给飞行器“瘦身”

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图①：张卫红（右一）和团队成员探讨科研进展。

图②：朱继宏（右一）和团队成员在做实验。

西北工业大学供图

1克，有多重？

日常生活中的事物可以给出答案：约为一个纽扣、一根塑料吸管，或者一粒花生米的重量。然而，对航空航天领域科技工作者而言，1克重量，或许意味着要用一生去探索。

1克，对动辄以吨计的飞行器，真的那么重要吗？

提运力、降能耗、减成本，就像钱学森先生曾说过的：“航天器一个零件减少一克重量都是贡献。”

20多年前，35岁的张卫红辞去国外高校终身教职，重返母校西北工业大学，投身祖国航空航天事业。当年的青年学者，如今已近花甲之年，并成为中国科学院院士。张卫红培养的西北工业大学空天结构技术创新攻坚团队，多年来潜心钻研“飞行器轻量化”，有力支撑了我国空天科技发展。

他带领的团队，更是朝气蓬勃——187名成员中，80后、90后是绝对主力，35岁以下青年超过90%。所有人，都奔着一件事——“为减轻每一克重量而奋斗”。

01

时光的指针，拨回到1999年。18岁的朱继宏正读高三，在保送择校时，他早就有了主意：“去西工大，当科学家！”

这位朝气蓬勃、志向远大的大学生，让刚回国不久的张卫红颇为欣慰。在他的悉心栽培下，朱继宏硕士毕业后赴欧深造，继续钻研航空航天工程，学成回国，加入导师团队。

一个盛夏傍晚，张卫红接到电话：南方一家研究所研制的某型号飞机，需重新设计机翼结构。他打量了一圈团队成员，决定派朱继宏、谷小军前去支援。“年轻人嘛，要多锻炼。大胆试、大胆闯，我对你们有信心！”

那时，朱继宏是青年教师，刚到而立之年，而谷小军还在读硕士研究生，缺乏实战经验。第一次接到这么重要的任务，两个年轻人既兴奋又期待，坐着火车一路南下。

南方的盛夏，溽热难当。因为研究所搬家，临时办公室安排在旧仓库里，头顶的大风扇吱呀作响，仍然驱赶不走成群的蚊虫与滚滚的热浪。两人提着行李刚到，顾不上条件简陋，迅即投入“战斗”。

“设计机翼结构，得跨过‘模型处理、网格划分、载荷评估’这‘三座大山’。”在朱继宏看来，前期建模尤其难，“就跟盖房子一样，要是有一根木桩没搭好，房子就塌了。”

两人早出晚归，忙活了半个多月，却一直进展不大。深夜，月朗星稀，办公室旁的小河上映着月光，微风拂过，波光粼粼。“眼看着水面上的月牙‘长’成了满月，可咱们的设计任务什么时候才能完成？”谷小军耷拉着脑袋，有些泄气。

朱继宏也不多言，小声鼓励：“咱们再加把劲！”

功夫不负有心人。几天后，两个年轻人攻克关键节点，思路立马顺畅了许多。紧接着又苦战了两个月，终于出色地完成了设计任务，让机翼成功减重近百公斤。

从夏到秋，凉意驱赶了暑热，谷小军感觉自己仿佛经历了一场“蜕变”。

在攻坚中接受历练，团队里的年轻人，就这样一步步成长。

一次，某大型运载火箭需要“一箭多星”方案——即设计一种合适结构，把几颗卫星支起来。张卫红带领团队里的年轻人，埋头设计了几个月。

“当时，有几公斤的重量，怎么也减不下来；几赫兹的频率，怎么也提不上去……”参与攻关的谷小军记忆犹新。有一天，大伙儿正苦思冥想，有人突然灵光一闪：“谁规定，卫星的位置必须一成不变？要不，咱给卫星‘挪挪窝儿’，跟随结构一起设计？”

大家都觉得眼前一亮，可以试一试！公式推导、方程求解……一番论证后，卫星找到了合适的“新家”。

“重量减了下来，频率提了上去，整体结构高效顺畅！”朱继宏兴奋极了，“这看似简单的‘协同优化’设计思路，是在多少个通宵达旦后，才换来的灵光一闪啊。”

如今，朱继宏已担任博士研究生导师多年，正为祖国培养更多的青年才俊。谷小军也已成为副教授，是团队里的中坚力量。

02

给飞行器“瘦身”，创新设计是关键，先进制造是保证。团队里的85后青年科技工作者杨昀，钻研的正是“把设计图纸变成现实”。

“在空天制造领域，零件有两个特点：轻薄、整体化高。”杨昀介绍，“轻薄自不用说，整体化高可减少连接件的数量。归根结底，都是为了‘减重’考量。”

不过，薄壁整体件制造难度很大——尺寸大、易振动、加工效率低。有一次，一家制造厂加工飞机某零件，因为形状不规则，最薄处仅3毫米，一个零件加工下来，用了35天。

“病因”在哪儿？杨昀带着几名学生，开始“查体”。“为掌握机床、刀具、原材料等的特性，我们需要采集各类参数。”杨昀记得，仅机床的参数，就反复测量了上千次。

3个月后，“药方”开出——师生新建的力学模型，优化了工艺，提高了加工效率。“如今加工零件，只要15天。”杨昀兴奋地说。

日常科研，并不总是一帆风顺。此前一段“卡壳”的经历，让杨昀至今难忘。

那是一个航空零件，加工时材料容易变形。团队里的年轻人反复尝试，变形误差范围仍超出0.1毫米。

这还不算，最让人头疼的是——加工零件时，用同一个计算模型、同一套加工参数、同一套加工工艺，每次的变形幅度都不一样。

“咋回事儿？”实验室里，师生面面相觑，百思不得其解。

杨昀决定请教导师张卫红。过了一天，导师打来电话：“你们建的力学模型中，可能有一项参数并不是固定值。”

一语惊醒梦中人。杨昀带着学生一一排查，发现问题可能出在毛坯原材料的参数上。

“每次加工，都用同一种原料，来自同一个厂家。我们就想当然地以为，这项参数是固定值。”杨昀解释道，实际上每批次的毛坯料，力学性能都可能有波动。“于是，我们把固定参数，替换成了数值区间。找准‘病灶’，模型很快得到优化。”

这些年来，导师的渊博学识和扎实功底，杨昀已多次领教。最让他感佩的，是老一辈科研工作者的勤奋敬业、一丝不苟。

一次，张卫红出差回来，把论文修改意见递给杨昀——那是航班上的一个清洁袋，上面写满了密密麻麻的公式。原来飞机上找不到纸，张卫红便就地取材，出差途中的点滴时光，都不肯浪费。

杨昀也秉承了老师的认真劲儿，他常常和年轻学生们一起做研究，在制造厂里蹲点调研，在实验室里忙到深夜。

03

浩瀚苍穹中，卫星的天线与太阳能电池板，犹如一把“伞”，徐徐打开。在奔向遥远的星辰大海时，“伞”越撑越大。为给卫星“瘦身”，这把“大伞”不配备传统驱动装置，仅靠一种智能材料便能自动展开。

这幅图景，34岁的张亚辉设想过无数次。“空天结构团队”里的这位青年科技工作者，多年来研究“空天智能变体结构”——尝试在创新设计、先进制造等“飞行器瘦身攻略”之外，探索一种“更遥远的未来”。

不用外力，自动变形。什么材料，这么神奇？

“它叫形状记忆合金，能‘记住’自己原来的模样。当温度改变时，它会根据需求，主动改变形状与强度。”张亚辉说，“我天天打交道的就是这种合金，知道它刚柔并济，‘记忆’超群。”

2021年秋天，张亚辉在《智能材料与结构》选修课上，介绍了这类合金的应用场景。他鼓励学生大胆设想：“你们负责设想，我负责帮你们实现。”

大三学生陈禹丞的“金点子”，让张亚辉感叹后生可畏。

“卫星的天线或电池板，能否用智能材料，做成扇子形状？”这个00后小伙子思路活跃，“扇子‘展开比’很大，收起来很小，又轻又方便。”

“在太空展开一把扇子，这个想法很新颖！”得到老师肯定，陈禹丞很受鼓舞，他一头钻进实验室里，查资料、测数据、设计方案……

几个月的努力，换来了初步方案。方案交给老师后，陈禹丞满心欢喜。不料张亚辉一针见血地指出：方案“好看”，但不够实用，“上天的东西，不能忘记‘轻量化’的初衷，要‘死抠’每一克重量。”

大胆设想，小心求证，老师的教导，陈禹丞心悦诚服。

又经过两年的探索，陈禹丞的“金点子”迈出了实验室原理样机的第一步：这种超轻量化装置，自主展开近1米时，所用的驱动材料仅重1.6克，相关专利申请已被授权。新的学期，陈禹丞继续攻读硕士学位。朝气蓬勃的“空天结构团队”里，又多了一名00后青年才俊。

自2008年进入西北工业大学后，张亚辉15年来潜心科研，记录实验数据的电脑文件越来越多。

就像数据的点滴聚垒，“空天结构团队”里，每一位成员用科研热情聚垒成了靓丽的“青春图景”。这些年来，团队先后获得国家自然科学奖、国家技术发明奖，今年还获评“中国青年五四奖章集体”。

梦，在云霄之上，在星辰大海。“轻量化，是飞行器永恒的追求”，“空天结构团队”逐梦的步伐，将永不停歇……