中国青年网|大学生当“总师”造火箭

_本文原题：大学生当“总师”造火箭
中青报·中青网采访人员孙庆玲

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5月27日，北京航空航天大学师生在进行“北航4号”发射前的检测。北京航空航天大学供图

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【中国青年网|大学生当“总师”造火箭】5月27日， “北航4号”临近空间火箭动力飞行器发射。北京航空航天大学供图
按下“点火”按钮那一瞬间，北京航空航天大学博士生高科屏住呼吸，发射掩体里安静得仿佛只听得到自己“怦怦”的心跳声。约1秒钟后， 300余米外传来了助推级固体火箭发动机发出的隆隆轰鸣，地面的“震颤”由脚底传导至心脏，此刻的高科只觉“震撼”“热血奔涌” ，他知道， “北航4号”临近空间火箭动力飞行器已起航。
5月27日11时01分，一身橘红色涂装的“北航4号”在中国西北某地冲天而起，眨眼工夫便扎进了云层。这个全长8.7米、重约1300公斤的家伙，按计划在飞行400多秒钟后降落预定位置——听到这个消息，高科顿觉松了口气，之前的紧张更多变为了激动、兴奋。
为了这400秒钟， “北航4号”这一学生大型综合项目已筹备多年，先后有21位博士生、49位硕士生以及16位本科生参与设计、研制和飞行试验等，可以说是由学生当“主角”、做“总师”来造“火箭” 。对于学生来说，这是怎样的一种体验？
用高科的话来说，很煎熬，也很奇妙。
“北航4号”飞行器
2014年刚加入这一项目组时，高科还是探测制导与控制技术专业大四在读本科生。在确定毕业后将在本校读研究生时，他在班主任、未来的研究生导师宋佳的推荐下加入了项目组，并从师兄手中接手了飞控和测发控相关任务，毕竟“来北航的，谁还没个航空航天梦” 。
一年后，刘德元在通过北航的研究生考试后也参与了进来， “那时刚结束传统的课堂学习模式，一听老师说这是个造火箭的大型工程实践项目，我就很想参加，以前从电视上看火箭升空，就很向往” 。
“从科研角度来讲， ‘北航4号’是用来验证一些新技术的实际飞行性能的。 ”作为“北航4号”项目组指导老师，宋佳告诉采访人员， “与此同时， ‘北航4号’这一学生大型综合项目是在‘北航1号’固体动力探空火箭、‘北航2号’和‘北航3号’固液动力探空火箭项目的基础上发展而来，也是践行教学科研相结合、进一步深化和加强以综合项目为载体的人才培养模式的一次新的尝试。 ”
但那时初来乍到，刘德元还真没想到， “我们学生自己搞的火箭真能成功发射？！”
当在戈壁走了200多公里搜到“北航4号”顺利降落后留下的残骸时，刘德元和其他老师同学们“像找到失散多年的孩子一样”飞奔了过去。运送残骸回去的路上，一轮明月正从天地相交处慢慢爬升，月光洒在茫茫戈壁，刘德元感觉， “月亮都在为我们的成功点赞，相信未来的路会越来越好” 。
他们这次成功了。据了解， “北航4号”由固体动力助推器和固液动力巡航主级组成。其中，固体助推火箭发动机推力约150千牛，工作时间8.2秒；固液巡航火箭发动机最大推力约3千牛，推力调节能力3∶1 ，工作时间大于200秒。飞控采用GPS/北斗双模卫星导航+光纤惯组的组合导航模式，实现了有控巡航飞行，且此次飞行完成了有动力临近空间飞行的演示验证，平飞高度24公里，平飞速度3马赫，飞行距离近200公里。
“‘北航4号’固液混合火箭发动机超200秒的工作时长，是固体火箭发动机很难达到的，并且由于仅有一路氧化剂供给系统，结构简单，相比于液体火箭发动机更易进行推力调节和控制，这能使飞行器适应一些特殊的工作条件，比如长时间的定速巡航飞行。 ”高科说，发动机一如飞行器的心脏，若它的工作时间短，可以进行定高飞行，但速度的变化会比较大，能够实现长时间变推力工作的固液混合火箭发动机助力了“北航4号”的巡航飞行。此外， “北航4号”固液火箭发动机采用98%H2O2/丁羟基推进剂组合，无毒无污染，环保性好，贮存和运输十分安全方便。分页标题
总体而言，此次“北航4号”成功验证了长时间变推力固液火箭发动机技术和大空域、宽速域火箭动力飞行器总体设计、导航制导与飞行控制技术，可应用于临近空间大气参数测量、对地观测和空中数据快速传输，未来可发展成为低成本/快速响应小型运载火箭等新型火箭动力飞行器。
归零后重启
为完成这个目标， 86位学生如接力跑般跑了多年，其中有人已毕业离校，有的从本科熬成了博士，有的从“小男孩”变成了“孩儿他爸” 。
“北航4号”从无到有，再到成功发射，宋佳告诉采访人员，这是个“从粗到细，一步一步接近的过程” ，包括任务提出、技术要求分析、初步方案的总体设计，在初步方案设计通过评审后要进行详细方案设计，包含总体结构等各个分系统的设计，比如说动力分系统、地面测控分系统等。此外，各系统还会有硬件、软件方案设计，之后要进行阶段性的试验验证，最后是总体性的试验验证， “型号研制需要的试验我们都需要进行，差一个都不行” 。
刘德元刚入组时， “北航4号”项目已基本上进入了试验验证阶段。他一直担任电气分系统学生负责人，相关试验有时在北京，有时也需要他和同学在西北某地待上一两个月，春夏时皮肤总被晒得黢黑，到了冬天又冷得不行。但最令人煎熬的不是环境条件，而是各种突发的、不知原因的故障或问题， “也许理论上是行得通的，但实践中并不能” 。
2015年秋天，刘德元和项目组成员在发动机试车台进行发动机热试，做加负载测试时，突然发现测不到电流信号，导致试验不能继续。本以为是电气线缆出了问题，老师们决定先把这套线缆拿回学校实验室检查。直到夜里12点多，他和指导老师测试完了所有线缆，仍没找到具体原因，便决定先回去休息。
但在回家路上，刘德元想着“如果问题不解决，明天的热试车肯定还做不了，既然是自己负责的部分出了问题，那就要找出原因，绝不能拖了团队的后腿” ，于是他又溜回了实验室。打开电脑里所有有关电气资料，他对照着测试数据一点点排查，到凌晨4点多找到了原因。之前的焦虑、压力仿佛一扫而光，刘德元趴在实验室桌上睡了不到两小时，之后又和大家回到发动机试车台完成了试验。
一路通关升级，问题总不断冒出，直到发射的前一周依然有故障出现。有的问题可以短时间搞定，有的问题高科花了两三个月的时间，测试了数千条数据也寻不到症结所在，更要命的是， “你也不知道究竟什么时候能找到原因” 。
“特别费脑。 ”高科有时做梦都梦到自己在复盘或熟悉操作，常常失眠。但在他看来，科研就是个不断“归零”的过程，即遇到问题、寻找原因、解决问题，归零后重启。而这也是科研的意义和乐趣所在，在各种不确定性中摸索前行。
“每一次故障都会暴露出产品设计和生产中的缺陷，每一次故障排除的过程也都是一次学习的机会。 ”刘德元说，在这过程中，那种从不知所措，到身心疲惫，再到解决问题后的喜悦心情，也是难以言表。
点燃航天梦
在宋佳看来，这些项目组学生也锻炼出了“宠辱不惊”的心态。 “即便是对一个研究所的专业团队而言， ‘北航4号’也是个压力很大、很复杂的研制任务，更何况是对学生？”但她没看到过学生唉声叹气或不耐烦， “反而经常安慰我说‘老师没事，工作不多，今天肯定很快就结束’‘一会儿就结束了’ ，但事实上几乎每天都要到凌晨一两点钟才收工” 。
在任务特别紧张时，学生们自己排班，安排细致到“前半夜谁干活，后半夜谁接班”“谁计算，谁校核” 。在他们身上，宋佳看到了无所畏惧、冲锋在前的精气神儿，肆意生长的青春力量，也看到了国家未来航天事业发展的希望。分页标题
“一个时代有一个时代的主题，一代人有一代人的使命。 ”在戈壁待久了，刘德元越能感受到，老一辈航天人在“天上无飞鸟，地上不长草，遍地无人烟，风吹石头跑”的条件下，为我国航天事业开拓出一片新天地的艰辛与崇高。而今，他所在的西北某处的试验场所，条件早已提升不少。天高地阔，云朵仿佛就骑在墙头，触手可及。站在前辈们积累的成果上，他们离新时代航天梦也更近，在他看来， “新时代航天人更应为航天梦努力，这就是我们这代人的历史使命” 。
一年前，固液混合火箭发动机对北航宇航学院飞行器动力工程（航天）专业大四学生李心瞳来说，还是一个特别新鲜的名词。但在参与“北航4号”的研制过程中，原先课本上由条条框框构成的试验系统原理图变成了一条条管路、一根根测控测量线、一颗颗小螺钉，密封圈也从工图中打满剖面线的示意图跃然眼前，成了发动机的“保命神器” 。
在她看来，这段经历是本科阶段理论学习知识的生动实践，是对系统思维、工程实践、交叉融合能力的锻炼，更是一场生动的爱国教育、信念教育和情怀教育， “在无形中点燃了心中那小小的航天梦”
如今，李心瞳已将“北航4号”研究内容嵌入到本科毕业设计中，优化研究了原有的输送系统，并采用电动泵的发动机总体方案设计。她希望能为后续的北航系列火箭设计提供一些思路和资料。
据了解， “北航5号”飞行器学生综合项目已开始策划和推进。