國家科技傳播中心學術發展講堂是中國科協最新推出的一檔學術欄目，突出前沿性、思辨性和傳播性，面向科技工作者尤其是青年科技工作者，傳播學術領域的前沿發展動態。講堂將持續邀請戰略科學家、一流科技領軍人才和創新團隊，講述突破傳統的前沿探索、卓有成效的改進方法、顛覆認知的創新理論以及改寫行業規則的研究成果。今日為您推送第四期內容，一起看→

“航天科技的進步需要用舉國之力來推進。研制低成本、高可靠性、方便靈活的運載工具是航天事業發展的關鍵任務，而研制高安全、長壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學家永遠追求的目標”。清華大學航天航空學院教授莊茁在國家科技傳播中心學術發展講堂上發表如上觀點。

逐夢蒼穹，鑄就強國之夢

莊茁

探索浩瀚宇宙，發展航天事業，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢。“神舟”問天、“天和”遨游、“嫦娥”攬月、“北斗”指路、“祝融”探火、“羲和”逐日、“悟空”“慧眼”探索宇宙奧秘……一代代航天人前赴后繼，推動中國航天事業向前發展。太空探索永無止境，偉大復興的中國夢持則可圓。

中國航天的自主創新與多維轉型

航天航空技術的發展支撐著我國的國家安全和國際地位，是國家層面的戰略選擇。新中國航天事業的發展史是一部自力更生、自主創新的歷史。新中國成立初期，我國航天領域幾乎從零起步。錢學森等老一輩科學家心懷報國熱忱，克服重重困難，帶領中國航天人從仿制改型到自行設計、再到自主創新，成功完成“兩彈一星”等戰略任務。王永志等第二代航天科學家繼往開來，帶領新一代航天人自強不息、勇于探索，成功完成“載人航天”等戰略任務。

技術創新是航天強國建設的核心驅動力，中國航天堅持走自主可控的發展道路，聚焦關鍵核心技術攻關。近幾年取得了諸如重型運載火箭“長征九號”研制、中國空間站“天宮”環繞地球在軌運行及“虹云工程”和“鴻雁星座”低軌寬帶通信衛星星座計劃等一系列重大突破，使中國航天在國際航天領域中占據舉足輕重的地位。

當前，我國航天技術正在多維度向“新”轉型。

以運載火箭領域為例，已完成從液氫、液氧火箭燃料向無毒的全液氧甲烷迭代升級；在材料設計上，火箭和飛行器結構也在不斷減輕減薄；在經濟效益上，我國的商業航天產業正在探索可回收火箭技術；持續增強的國家經濟實力也為技術研發體系提供了堅實保障。

在技術應用維度，航天技術長期以來主要服務于國防安全與重大科研需求。隨著美國SpaceX公司引領全球商業航天產業模式變革，我國商業航天企業積極跟進，推動航天技術向民生領域深度滲透。依托全球最大的互聯網用戶基數，我國商業航天產業已構建獨特的ToC市場基礎，北斗衛星導航系統就是航天技術民用化的典型代表。隨著國家低空經濟戰略的推進，航天技術將在遙感監測、高精度定位等領域形成技術支撐體系，賦能城市規劃、智慧物流、應急救援、生態保護及農業等關鍵場景，向民生經濟多領域拓展。

隨著我國航天事業進入新階段，航天技術面臨更高要求。為穩步推進空間站應用與發展、完成載人月球探測等重要任務，持續提升國防安全與民生保障能力，航天裝備需不斷突破核心技術難點，筑牢航天強國的技術根基。

高安全、長壽命和輕量化：空天飛行器如何實現

航天科技的進步需要用舉國之力來推進。其中，研制低成本、高可靠性、方便靈活的運載工具是航天事業發展的關鍵任務，更為重要的是減輕上面級結構重量和提高有效載荷能力。因此，研制高安全、長壽命與輕量化的空天飛行器是航天科學家永遠追求的目標。

斷裂是工程結構最直接、最危險的破壞形式。空天飛行器高安全、長壽命與輕量化之間的強約束，使斷裂控制成為我國空間站實現長期運行、大型飛機實現長期服役的基礎與關鍵。斷裂控制也是實現結構快速分離的重要手段，如運載火箭級間分離、航天員安全逃逸等。

在航天器的設計中，板殼是飛行器最主要的結構形式，整體加工成型的變截面殼體結構承載能力強、疲勞性能好、結構重量輕，是我國新一代航空航天器的共同需求，也是國際上大型飛行器的共同需求。然而，板殼整體結構缺少局部止裂元素，加之大型變截面殼體特征尺寸差異大，受力工況復雜，其斷裂過程耦合了全部I/II/III型斷裂模式，一旦出現裂紋，呈現易失穩、難控制的特點，局部斷裂極易誘發全局性、災難性后果，這為人員和飛行器結構安全帶來了極大風險。

先前，板殼斷裂一直局限于基爾霍夫薄板與明德林中厚板兩套理論分段主導的狀態，不具備普適性，是國際斷裂力學領域長期攻而未克的難題。航天器需要板殼整體加工，如何讓斷裂可控，即在需要止裂時讓裂紋停止擴展，保證結構不發生斷裂事故；在需要斷裂發生時讓裂紋快速擴展，比如人員逃逸、穿蓋彈射等，這些都是對斷裂力學提出的挑戰。

在國家重大科技專項、國家自然科學基金支持下，歷經30余年攻關，面向空間站、大飛機國家重大戰略工程等領域，圍繞“斷裂控制”核心問題，我們團隊發明了基于連續體的殼體斷裂擴展有限元技術和變截面殼體結構裂紋預測防控、引導驅動系列技術，對結構裂紋實現能“阻”能“疏”、可“調”可“控”，創建了殼體斷裂統一計算理論和方法，提出了殼體裂紋兩側不連續位移場和裂尖奇異場擴充形函數，填補了殼體斷裂領域的計算理論空白，出版了中英文專著《擴展有限單元法》。

我們突破了傳統殼體有限元思路，建立了連續體與殼體關聯方程，在殼體節點求解運動學方程，在連續體節點求解動力學方程，解除了殼體斷裂計算與厚度的相關性；構建了連續體殼相互作用積分，建立了基于能量釋放率的連續體殼斷裂準則，實現了變厚度殼體結構三維裂紋沿復雜路徑自然、自主擴展的統一計算，解決了傳統殼體有限元受薄殼、厚殼的理論限制，以及需要預先指定裂紋路徑的問題。這些成果屬國際原創。

美國、西班牙、英國學者評價“在殼體中構建了擴充形函數，描述了位移場的非連續性，莊茁團隊的裂紋擴展計算程序是國際上公認的兩個比較完善的大型計算程序之一。”

具體到方法和思路，我們建立的是基于連續體的殼方程，從運動學和動力學關聯兩方面解決了變形協調和力的平衡問題，同時還建立了能量釋放率的準則，解決了裂紋擴展或止裂的判據問題，應用于工程分析。

這項研究工作主要是針對我國空間站密封艙的設計問題。十幾年前，我們著手推進相關工程的設計，發明了變截面殼體結構裂紋擴展預測與止裂控制技術，建立了變截面殼體結構參數與斷裂控制自適應優化設計方法，厘清了壁板厚度、加筋拓撲、布局位置對結構疲勞斷裂壽命的影響規律，突破了整體結構斷裂易失穩、難控制的技術瓶頸。

在安全性方面，天和核心艙是技術成功實踐的代表。天和核心艙是中國空間站發射入軌的首個艙段，具備長期自主飛行能力，可支持航天員長期駐留，開展多種科學和技術試驗，起飛質量22.5噸，是中國自主研制的規模最大、系統最復雜的航天器。天和核心艙由我們團隊進行力學分析和結構設計（長11.6m，直徑4.2m），并以壽命期裂紋不穿透殼體壁板為準則，即如果出現初始裂紋，不會形成穿透裂紋，克服了安全性這一大難關。這是變截面殼體整體結構在我國載人航天器上的首次應用，同時也將我國載人航天器結構設計由強度準則革新為基于斷裂控制的疲勞損傷容限準則。

在實現飛行器的長壽命方面，力學技術也有重要應用價值。以天和核心艙為例，艙體外部太空環境是零氣壓，內部壓力是91kPa±10kPa，是航天員生存的基本環境條件。在此工況下，由內外壓差導致的應力作用在艙體結構上。同時，空間站繞行地球需要每日經歷16次日照與陰影區的交替，從面向太陽到背對太陽的周期是1.5小時。在受太陽輻照時，艙體表面溫度達100℃，而背對太陽時，表面溫度達-100℃。這200℃的溫差導致了交變溫度應力，產生了空間站的疲勞壽命問題。在航天器疲勞壽命驗證上，要確保航天器的使用壽命達到15年，倘若按照常規方法進行實驗驗證，就需要持續進行15年的實驗。這種方式不僅耗時過長，還會嚴重影響航天器的發射計劃。因此，我們采取了一種替代方案：通過在地面模擬太空環境，利用注入氣壓和釋放氣壓的方式模擬太空溫度變化所產生的交變應力，從而縮短疲勞載荷的時間間隔，以此加速實驗進程，保證了2021年的正常發射。

在輕量化方面，航天領域的飛行器設計以往是基于強度準則，導致航天器尺寸偏大、偏重。我們基于斷裂控制的疲勞損傷容限新準則，制造出一系列變截面殼體，例如將加強筋最小間隔由62.8毫米擴大至162毫米，壁板由3.5毫米等厚度優化為2毫米至3.5毫米變厚度，減薄了部分應力不大且不集中的位置。通過擴大加強筋間距，采用變厚度壁板，與蒙皮點焊結構相比，實現了天和核心艙在同等尺寸、同等強度下單艙減重超150公斤，減重率達8.57%，結構重量占比22%，即78%是有效載荷，而國際空間站的結構重量占比30%。顯然，結構重量多，就會造成有效載荷小，這是我國空間站優于國際空間站的設計，達到了國際領先水平，核心技術是采用了變厚度整體殼體結構。這些技術不僅應用在空間站上，也應用在我國自主研制的運-20戰略運輸機的機翼上，使機翼的整體壁板結構減重1000公斤。

這些技術還具備廣泛的拓展潛力。例如，在西氣東輸高壓管道安全評估、涪陵頁巖氣水力壓裂開采等領域。未來，隨著技術的進一步發展，還將在載人登月和深海探測等前沿領域得到應用。這些場景都涉及力學理論和結構設計，應用于航天、航空、航海等工程。

對新時代航天航空領域人才培養的思考

航天事業取得的跨越式發展成就，既是踐行國家科技強國戰略的里程碑成果，更是幾代航天科技人才接續奮斗的智慧結晶。當前，世界百年未有之大變局加速演進，國家之間的競爭實質上是科技的競爭、人才的競爭。面對技術迭代加速的時代特征，必須著力構建與科技發展需求相適配的人才核心能力體系。

人類歷史上的前三次工業革命分別以蒸汽、電力、信息等單一技術為特征，第四次工業革命則體現了人工智能、大數據、生物技術、納米技術等群體技術涌現和融合的特點。我國2035年遠景目標綱要明確提出要大力發展數字經濟，推進數字產業化和產業數字化，凸顯了數字算力的重要性，這也為航空、宇航、力學等學科帶來了重大的機遇與挑戰。

航天航空事業需要大量優秀人才，而大學的辦學宗旨就是教育培養人才，這是學校一切工作的出發點和落腳點。

以清華大學為例，清華航空學科不僅為國家培養了大批優秀人才，還為國家需要的崗位培養人才，設立了很多特殊班級，比如錢學森力學班、航天員工程碩士班、空軍-清華聯合培養飛行員班等。其中，2009年至今，錢學森力學班已培養了15屆450余名本科生；2005年11月，在神舟六號返回后，中國首批航天員中的13人成為了“航天員工程碩士班”學員，并于2020年1月全部完成了工程碩士學位的學習；2011年9月，“空軍-清華聯合培養飛行員班”成立，首批32名飛行學員成為了空軍航空大學和清華大學聯合培養的本科生，至今已經培養了400余名飛行員本科生。

學生選擇到祖國需要的崗位建功立業，祖國也選擇了他們。

當今時代，大學的使命已從教育、科研拓展到引領國家和區域的創新體系，尤其在工科教育上突破了專業概念，形成學科交融、問題導向、產教融合、創新驅動的新范式，這對人才的能力和素質培養提出了新要求。工科研究生教育正面臨三大轉型，一是從學科導向轉向產業需求導向；二是從專業分割轉向跨界融合；三是從適應社會需求轉向主動引領發展。

傳統的人才培養模式強調對單一學科的學習，存在科研與工程應用脫節的情況，而航空航天事業的發展需要構建多學科交叉的人才體系。舉例而言，導航控制系統作為關鍵技術，既需要導航制導與控制專業的人才，也需要計算機科學技術領域的支撐；軌道優化設計與再入返回技術研發則需要航天動力學、固體力學、材料科學與控制領域的專業人才。

面向未來發展，人才培養應聚焦兩大方向：一是學科必須要有交叉，要培養跨界的復合型人才；二是要重視人工智能技術，要培養學生運用智能方法進行理論和數據建模的能力。同時，要重視訓練提升學生創意、創新、創業的能力，全球勝任力，工程實踐能力以及職業道德與社會責任感。

優秀的教育工作者作為人才培養的核心責任人，肩負著為國家培養高層次創新人才的重要使命，要始終遵循學術擔當，創新求實、頂天立地，追求卓越的行為規范，努力將教育、科技和人才培養緊密結合，鑄就強國之夢。