曾耀祥：改變半個多世紀的火箭設(shè)計方法

張津澤　趙麗娜

“毛頭小伙”曾耀祥獨辟蹊徑，用半年時間改寫了沿用了半個多世紀的“載荷設(shè)計方法”，讓火箭結(jié)構(gòu)更輕，運載能力更強。

載荷參數(shù)是火箭設(shè)計的依據(jù)，通常情況下，先有飛行載荷參數(shù)，再進行火箭設(shè)計。航天一院“載荷設(shè)計方法”已沿用持續(xù)了半個多世紀。大家也已習(xí)以為常。2018 年初，30歲的“毛頭小伙”曾耀祥卻對“載荷設(shè)計方法”提出了質(zhì)疑，并獨辟蹊徑，最終用半年時間改寫了這一方法，讓火箭結(jié)構(gòu)更輕，運載能力更強。

作為一名航天青年工程師，曾耀祥很好地踐行了“新總體”職責(zé)和使命，創(chuàng)新提出了彈性載荷精細化設(shè)計方法，大幅降低了彈性載荷，為提升火箭性能提供了強力支撐。他牢記一部“引領(lǐng)”作用，針對新一代運載火箭關(guān)機動載荷大問題，創(chuàng)新提出助推反相位關(guān)機降低動載荷方法，避免了某新火箭級間分離系統(tǒng)及多個部段重新設(shè)計和試驗，節(jié)約經(jīng)費千萬量級，減載效果已在飛行中驗證，高達86%。他善啃“硬骨頭”，主動辨識現(xiàn)有火箭飛行qa放行門限設(shè)計隱患，制定了時變qa門限設(shè)計方法和實施流程，推廣應(yīng)用于各運載型號，實現(xiàn)了風(fēng)險消除和放行概率提升的目標，具有重要工程意義。

立下“萬無一失、一失萬無”“軍令狀”

一道選擇題，物理學(xué)霸曾耀祥卻做成了多選題，“我覺得兩個都是對的”。這是高三某次重要的物理科目模擬考試，試卷講解環(huán)節(jié)，曾耀祥向老師闡述了自己選擇多選的理由。“老師覺得有道理，接受了我的觀點。”讓曾耀祥記憶深刻的是，學(xué)校為此將物理試卷標準答案進行了重新修改。

2009年從哈工大畢業(yè)后，曾耀祥以全系第一的成績，被保送到航天一院一部載荷與力學(xué)專業(yè)攻讀研究生，從此扎進火箭載荷與力學(xué)環(huán)境研究。與當(dāng)年模擬考類似，他面臨一道新的必答題：如何提升火箭運載能力。

近幾年，一院火箭發(fā)射密度大、新型號數(shù)量多，尤其是在現(xiàn)役火箭基礎(chǔ)上改進升級的“長征七號甲”“長征八號”等新型火箭，結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)確定，若采用原有的“載荷設(shè)計方法”，經(jīng)費、周期和運載能力必然受影響。

“這個問題不解決，新型火箭就得改結(jié)構(gòu)。”曾耀祥說，火箭一旦改結(jié)構(gòu)就意味著每個部段都得改，將增加很多試驗，研制經(jīng)費也會隨之增多，更重要的是研制周期必然受到影響。如何在不更改火箭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，讓火箭“體重”更輕但運載能力更強，這成為了研制難點。

一次，在“長征七號甲火箭項目討論會”上，型號總師再次提出這個問題，希望各個系統(tǒng)各自尋找突破口。曾耀祥的一句話打破現(xiàn)場的片刻沉寂，“我可以對‘載荷設(shè)計方法’做些優(yōu)化。”

早在幾年前，他就發(fā)現(xiàn)“載荷設(shè)計方法”有一定局限性。比如，方法對某個參數(shù)的選擇只給了一個區(qū)間值，而不是固定值。在實際應(yīng)用中，各型火箭通常選擇的都是最大值。參數(shù)有沒有優(yōu)化空間？能不能再精確些？勤于思考的曾耀祥通過前期梳理，發(fā)現(xiàn)了幾個可以優(yōu)化的突破口，但他并不滿足于此。“如果只是這樣小修小補，最終呈現(xiàn)的也只是個半成品，我想要對整套設(shè)計規(guī)范重新梳理、優(yōu)化。”曾耀祥給自己設(shè)定了更高的任務(wù)目標。

干航天需要熱情，也需要冷靜。火箭“載荷設(shè)計方法”經(jīng)歷了半個多世紀的考驗，穩(wěn)妥可靠，不是說改就能改的。要改變，誰的心里都沒有底。曾耀祥也不例外。

“‘載荷設(shè)計方法’就像一個‘黑匣子’，沒辦法提前驗證，必須完全正確，萬一錯了，火箭就會在空中解體。”曾耀祥坦言，這項任務(wù)用“萬無一失、一失萬無”來形容毫不為過。

除了風(fēng)險巨大，這項任務(wù)也伴隨著巨大的工作量。要改變現(xiàn)有的算法及參數(shù)，勢必要弄清楚原有的每一個參數(shù)是怎么來的，依據(jù)是什么，是否有效……更重要的是，參數(shù)都是半個世紀前確定的，還能查到它們的來源和依據(jù)嗎？

“當(dāng)時沒考慮那么多，只想這件事很有意義，哪怕是雞蛋碰石頭，也要試一試！”曾耀祥語氣堅定。

汲取國內(nèi)外有關(guān)專業(yè)精華

優(yōu)化“載荷設(shè)計方法”只是曾耀祥工作的一小部分，上班期間，各種會議以及其他型號相關(guān)工作占用了他大部分時間。因此，曾耀祥只能利用休息時間干“副業(yè)”。

因為知道其中的難度，對優(yōu)化“載荷設(shè)計方法”，領(lǐng)導(dǎo)們并沒有施加壓力，但曾耀祥主動給自己安排任務(wù)，同時根據(jù)“長征七號甲”火箭的立項時間安排自己的工作進度，逼迫自己在不同節(jié)點完成不同工作。

從查閱資料著手，曾耀祥首先要弄清楚現(xiàn)有方法中各個參數(shù)的來源以及選擇依據(jù)，這說起來簡單做起來卻不易。

“一些原始數(shù)據(jù)無從查找，比如火箭飛行過程中的陣風(fēng)大小。”曾耀祥在優(yōu)化“載荷設(shè)計方法”過程中，汲取了國內(nèi)外有關(guān)專業(yè)的眾多資料精華，想方設(shè)法找來很多國內(nèi)外標準文獻，以及最新的研究進展。

研究后期，他發(fā)現(xiàn)有個模型的參數(shù)無法確定，查閱了大量資料，一直沒有結(jié)論。下班后，曾耀祥一直在單位加班查找資料，他突然想到在航空工作的同學(xué)，考慮到工作上有很多相同點，他想讓同學(xué)幫忙找找資料，拿起電話就打了過去。同學(xué)接到電話很詫異;“你們搞什么研究，這么晚還四處要資料。”曾耀祥看了眼手表，才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是晚上12點多了。“我是一個心里裝不下事情的人，遇到問題就著急趕緊解決。”近半年時間里，曾耀祥的一張張草稿紙上寫滿了密密麻麻、別人一看就會覺得枯燥無味的公式。

弄清60 多年前的設(shè)計思路、依據(jù)和原理

“要細化載荷設(shè)計規(guī)范，又要保證新的設(shè)計方法沒有問題，就得弄清楚60 多年前的設(shè)計思路、依據(jù)和原理。”曾耀祥想到了“載荷設(shè)計規(guī)范”的編寫者們。曾經(jīng)的編寫者如今都已經(jīng)八十多歲，得知曾耀祥的想法后，他們都很支持，但也提出了質(zhì)疑。

2018年2月的一天，曾耀祥拿著剛剛推導(dǎo)出來的概率參數(shù)，到一部載荷設(shè)計專家趙人濂家中，請他幫忙驗證設(shè)計方法是否可行。老人仔細看了“載荷設(shè)計規(guī)范”中給出的概率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與曾耀祥推導(dǎo)得出的參數(shù)不一樣。

“你的‘載荷設(shè)計方法’有問題。”老人對曾耀祥嚴肅地說道。

“我再給您演示一遍。”曾耀祥一邊在紙上寫下自己梳理的基礎(chǔ)理論，一邊解釋著推導(dǎo)過程中的每一步。

看著、聽著每一個推導(dǎo)步驟，老人最后認同了曾耀祥的設(shè)計方法。

施鈞昭是“載荷設(shè)計規(guī)范”的編寫者之一，也曾對曾耀祥的設(shè)計方法提出過質(zhì)疑。

“雙重積分方法”是20世紀60年代提出的“載荷設(shè)計方法”之一，當(dāng)時計算機的運算能力還不強大，對參數(shù)只是簡化處理，過于保守。當(dāng)聽到曾耀祥關(guān)于“雙重積分方法”的優(yōu)化意見后，施鈞昭說：“之前的方法很穩(wěn)妥，你用新的方法提出的參數(shù)準確嗎？”曾耀祥聽后，便趁著老人來單位開會的機會，將自己的推導(dǎo)模式驗證給她看。最后，老人認同了曾耀祥的設(shè)計方法。

2018年8月24日，曾耀祥優(yōu)化完成的“載荷設(shè)計方法”迎來“大考”，一部的10 余位相關(guān)專家組成的評審組，對曾耀祥的“載荷設(shè)計方法”進行專題評審。“新的‘載荷設(shè)計方法’理論依據(jù)充分，參數(shù)翔實準確，可以推廣應(yīng)用。”當(dāng)天的評審會上專家給出了這樣的結(jié)論。

“當(dāng)?shù)弥约旱摹鳂I(yè)’通過大考，為火箭載荷設(shè)計作出這么大貢獻，你心里是什么感覺？”記者問。

“其實沒什么，我只是把自己的工作做好、做細而已。”對一向不走尋常路的曾耀祥來說，從看似枯燥、繁重的工作中，感受到的卻是探索的快樂。

提出大膽想法獲得高度認可

2018年，因火箭彈性載荷精細化設(shè)計成果顯著，曾耀祥榮獲一部首屆領(lǐng)航功勛獎，然而，在創(chuàng)新的道路上，他并未停止腳步。2019 年以來，以型號研制和專業(yè)建設(shè)為中心，他先后在“反相位關(guān)機降低動載荷”“時變qa門限設(shè)計”等方面取得了新突破，充分體現(xiàn)了青年工程師銳意進取，追求卓越的品質(zhì)。

2017年長征七號運載火箭飛行數(shù)據(jù)分析時，面對看似正常的振動數(shù)據(jù)，曾耀祥敏銳地發(fā)現(xiàn)了兩次飛行關(guān)機振動響應(yīng)譜的差異，兩發(fā)狀態(tài)基本一致，為什么響應(yīng)差異較大？愛較真的他沒有輕易放過這個問題，而是通過全要素分析和海量仿真計算，最終定位為兩次助推關(guān)機相位差異。時間來到2019年，某新火箭研制過程中遇到了意料之外的難題——助推關(guān)機動載荷大導(dǎo)致級間分離系統(tǒng)及多個部段結(jié)構(gòu)強度不滿足要求，若更換分離火工品及加強結(jié)構(gòu)，不僅增加研制周期和經(jīng)費，且影響分離可靠性。基于2017年研究結(jié)果，曾耀祥向型號提出了一個大膽的想法，即通過控制助推反相位關(guān)機降低動載荷。要想實現(xiàn)反相位關(guān)機減載，助推兩兩關(guān)機時差必須控制在幾十毫秒，然而對于火箭這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)能保證嗎？剛開始他心里也打鼓，但還是選擇了迎難而上，在型號的支持下，他反復(fù)與控制系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)交流十余次，系統(tǒng)開展了全鏈路偏差統(tǒng)計分析和基于偏差模式下最小減載效果評估，最終形成了一套工程可用的反相位關(guān)機降低動載荷方法。該方法有效解決了新火箭研制重要難題，經(jīng)飛行驗證減載效果達86%。

火箭放行qa門限值是射前關(guān)鍵參數(shù)，制定時通常取設(shè)計qa最大值作為門限，幾十年來這一準則從未改變，也似乎是安全可靠的。但，真的是這樣嗎？在2020年長征五號B運載火箭首次飛行載荷復(fù)核中，曾耀祥提出了這樣的疑問。隨后，他自主開展了飛行和設(shè)計qa時變規(guī)律對比，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前qa放行值的制定準則存在不閉環(huán)的風(fēng)險，得到了領(lǐng)導(dǎo)的認可和大力支持。

通過細致分析不同時段載荷特征，他提出了火箭時變qa門限設(shè)計方法和實施流程，將原來單一qa門限變?yōu)闀r變門限，實現(xiàn)了風(fēng)險消除和放行概率雙提升的目標。在將新方法推廣應(yīng)用于各型號的過程中，需要依據(jù)每個型號每個部段的承載能力進行載荷的迭代優(yōu)化，加班到深夜是常有的事，但他不怕吃苦，不怕繁瑣，竭盡所能的為每個型號的qa門限值進行精細化設(shè)計，得到了各型號高度認可。

這就是曾耀祥，一個愛鉆研、愛創(chuàng)新的普通航天工程師。工作以來獲得省部級獎勵2項、院級技術(shù)一等獎9項、授權(quán)專利12項，發(fā)表論文20余篇，獲評院突出貢獻技術(shù)人員、一部領(lǐng)航功勛獎、最美工程師等，入選航天一院青年拔尖人才、感動人物。