:“从源头上提高了我国运载火箭和导弹的结构设计精细化水平。”

  心若年轻,岁月不老。年过八旬的程耿东说:“科研工作一辈子也做不够,因为不断有新的挑战。”

  又是一年冬去春来。

  凌水河畔,大连理工大学。路边的玉兰树上,毛绒绒的花苞密密麻麻地挂满枝丫,在春风里摇曳,等待着怒放的时刻。

  一位背着双肩包的白发老者,不疾不徐地走在校园里。他的身旁,不时有三三两两的年轻学子匆匆而过,和春天一样,充满活力。

  50多年前,在和这些年轻人同样风华正茂的年纪,老者来到这所与共和国同龄的大学。

  斗转星移,将近一个甲子的岁月过去,当年的英俊青年,早已成为这所学校的骄傲。

  这位老者,就是国际著名结构优化专家、中国科学院院士程耿东。

  为火箭“瘦身”飞天寻找最优解

  大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室里,面积不大的空间内摆满各种奇奇怪怪的实验装置和仪器,虽然看上去有些拥挤和凌乱,但为长征五号运载火箭减重等重大科技成果就来自这里。

  “结构强度与轻量化设计”是近年来程耿东和团队一个很重要的研究方向。对普通人而言,这是一个很陌生也很难理解的概念,而对于我国的航天事业乃至普通人的生活来说,却有着非同寻常的意义。

  “简单地说,就是通过我们的优化设计,让火箭、航空器、飞机等航空航天装备以及和老百姓生活密切相关的汽车等运载工具既轻便又结实。”程耿东通俗地给记者解释。

  在航天领域有个说法,火箭上的每一克重量,都比同等重量的黄金更有价值,这种说法其实并不夸张。据测算,火箭重量每减少1公斤,就将节省约2万美元的发射成本。

  针对结构强度与轻量化设计这一提升航天装备竞争力的核心技术,大连理工大学的多支研究团队,在程耿东的指导下,从2008年开始与航天一院一部联合攻关,成立航天结构强度分析中心,针对大直径运载火箭开展结构优化设计研究和攻关。

  2016年11月,海南文昌发射中心,长征五号运载火箭震撼首飞。

  因为结构优化给出的是轻量化的新型设计,存在一定风险,受邀在现场观看发射的程耿东感到前所未有的紧张。火箭腾空那一刻,程耿东心中一块石头落地,和团队成员一起欢呼起来。

  长征五号运载火箭是我国从航天大国迈向航天强国的关键一步,作为我国运载能力最强的火箭,其运载能力与当时服役的运载火箭相比提升了两倍多,使我国运载火箭的规模实现了从中型向大型的跨越。

  在参与长征五号运载火箭研制过程中,程耿东指导团队解决了火箭集中力扩散中的共性问题,以及优化列式模型建构、高效求解算法建立及拓扑优化结果的后处理等“卡脖子”问题,为长征五号运载火箭20多个部段成功“瘦身”,实现长征五号火箭结构减重达到1145公斤。此后,相关成果又相继应用于长征七号、长征五号B以及卫星平台等“国之重器”当中。

  随着中国星际探测征程的脚步从地月系到行星际的跨越,他们的科研成果也飞向了宇宙更深处。

  2021年5月,“天问一号”探测器成功着陆于火星乌托邦平原,在它的研制过程中,大工团队的科研成果成功让火星车设备板相关结构件减重50%以上,结构承载效率显著提升。

  长征五号B运载火箭型号办公室等单位评价大工科研成果:“从源头上提高了我国运载火箭和导弹的结构设计精细化水平”“从源头上提升了我国深空探测器中复杂连接结构的设计技术水平并提供了自主可控优化设计工具”。

  北京冬奥会“带动三亿人参与冰雪运动”,2020年,“结构强度与轻量化设计”国防科技创新团队,在国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项的支持下,将“航天新型轻质高承载结构及其高效优化设计”技术运用到滑雪头盔研发中。2021年,成功研制出新一代高科技滑雪头盔,让高端科技产品走向了大众。

  眼下,程耿东正在和团队做高超音速飞行器的结构优化研究。他说:“希望做点儿过去没做过的工作,开拓新的研究方向。”

  “科研工作一辈子也做不够”

  从大连理工大学“院士楼”到1号实验楼,大约是七八分钟的路程。

  每天,程耿东要在这条路上走两个来回。

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