二、工程篇

我們從工程的第一周天開始。工程問題有很多，只舉七個例子，分別是：高超音速，空天超燃發(fā)動機與新一代戰(zhàn)機，超重力，盾構(gòu)，高鐵，天眼，共融機器人。

（1）高超音速

高超音速的概念與錢學森先生有關(guān)。請大家看圖3，這是1949年12月12日美國《時代周刊》“科學”欄目的一篇報道，題目叫做“上下翻飛的火箭”，副標題是“通過太空從洛杉磯到曼哈頓”。火箭在大氣層之外遵循天體力學的規(guī)律，進入大氣以后遵循空氣動力學規(guī)律。70年前，作為麻省理工學院的一名年輕教師，錢學森先生提了一個設(shè)想：可把大氣層視為水池子，將大氣層之上的真空視為空天，然后飛行器可以按照打水漂的方式前行，一會兒在水面之上，一會兒在水面之下，這就是上下翻飛的火箭。記者評論錢學森的報告說：“盡管這一報告中大部分是枯燥的技術(shù)內(nèi)容，但是最后的結(jié)論卻引人入勝：即如果這樣航行的話，一小時就可以從洛杉磯飛到曼哈頓”。錢學森先生近70年前的這一設(shè)想，現(xiàn)在剛剛成為現(xiàn)實。現(xiàn)在的高超音速飛行器，就是70年前錢學森眼中的空天間的飛舟。它交替利用流體力學和動力學這兩個學科的規(guī)律來予以實現(xiàn)。在大氣中運動需借助乘波體構(gòu)型。乘波體構(gòu)型涉及到流體力學的內(nèi)流、外流一體化的設(shè)計；涉及到超燃發(fā)動機，既要穩(wěn)燃，又要去激波。我國已經(jīng)試驗成功了乘波體構(gòu)型，可以滑翔。我國也試制成功了超燃發(fā)動機。結(jié)構(gòu)的抗熱部分利用油道冷卻來進行。高超音速飛行器的控制問題，包括它的魯棒性和快速響應(yīng)，也是我們需要研究的問題。

高超音速飛行器是空天間的飛舟，我國有三位科學家最近作出了杰出貢獻。一位是包為民院士，他2017年作為第一完成人獲得國家發(fā)明一等獎，表彰他在滑翔式飛彈中的關(guān)鍵貢獻。一位是祝學軍女士，她30多歲就成為總師，十多年后已經(jīng)成為系列總師；最近實驗成功的  新型號，采用高超音速下的滑翔飛行，其軌跡既無法預(yù)測，也無法攔截，且命中精度非常之高。另外一位是空氣動力學專家葉友達先生，在建軍90周年之際，習近平主席頒發(fā)的三個一等功之一就是表彰他對高超音速滑翔飛行的貢獻。在高超音速實驗手段研制方面，力學家們也頗有建樹。力學所俞鴻儒、姜宗林的團隊建成了JF12激波風洞，采用了獨創(chuàng)的反向爆轟驅(qū)動方法，在國際上實現(xiàn)了馬赫數(shù)5~9的高超音速飛行條件，且JF12的氣流持續(xù)時間和平穩(wěn)度都處于國際領(lǐng)先地位。2016年，美國航空航天學會把該學會的地面試驗獎授給姜宗林先生。姜宗林先生正在主持建設(shè)一個全新的JF22超高速風洞，思路從反向爆轟轉(zhuǎn)為正向爆轟。這也是國家自然科學基金資助的重大儀器項目，建成后的實驗所覆蓋的馬赫數(shù)可以達到10~25，其實驗溫度、實驗區(qū)域、實驗時間等數(shù)據(jù)也都不錯。這個正在建設(shè)之中的裝置將為更高速的飛行奠定實驗基礎(chǔ)。 

圖3  關(guān)于高超音速的報道，取自《時代周刊》，第54卷，第24期，第 46 頁，1949年12月12日

 

（2）空天超燃發(fā)動機與新一代戰(zhàn)機

講到空天超燃發(fā)動機就要提及國防科技大學王振國教授的團隊。他們沒有走國際上的老路，而采用了一條特立獨行的技術(shù)路線，發(fā)動機圓滾滾的，里面也光溜溜的，只有若干處火焰穩(wěn)定坑。其實驗結(jié)果令人鼓舞，已經(jīng)接近于驗證全航程能力。原來人們認為高速超燃發(fā)動機需要耐受2000℃以上的高溫，結(jié)果王振國教授通過總體優(yōu)化設(shè)計，使得需要耐受的溫度只有1000℃。通過力之大道，很多從逆向工程設(shè)計不能解決的問題，可以從根子上加以解決。

圖4是殲20戰(zhàn)機，其總師也是其他6個戰(zhàn)機型號的總師，包括“梟龍”、殲10A、B、C改進型、殲10雙座型、殲10教練機。他與我都畢業(yè)于西北工業(yè)大學，他學空氣動力學，我學材料與熱加工。楊偉所在的班出了三位總師，殲20的總師，運20的總師，還有殲15的副總師。

圖4  殲20

 

殲10的宋文驄總師提出了一個大膽的空氣動力學的布局，就是邊條襟翼控制的鴨式布局。但這時非線性程度高，對飛控要求苛刻。楊偉是學空氣動力學的，他又認真學習了電控，探討讓飛機規(guī)避進入螺旋狀態(tài)的控制路徑，一旦偏離線性，馬上就可以控制住。這樣就充分發(fā)揮了襟翼控制鴨式布局的空氣動力學優(yōu)勢。殲20結(jié)合了空氣動力學和電控之長，其電控儀表升級了5代。諸位作為錢學森力學班的同學，將來有些人是要當總師的，而總師需要非常寬的知識面。你既要掌握力之大道，還要有很寬的知識面。楊偉在去年年底當選為中國科學院技術(shù)科學部的院士。他在今年院士大會期間做了一個學術(shù)報告，闡述空戰(zhàn)的三代理念。第一代叫做機動為王，第二代叫信息為王，第三代叫智能為王。起初戰(zhàn)斗機互相進行空中格斗，飛機要做各種加速、轉(zhuǎn)彎、翻滾，這一代是機動為王。接著一代是信息為王，我的雷達能看得見你，遠遠的就發(fā)射導(dǎo)彈，而我的隱身特征使得你看不到我。飛機和武器成為一體，多架飛機組成一體，有不同的作戰(zhàn)的方式。信息的優(yōu)勢可能彌補發(fā)動機的些許不足。再往下一代是智能為王，如果一架裝了人工智能的飛機和駕駛員結(jié)合起來進行混合增強，可以打敗若干架尚未安裝人工智能的飛機。

（3）超重力

下一個例子是超重力。大家都知道重力加速度是g，把g變成1000g，就在重力之大道下把物理規(guī)律進行了時空的壓縮。由于相似律，就可以實現(xiàn)時間上的加速，空間上的縮比，能量上的放大。浙江大學的陳云敏團隊正在設(shè)計和建造一臺世界上最大的1500g噸的超重力離心機。在這臺超重力離心機上可以安裝6種實驗平臺。這6種實驗箱可用于研究滑坡、污染物擴散和材料科學。比如說可以在上面裝一個三維振動臺，若在這個振動臺上安裝一個建筑結(jié)構(gòu)的模型，就可以模擬在軟基下或地震中建筑物的響應(yīng)，研究建筑結(jié)構(gòu)與土壤滲流之間的關(guān)系。

（4）盾構(gòu)

中國人擅長于土木工程。以前我們用機械來挖洞的水平不高，只能從國外進口盾構(gòu)。國家自然科學基金通過創(chuàng)新群體項目，支持了浙江大學的楊華勇教授。在群體項目完成后，又通過一個973項目，形成了一個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，包括五家國內(nèi)盾構(gòu)生產(chǎn)的企業(yè)。力學工作者也積極加入，如天津大學的亢一瀾團隊。地底下打洞時要隨時知道前方所遇到的巖土狀況，而實驗力學工作者是這方面的行家里手。力傳感器派上用場，需要多大的破碎力，最佳掘進進度為何，都動態(tài)地傳給控制系統(tǒng)。盾構(gòu)與力學關(guān)系很大，還可以研究如何從盾構(gòu)不斷地發(fā)出波的信號，把盾構(gòu)前方的三維巖石結(jié)構(gòu)感知清楚，進行高效切削。力學家與機械工程師相結(jié)合，挖起洞來就非常厲害，導(dǎo)引出一條地下的力之大道。這個產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的盾構(gòu)就得以越做越多，越做越大，5家企業(yè)占領(lǐng)了80%以上的國內(nèi)的盾構(gòu)銷售市場。目前世界最大的是產(chǎn)于德國西門子的18m直徑的盾構(gòu)，而16m以下的盾構(gòu)，該聯(lián)盟的成本、技術(shù)、可靠性都具有優(yōu)勢。中國的盾構(gòu)使用量已經(jīng)占到整個世界盾構(gòu)市場的50%以上，并且已經(jīng)開始大批出口。

（5）高鐵   

力學對高鐵發(fā)展起了巨大的作用。西南交大有一個牽引動力國家重點實驗室，這個實驗室以一流的、價值幾個億的力學類裝備來研究高鐵的牽引動力。設(shè)計飛機時，飛機的翅膀要產(chǎn)生升力，飛機運行要降低阻力，升阻比非常重要。高鐵與之既相同又有所不同。相同的是降低氣動阻力，不同的是避免產(chǎn)生升力。如果產(chǎn)生升力，車輛的動力就傳不到軌道上，就沒有辦法推動列車前進。應(yīng)該產(chǎn)生壓力，壓在軌道上，再利用輪軌之間的摩擦力拖動列車往前走。高鐵車頭應(yīng)該是像老鷹嘴似的，讓掠過頭喙向兩側(cè)繞行的氣流將其壓在軌道上。高速列車能達到的速度是一個阻力與牽引力的競爭。阻力是隨著速度變化的，在空氣中運行，速度越高阻力越大；升力也是隨速度增高而加大，速度高到一定程度，動力就傳不上去了，輪軌就要打滑了，所以到了某一個速度就到了極限。馬斯克要研制一千公里時速的超級高鐵，就要引入真空管道，真空即消除了阻力，也消除了升力，可以大大提高極限速度，但是造價會非常高。此外，高速列車和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)（包括輪軌等）的相互作用決定著乘坐的舒適性、穩(wěn)定性。高舒適度的高鐵車廂，拿一個比較厚的硬幣，立起來，可以走很多公里不倒。無論是考慮高速列車與基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相互作用，還是考慮車軌本身的抗磨損問題，都與力學息息相關(guān)。

（6）天眼

下一個例子是天眼（圖5）。作為工程結(jié)構(gòu)，天眼有三個創(chuàng)新，可稱之為眼位、眼形和瞳仁。第一是選址，即眼位。要找到一個類似500米直徑的半球型的地形，以使得土木工程量為最小，下面還應(yīng)該是利于漏水的喀斯特地貌。在貴州一個名為大窩凼的地方符合這一條件。

圖5  天眼（引自WeiYang, Boost Basic Research in China, Nature, vol.534, 467-469, 2016的配圖）

 

第二是眼形。圖5的碗為半球形，如果想對準天區(qū)的某一方位，應(yīng)該是以該天向為軸的拋物面形。在拋物面的焦點上設(shè)置饋源，所有平行入射的射電信號經(jīng)過這個碗全聚焦到饋源上。但是，如果做成一個拋物面就只能對準一個方向，很難轉(zhuǎn)移到其他方向。在天眼工程中做成一個柔性的半球面，這個半球面的背面張拉了幾千根可致動的桿，形成智能結(jié)構(gòu)。如果想觀察哪個方位，就通過桿件的張拉，構(gòu)造一個局部對準該方位的拋物面，然后把饋源位置運行到該拋物面的焦點上。這樣就成為一個自適應(yīng)的碗。

第三是饋源，也就是瞳仁的精確定位。這可以通過多根纜索進行控制。天眼的首席科學家南仁東先生畢業(yè)于清華大學電子系。2001年，在清華大學90周年校慶之際，他參加校慶時找到工程力學系來討論如何固定這個饋源。在美國波多黎各的Arecibo建造了一臺一千英尺口徑的射電天文望遠鏡，在碗面上用一個三角形的空間構(gòu)架來安裝饋源，整個裝置有1 000 t重。如果在500 m射電天文望遠鏡上仿制這一結(jié)構(gòu)，就要有一個在天空中頻繁移動的重達10 000 t 的裝置，沒有工程實現(xiàn)的可能性。工程力學系的任革學老師提出了一個立柱-纜索方案，從4根立柱通過用拉動纜索來控制饋源的定位。對直徑為500 m的天眼來講，瞳仁的定位精度要小于4 mm。如果做一個10:1的縮尺實驗，對50 m直徑的“小天眼”，其定位精度要到0.4 mm，該精度還要保證無論刮風下雨都能實現(xiàn)。我們從工程力學系的211建設(shè)經(jīng)費中，拿出了50萬經(jīng)費，支持任革學老師做這件事。在逸夫科技館旁邊的空地上，立起了4根鋼架，拿繩索進行控制。實驗中發(fā)現(xiàn)精度不夠，就又提出了一個兩級定位方案，即用源于4座立柱的八根纜索拉著一個吊籃，在吊籃上面架了一個不隨吊籃晃動的斯圖瓦特平臺，在該平臺上面再放饋源。請了精密儀器系的汪勁松教授團隊來做斯特瓦特平臺。最后終于論證了所希望達到的指標。在天眼的實施方案中，改成了六個立塔的，這樣對天眼中瞳仁位置的控制更穩(wěn)定一些。

（7）共融機器人

基金委支持的一個重大研究計劃叫做共融機器人。其中，共融有三個維度，即與環(huán)境融合，與人類融合，機器人互相融合。所謂環(huán)境融合就是適應(yīng)惡劣的環(huán)境；與人融合就是為人服務(wù)，聽人指揮，人機共融增強；互相融合就是說它可以以群體的形式出現(xiàn)，甚至以軍隊的形式出現(xiàn)。

來源：力學與實踐

作者：楊衛(wèi)