探索無止境 創(chuàng)新攀高峰

特約記者 李 純 /文

在剛剛過去的5 月，國家國防科工局先后在成都和西安，組織召開2023 年先進(jìn)技術(shù)成果交易會和國防科技工業(yè)科技創(chuàng)新大會。兩個(gè)會議旨在深入貫徹落實(shí)黨的二十大精神和習(xí)近平總書記關(guān)于科技創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化的重要指示批示，總結(jié)成績和經(jīng)驗(yàn)，激勵(lì)全行業(yè)勇攀高峰、追求卓越，推進(jìn)國防科技工業(yè)創(chuàng)新體系建設(shè)，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。同時(shí)，推動先進(jìn)技術(shù)成果雙向轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)社會高質(zhì)量發(fā)展，促進(jìn)國防科技工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量協(xié)調(diào)發(fā)展，為地區(qū)產(chǎn)業(yè)升級貢獻(xiàn)新的增長點(diǎn)。

在國防科工局的組織下，多家媒體一起走進(jìn)國防科技工業(yè)一線創(chuàng)新單位，圍繞促進(jìn)科技創(chuàng)新平臺建設(shè)、人才培養(yǎng)、基礎(chǔ)研究、協(xié)同機(jī)制的實(shí)踐開展采訪，報(bào)道推動高水平科技自立自強(qiáng)的主要政策思路和取得成果，展示國防科技工業(yè)積極貫徹落實(shí)黨的二十大精神、在科技創(chuàng)新方面取得的豐碩成果，為加快推進(jìn)先進(jìn)國防科技工業(yè)體系建設(shè)營造良好氛圍。

以科技創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)量變與質(zhì)變

近期于中國內(nèi)地上映的電影《長空之王》讓公眾目光再次聚焦飛行試驗(yàn)。近年來，中國的科研試飛水平上升到新的階段，航空試飛實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，背后是科技創(chuàng)新帶來的驅(qū)動力。

中國飛行試驗(yàn)研究院創(chuàng)建于1959 年，是中國唯一經(jīng)過國家授權(quán)的國家級飛行試驗(yàn)技術(shù)研究機(jī)構(gòu)，主要承擔(dān)軍用飛機(jī)、直升機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、機(jī)載設(shè)備等航空產(chǎn)品的鑒定試飛及民機(jī)適航審定試飛等工作。百余型飛機(jī)、數(shù)十型發(fā)動機(jī)、3000 多項(xiàng)機(jī)載設(shè)備先后從這里走出“考場”，飛上藍(lán)天。

提質(zhì)增效是試飛院近年來發(fā)展的亮點(diǎn)之一，一個(gè)直觀的變化在于試飛任務(wù)量的快速增長。

就在5 月28 日，C919 國產(chǎn)大飛機(jī)完成了首次商業(yè)航班飛行。去年試飛期間，4 架C919 飛機(jī)來到試飛院“趕考”，短時(shí)間內(nèi)就完成了多項(xiàng)關(guān)鍵試飛科目。

試飛院科研管理部副部長方自力介紹說：“近些年，試飛任務(wù)的體量與規(guī)模有了巨大的增長，對我們的要求也越來越嚴(yán)格。”

試飛工作如何實(shí)現(xiàn)“量變”提出的更高要求？科技創(chuàng)新成了試飛院有效應(yīng)變的“不二法門”。

“我們一直在探索5G 技術(shù)在試飛工作中的轉(zhuǎn)化。”試飛院測試所課題主管郭世偉表示，目前，科研人員已經(jīng)運(yùn)用5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了試飛數(shù)據(jù)在線下載，飛機(jī)在云端時(shí)便可將數(shù)據(jù)高速傳輸至“云端”，改變了以往飛機(jī)落地后再上機(jī)“拷數(shù)據(jù)”的方式。

與此同時(shí)，試飛工程師還將部分算法上傳，大大節(jié)省了后期飛行數(shù)據(jù)的處理時(shí)間。

試飛是航空工業(yè)體系的最后一道關(guān)口，運(yùn)行周期長，經(jīng)歷環(huán)節(jié)多，面臨風(fēng)險(xiǎn)大。在工作量大幅上漲的情況下，如何同時(shí)把控住試飛工作的“效率關(guān)”和“質(zhì)量關(guān)”更顯重要，突破口同樣在于科技創(chuàng)新。

在機(jī)庫中，記者看到航空維修技師正在使用無紙化的MRO 管理系統(tǒng)。只需一塊巴掌大小的屏幕，機(jī)務(wù)人員就可以對本崗位的全工作流程進(jìn)行跟蹤管理，查閱相關(guān)工作記錄。“不需要拿著很多紙質(zhì)工卡到現(xiàn)場去工作，很便捷。在工作過程中，包括圖片、文字，都能實(shí)時(shí)看到。”

“MRO 管理系統(tǒng)是試飛機(jī)務(wù)保障模式創(chuàng)新的一部分，”在試飛院機(jī)務(wù)部工作的黃準(zhǔn)說，“經(jīng)過幾年保障模式創(chuàng)新實(shí)踐，保障效率總體提升25%以上，對于新質(zhì)維修技術(shù)應(yīng)用，我們也已經(jīng)走出了一條屬于新時(shí)代的變革之路。”

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，試飛院見證了中國飛行試驗(yàn)在機(jī)型領(lǐng)域的多項(xiàng)突破，包括完成向艦載試飛的跨越，開拓?zé)o人機(jī)試飛領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)民用飛機(jī)全面、完整、系統(tǒng)的試飛等。一大批新型飛機(jī)、發(fā)動機(jī)等航空裝備完成試飛，獲得飛上藍(lán)天的“許可證”。

面對國家發(fā)展的客觀需要，中國開啟數(shù)字化、智慧化試飛模式，與世界先進(jìn)水平接軌。從“望塵莫及”到“望其項(xiàng)背”，再到“并駕齊驅(qū)”乃至“局部領(lǐng)先”，科技創(chuàng)新已成為中國飛行試驗(yàn)發(fā)展的驅(qū)動力，將為更多中國自主研制的航空裝備鋪就通天路。

8 年研制9 型火箭發(fā)動機(jī)的底氣何在

火箭動力技術(shù)的跨越發(fā)展帶來了航天科技的重大進(jìn)步。航天液體動力是運(yùn)載火箭等各類航天器的基礎(chǔ)與保障，更是航天技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的重要支撐。

作為中國專業(yè)從事液體火箭發(fā)動機(jī)及空間推進(jìn)系統(tǒng)研制的大型專業(yè)研究院，中國航天科技集團(tuán)第六研究院（以下簡稱航天六院），近年來著力建設(shè)“數(shù)字六院”，集智創(chuàng)新攻關(guān)，液體動力創(chuàng)新能力和科技自立自強(qiáng)能力得到提升，為推動中國重大航天工程和戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目的順利實(shí)施提供了動力保障。

航天六院院長王萬軍指出，為適應(yīng)中國建設(shè)航天強(qiáng)國的需求，自2021 年起，航天六院將利用8 年時(shí)間研制9 型泵壓式液體火箭發(fā)動機(jī)，支撐載人登月、深空探測、天地往返重復(fù)使用運(yùn)輸系統(tǒng)等重大航天任務(wù)實(shí)施。

發(fā)動機(jī)是火箭的“心臟”。曾經(jīng)，一款火箭主動力發(fā)動機(jī)的研制定型需要至少10 年時(shí)間，在當(dāng)前中國使用的液體火箭發(fā)動機(jī)中，更不乏研制周期超過20 年的產(chǎn)品。僅用8 年研制9 型發(fā)動機(jī)，提出這份“八年九機(jī)”計(jì)劃的底氣何在？

底氣來源于火箭發(fā)動機(jī)研發(fā)模式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。經(jīng)過幾十年的積累，火箭發(fā)動機(jī)的研發(fā)模型已經(jīng)到了成熟應(yīng)用的階段，科研人員能夠以數(shù)字方法替代實(shí)物實(shí)驗(yàn)，以仿真的手段在虛擬世界多輪迭代優(yōu)化，最終實(shí)現(xiàn)從“試出來”到數(shù)字化全流程研制的轉(zhuǎn)變。

現(xiàn)在我們有底氣說，可以用8年的時(shí)間完成9 型發(fā)動機(jī)的研制，就是因?yàn)槲覀儼堰^去人積累的經(jīng)驗(yàn)，變成了機(jī)器的代碼和可以執(zhí)行的動作，在數(shù)字世界里不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升性能水平。然后在物理世界中用少數(shù)產(chǎn)品和較短的試驗(yàn)周期，來完成過去20 年時(shí)間完成的事情。

航天六院研發(fā)部創(chuàng)新發(fā)展中心主任介紹說，這種研發(fā)模式的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，就是航天六院在不斷推進(jìn)“數(shù)字世界多輪迭代，物理世界一次成功”的實(shí)踐。中國航天未來可期，最大的“可期點(diǎn)”就是航天液體動力的數(shù)字轉(zhuǎn)型、不斷創(chuàng)新。

從1965 年組建到1993 年遷至西安，航天六院在山溝里的28 年，開啟了中國航天液體動力的創(chuàng)業(yè)之路。自1993 年到2021 年的又一個(gè)28 年，航天六院完成了以新一代運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)為代表的一系列液體動力產(chǎn)品研制，中國的航天動力迎來創(chuàng)新發(fā)展的重要機(jī)遇期。

下一個(gè)28 年，即2021 年至2049 年，中國航天動力的發(fā)展構(gòu)想將會是什么樣？“通過加速推動航天液體動力可重復(fù)使用為代表的技術(shù)突破，助力未來航天發(fā)射從一種昂貴的往返太空的方式，變成一種航班化、低成本的進(jìn)出空間的方式。

液體動力的每一次技術(shù)突破，不僅會給航天事業(yè)的發(fā)展帶來巨大變化，也會促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。一方面，航天動力領(lǐng)域的創(chuàng)新十分注重持續(xù)改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“小投入能見長效”。例如，30 日當(dāng)天發(fā)射的長征二號F 遙十六運(yùn)載火箭，所使用發(fā)動機(jī)的研制工作就始于航天六院的“第一個(gè)28 年”，“到現(xiàn)在仍在不斷改進(jìn)和優(yōu)化”。

另一方面，實(shí)現(xiàn)航天動力技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化，可以帶動國民經(jīng)濟(jì)諸多領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。例如，航天六院在研制新一代運(yùn)載火箭主動力——液氧煤油發(fā)動機(jī)的過程中，在攻克了80 余項(xiàng)關(guān)鍵與核心技術(shù)的同時(shí)，也帶動了50 余個(gè)新材料的研發(fā)創(chuàng)新。

對液體火箭發(fā)動機(jī)可重復(fù)使用的研究，可用更低成本、更大能力進(jìn)入空間；探索組合動力模式，為實(shí)現(xiàn)航班化的天地往返運(yùn)輸?shù)於▓?jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。“動力技術(shù)有了跨代發(fā)展，航天事業(yè)就會實(shí)現(xiàn)更大跨越。”

科技創(chuàng)新 如何源于自然而高于自然

從秦嶺竹葉到飛機(jī)除冰，從沙壟結(jié)構(gòu)到減少風(fēng)阻，從遨游深藍(lán)到振翅蒼穹，面對科研道路上的一個(gè)個(gè)難題，西北工業(yè)大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)從自然中尋找科技創(chuàng)新的靈感，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大突破。

在電影《鋼鐵俠》中，馬克2型戰(zhàn)衣的首次試飛因?yàn)榻Y(jié)冰問題險(xiǎn)些“翻車”。對于飛機(jī)而言，一旦機(jī)身表面積冰，輕則影響氣動外形、電子傳感等，重則可能造成事故甚至墜毀。飛機(jī)防除冰的重要性不言而喻。

如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)表面更不易結(jié)冰？西工大師生攀登秦嶺時(shí)，在白雪皚皚中看到了綠色的箭竹。研究發(fā)現(xiàn)，竹葉獨(dú)特的表面結(jié)構(gòu)正是其不易結(jié)冰的原因。從微觀層面復(fù)刻葉片表面，科研團(tuán)隊(duì)采用仿生微納技術(shù)，研制出具有防除冰效果的“疏冰蒙皮”。

經(jīng)過冰風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和高寒地區(qū)飛行實(shí)驗(yàn)，“疏冰蒙皮”的防除冰效果及強(qiáng)度、可靠性均得到驗(yàn)證。中國空氣動力研究與發(fā)展中心冰風(fēng)洞測試報(bào)告認(rèn)為，這項(xiàng)研究“與目前公開報(bào)道的國際上同類研究相比，超過國際先進(jìn)水平”。

飛機(jī)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了人類“像鳥兒一樣飛翔”的夙愿。隨著仿生飛行技術(shù)的發(fā)展，未來的飛行方式或?qū)⒏印跋聒B兒一樣”。

仿生撲翼飛行器是模仿鳥類等生物撲動翅膀的飛行方式。在微小型飛行器尺度上，這樣的飛行方式具備實(shí)現(xiàn)更高效飛行的潛力，且具有較強(qiáng)的機(jī)動性。不僅如此，仿生撲翼飛行器的起降不受場地限制，更為便攜、隱蔽，未來可以實(shí)現(xiàn)快速起飛、長距巡航等功能。

過去20 多年來，西工大教授研究團(tuán)隊(duì)深耕仿生飛行技術(shù)領(lǐng)域，自主研制的“云鸮”仿生撲翼飛行器已通過國家專業(yè)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的現(xiàn)場檢測，單次連續(xù)飛行時(shí)間達(dá)到154 分鐘，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。團(tuán)隊(duì)研制的仿生撲翼飛行器在全國20 余個(gè)地區(qū)完成3000 余架次的任務(wù)飛行，可以在零下10 攝氏度至40 攝氏度、4 級風(fēng)及小雨雪環(huán)境下使用。

從學(xué)校泳池到大洋深處，一條“魔鬼魚”在波浪中扇動翼狀的魚鰭，一系列動作自然流暢，乍看之下與海中生物別無二致。這是西工大航海學(xué)院自主研發(fā)的仿蝠鲼柔體潛水器，目前已完成1025 米大深度滑翔與撲翼一體推進(jìn)海試。

蝠鲼又稱“魔鬼魚”，是一種生活在熱帶和亞熱帶海域的軟骨魚類，具有流線型的扁平軀體。這種形態(tài)有利于游動推進(jìn)、下潛滑行，在運(yùn)動流場中能夠有效借助流體能量實(shí)現(xiàn)更高效率的滑行運(yùn)動。

“它和蝠鲼的滑翔、拍動相似程度已經(jīng)接近90%。”據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人介紹，這款仿生水下航行器可以在海洋牧場中與魚群混游，監(jiān)視海洋牧場魚群健康狀態(tài)，還能進(jìn)一步增加聲學(xué)、磁學(xué)傳感等載荷，對未來海洋環(huán)境的保護(hù)與開發(fā)具有應(yīng)用價(jià)值。

減阻是航空航天領(lǐng)域長期關(guān)注的重點(diǎn)。通過模仿中國庫姆塔格沙漠特有的沙壟結(jié)構(gòu)，西工大創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出仿沙壟舌形多層分形減阻微納結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)顯示，該結(jié)構(gòu)減阻率較此前國際報(bào)道的最好水平提高了52%，突破了半個(gè)世紀(jì)以來相關(guān)減阻技術(shù)的性能極限。

談及為何選擇沙漠作為仿生研究對象，該團(tuán)隊(duì)教授何洋表示，自然界遵循最小阻力原則，物質(zhì)會沿著最小阻力路徑運(yùn)動。這說明風(fēng)在通過這些地貌結(jié)構(gòu)形成的路徑時(shí)，能量損失最小，也意味著這種沙壟結(jié)構(gòu)表面對風(fēng)的阻力最小。

庫姆塔格沙漠特殊的風(fēng)向條件和沙壟結(jié)構(gòu)為團(tuán)隊(duì)帶來了研究靈感。格物致知、師法自然，這或許就是大自然給出的降低風(fēng)阻的“最優(yōu)解”。