清华大学庄茁：空天飞行器的高安全、长寿命与轻量化

crazyai

原创 庄茁 中国科协之声

导 语

国家科技传播中心学术发展讲堂是中国科协最新推出的一档学术栏目，突出前沿性、思辨性和传播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，传播学术领域的前沿发展动态。讲堂将持续邀请战略科学家、一流科技领军人才和创新团队，讲述突破传统的前沿探索、卓有成效的改进方法、颠覆认知的创新理论以及改写行业规则的研究成果。今日为您推送第四期内容，一起看→

“航天科技的进步需要用举国之力来推进。研制低成本、高可靠性、方便灵活的运载工具是航天事业发展的关键任务，而研制高安全、长寿命与轻量化的空天飞行器是航天科学家永远追求的目标”。清华大学航天航空学院教授庄茁在国家科技传播中心学术发展讲堂上发表如上观点。

逐梦苍穹，铸就强国之梦

庄茁

探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦。“神舟”问天、“天和”遨游、“嫦娥”揽月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“悟空”“慧眼”探索宇宙奥秘……一代代航天人前赴后继，推动中国航天事业向前发展。太空探索永无止境，伟大复兴的中国梦持则可圆。

中国航天的自主创新与多维转型

航天航空技术的发展支撑着我国的国家安全和国际地位，是国家层面的战略选择。新中国航天事业的发展史是一部自力更生、自主创新的历史。新中国成立初期，我国航天领域几乎从零起步。钱学森等老一辈科学家心怀报国热忱，克服重重困难，带领中国航天人从仿制改型到自行设计、再到自主创新，成功完成“两弹一星”等战略任务。王永志等第二代航天科学家继往开来，带领新一代航天人自强不息、勇于探索，成功完成“载人航天”等战略任务。

技术创新是航天强国建设的核心驱动力，中国航天坚持走自主可控的发展道路，聚焦关键核心技术攻关。近几年取得了诸如重型运载火箭“长征九号”研制、中国空间站“天宫”环绕地球在轨运行及“虹云工程”和“鸿雁星座”低轨宽带通信卫星星座计划等一系列重大突破，使中国航天在国际航天领域中占据举足轻重的地位。

当前，我国航天技术正在多维度向“新”转型。

以运载火箭领域为例，已完成从液氢、液氧火箭燃料向无毒的全液氧甲烷迭代升级；在材料设计上，火箭和飞行器结构也在不断减轻减薄；在经济效益上，我国的商业航天产业正在探索可回收火箭技术；持续增强的国家经济实力也为技术研发体系提供了坚实保障。

在技术应用维度，航天技术长期以来主要服务于国防安全与重大科研需求。随着美国SpaceX公司引领全球商业航天产业模式变革，我国商业航天企业积极跟进，推动航天技术向民生领域深度渗透。依托全球最大的互联网用户基数，我国商业航天产业已构建独特的ToC市场基础，北斗卫星导航系统就是航天技术民用化的典型代表。随着国家低空经济战略的推进，航天技术将在遥感监测、高精度定位等领域形成技术支撑体系，赋能城市规划、智慧物流、应急救援、生态保护及农业等关键场景，向民生经济多领域拓展。

随着我国航天事业进入新阶段，航天技术面临更高要求。为稳步推进空间站应用与发展、完成载人月球探测等重要任务，持续提升国防安全与民生保障能力，航天装备需不断突破核心技术难点，筑牢航天强国的技术根基。

高安全、长寿命和轻量化：空天飞行器如何实现

航天科技的进步需要用举国之力来推进。其中，研制低成本、高可靠性、方便灵活的运载工具是航天事业发展的关键任务，更为重要的是减轻上面级结构重量和提高有效载荷能力。因此，研制高安全、长寿命与轻量化的空天飞行器是航天科学家永远追求的目标。

断裂是工程结构最直接、最危险的破坏形式。空天飞行器高安全、长寿命与轻量化之间的强约束，使断裂控制成为我国空间站实现长期运行、大型飞机实现长期服役的基础与关键。断裂控制也是实现结构快速分离的重要手段，如运载火箭级间分离、航天员安全逃逸等。

在航天器的设计中，板壳是飞行器最主要的结构形式，整体加工成型的变截面壳体结构承载能力强、疲劳性能好、结构重量轻，是我国新一代航空航天器的共同需求，也是国际上大型飞行器的共同需求。然而，板壳整体结构缺少局部止裂元素，加之大型变截面壳体特征尺寸差异大，受力工况复杂，其断裂过程耦合了全部I/II/III型断裂模式，一旦出现裂纹，呈现易失稳、难控制的特点，局部断裂极易诱发全局性、灾难性后果，这为人员和飞行器结构安全带来了极大风险。

先前，板壳断裂一直局限于基尔霍夫薄板与明德林中厚板两套理论分段主导的状态，不具备普适性，是国际断裂力学领域长期攻而未克的难题。航天器需要板壳整体加工，如何让断裂可控，即在需要止裂时让裂纹停止扩展，保证结构不发生断裂事故；在需要断裂发生时让裂纹快速扩展，比如人员逃逸、穿盖弹射等，这些都是对断裂力学提出的挑战。

在国家重大科技专项、国家自然科学基金支持下，历经30余年攻关，面向空间站、大飞机国家重大战略工程等领域，围绕“断裂控制”核心问题，我们团队发明了基于连续体的壳体断裂扩展有限元技术和变截面壳体结构裂纹预测防控、引导驱动系列技术，对结构裂纹实现能“阻”能“疏”、可“调”可“控”，创建了壳体断裂统一计算理论和方法，提出了壳体裂纹两侧不连续位移场和裂尖奇异场扩充形函数，填补了壳体断裂领域的计算理论空白，出版了中英文专著《扩展有限单元法》。

我们突破了传统壳体有限元思路，建立了连续体与壳体关联方程，在壳体节点求解运动学方程，在连续体节点求解动力学方程，解除了壳体断裂计算与厚度的相关性；构建了连续体壳相互作用积分，建立了基于能量释放率的连续体壳断裂准则，实现了变厚度壳体结构三维裂纹沿复杂路径自然、自主扩展的统一计算，解决了传统壳体有限元受薄壳、厚壳的理论限制，以及需要预先指定裂纹路径的问题。这些成果属国际原创。

美国、西班牙、英国学者评价“在壳体中构建了扩充形函数，描述了位移场的非连续性，庄茁团队的裂纹扩展计算程序是国际上公认的两个比较完善的大型计算程序之一。”

具体到方法和思路，我们建立的是基于连续体的壳方程，从运动学和动力学关联两方面解决了变形协调和力的平衡问题，同时还建立了能量释放率的准则，解决了裂纹扩展或止裂的判据问题，应用于工程分析。

这项研究工作主要是针对我国空间站密封舱的设计问题。十几年前，我们着手推进相关工程的设计，发明了变截面壳体结构裂纹扩展预测与止裂控制技术，建立了变截面壳体结构参数与断裂控制自适应优化设计方法，厘清了壁板厚度、加筋拓扑、布局位置对结构疲劳断裂寿命的影响规律，突破了整体结构断裂易失稳、难控制的技术瓶颈。

在安全性方面，天和核心舱是技术成功实践的代表。天和核心舱是中国空间站发射入轨的首个舱段，具备长期自主飞行能力，可支持航天员长期驻留，开展多种科学和技术试验，起飞质量22.5吨，是中国自主研制的规模最大、系统最复杂的航天器。天和核心舱由我们团队进行力学分析和结构设计（长11.6m，直径4.2m），并以寿命期裂纹不穿透壳体壁板为准则，即如果出现初始裂纹，不会形成穿透裂纹，克服了安全性这一大难关。这是变截面壳体整体结构在我国载人航天器上的首次应用，同时也将我国载人航天器结构设计由强度准则革新为基于断裂控制的疲劳损伤容限准则。

在实现飞行器的长寿命方面，力学技术也有重要应用价值。以天和核心舱为例，舱体外部太空环境是零气压，内部压力是91kPa±10kPa，是航天员生存的基本环境条件。在此工况下，由内外压差导致的应力作用在舱体结构上。同时，空间站绕行地球需要每日经历16次日照与阴影区的交替，从面向太阳到背对太阳的周期是1.5小时。在受太阳辐照时，舱体表面温度达100℃，而背对太阳时，表面温度达-100℃。这200℃的温差导致了交变温度应力，产生了空间站的疲劳寿命问题。在航天器疲劳寿命验证上，要确保航天器的使用寿命达到15年，倘若按照常规方法进行实验验证，就需要持续进行15年的实验。这种方式不仅耗时过长，还会严重影响航天器的发射计划。因此，我们采取了一种替代方案：通过在地面模拟太空环境，利用注入气压和释放气压的方式模拟太空温度变化所产生的交变应力，从而缩短疲劳载荷的时间间隔，以此加速实验进程，保证了2021年的正常发射。

在轻量化方面，航天领域的飞行器设计以往是基于强度准则，导致航天器尺寸偏大、偏重。我们基于断裂控制的疲劳损伤容限新准则，制造出一系列变截面壳体，例如将加强筋最小间隔由62.8毫米扩大至162毫米，壁板由3.5毫米等厚度优化为2毫米至3.5毫米变厚度，减薄了部分应力不大且不集中的位置。通过扩大加强筋间距，采用变厚度壁板，与蒙皮点焊结构相比，实现了天和核心舱在同等尺寸、同等强度下单舱减重超150公斤，减重率达8.57%，结构重量占比22%，即78%是有效载荷，而国际空间站的结构重量占比30%。显然，结构重量多，就会造成有效载荷小，这是我国空间站优于国际空间站的设计，达到了国际领先水平，核心技术是采用了变厚度整体壳体结构。这些技术不仅应用在空间站上，也应用在我国自主研制的运-20战略运输机的机翼上，使机翼的整体壁板结构减重1000公斤。

这些技术还具备广泛的拓展潜力。例如，在西气东输高压管道安全评估、涪陵页岩气水力压裂开采等领域。未来，随着技术的进一步发展，还将在载人登月和深海探测等前沿领域得到应用。这些场景都涉及力学理论和结构设计，应用于航天、航空、航海等工程。

对新时代航天航空领域人才培养的思考

航天事业取得的跨越式发展成就，既是践行国家科技强国战略的里程碑成果，更是几代航天科技人才接续奋斗的智慧结晶。当前，世界百年未有之大变局加速演进，国家之间的竞争实质上是科技的竞争、人才的竞争。面对技术迭代加速的时代特征，必须着力构建与科技发展需求相适配的人才核心能力体系。

人类历史上的前三次工业革命分别以蒸汽、电力、信息等单一技术为特征，第四次工业革命则体现了人工智能、大数据、生物技术、纳米技术等群体技术涌现和融合的特点。我国2035年远景目标纲要明确提出要大力发展数字经济，推进数字产业化和产业数字化，凸显了数字算力的重要性，这也为航空、宇航、力学等学科带来了重大的机遇与挑战。

航天航空事业需要大量优秀人才，而大学的办学宗旨就是教育培养人才，这是学校一切工作的出发点和落脚点。

以清华大学为例，清华航空学科不仅为国家培养了大批优秀人才，还为国家需要的岗位培养人才，设立了很多特殊班级，比如钱学森力学班、航天员工程硕士班、空军-清华联合培养飞行员班等。其中，2009年至今，钱学森力学班已培养了15届450余名本科生；2005年11月，在神舟六号返回后，中国首批航天员中的13人成为了“航天员工程硕士班”学员，并于2020年1月全部完成了工程硕士学位的学习；2011年9月，“空军-清华联合培养飞行员班”成立，首批32名飞行学员成为了空军航空大学和清华大学联合培养的本科生，至今已经培养了400余名飞行员本科生。

学生选择到祖国需要的岗位建功立业，祖国也选择了他们。

当今时代，大学的使命已从教育、科研拓展到引领国家和区域的创新体系，尤其在工科教育上突破了专业概念，形成学科交融、问题导向、产教融合、创新驱动的新范式，这对人才的能力和素质培养提出了新要求。工科研究生教育正面临三大转型，一是从学科导向转向产业需求导向；二是从专业分割转向跨界融合；三是从适应社会需求转向主动引领发展。

传统的人才培养模式强调对单一学科的学习，存在科研与工程应用脱节的情况，而航空航天事业的发展需要构建多学科交叉的人才体系。举例而言，导航控制系统作为关键技术，既需要导航制导与控制专业的人才，也需要计算机科学技术领域的支撑；轨道优化设计与再入返回技术研发则需要航天动力学、固体力学、材料科学与控制领域的专业人才。

面向未来发展，人才培养应聚焦两大方向：一是学科必须要有交叉，要培养跨界的复合型人才；二是要重视人工智能技术，要培养学生运用智能方法进行理论和数据建模的能力。同时，要重视训练提升学生创意、创新、创业的能力，全球胜任力，工程实践能力以及职业道德与社会责任感。

优秀的教育工作者作为人才培养的核心责任人，肩负着为国家培养高层次创新人才的重要使命，要始终遵循学术担当，创新求实、顶天立地，追求卓越的行为规范，努力将教育、科技和人才培养紧密结合，铸就强国之梦。

素材来源：中国科协科学技术传播中心

责 编：胡安妮

审 核：张敬一

终 审：孟令耘

清华大学邓志东：人工智能的研究前沿、迭代演进与发展路径

原标题：《清华大学庄茁：空天飞行器的高安全、长寿命与轻量化》

阅读原文

来源：中国科协

(本文来自澎湃新闻，更多原创资讯请下载“澎湃新闻”APP)