遨游太空的三条“路径”——记北京理工大学宇航学院“双一流”学科建设

文/本刊记者 方丹敏 校园记者 方林煜

宇航学院的大楼未来感十足，一楼走廊上挂着我国探索太空的标志性事件，其中有一幅是2010年10月，我国成功发射“嫦娥2号”绕月探测器，两年后的2012年12月，“嫦娥2号”在距离地球700万公里处与图塔蒂斯（TOUTATIS）小行星擦身而过，拍摄下高分辨率光学图像，首次实现了我国对小行星的飞越探测。

“图塔蒂斯”与深空轨道设计

图塔蒂斯是人类已知体量较大、对地球构成极大威胁的近地小行星，这个在外太空看上去形似花生的小行星，与地球的距离一直很“玄乎”。从1992年开始，图塔蒂斯每隔四年就悄然接近地球一下。嫦娥2号这次贴身800米史上最近探测获得的数据，对探求小行星内部结构与形成演化、撞击地球概率、太阳系形成起源、地球生命是否为陨石“播种”等科学问题有重要参考价值。

“嫦娥2号对图塔蒂斯探测扩展任务，就是我们团队做的深空轨道设计和复核工作，因为这个工作我们还获得了国家科技进步二等奖。”宇航学院深空探测技术研究所的徐瑞教授介绍。

1. 宇航学院深空探测技术研究所团队合影

2. 宇航学院深空探测技术研究所所助力“嫦娥2号”近距探测Toutatis小行星

3. 深空探测分布式仿真与综合演示验证系统

徐瑞教授身兼飞行器总体设计和航天器系统与自主控制两个方向的博士生导师，“图塔蒂斯小行星探测的扩展任务是升空之后才做的，嫦娥2号围绕月球对整个月球拍照的任务都完成了，它的寿命还有，虽然能量、推进剂等剩得不多了，但是大家想，能不能再往远处走一走？但它怎么飞？什么时候出去？什么时候到达那个地方？这里面有很多难点，比如说本来没有计划去，要按剩的能量设计一个低能量的轨道，还是挺费劲的。当时崔平远教授、乔栋教授、尚海滨副教授等老师带着学生一起设计，做了很多工作，设计了一条最优的低能量飞行轨道，得到了各方面的认可。”

像这样到地球引力场范围外更远的星体进行探测，叫深空探测，我国正在进行的一项深空探测是计划2020 年实施的火星探测任务。深空探测是航天技术发展的新领域，北理工宇航学院对此从建院开始已经做了十来年研究，在国际上，深空相关技术很多都亟待研究和突破。

宇航学院深空探测技术研究所目前有三个主要研究方向：深空轨道设计、自主导航和自主技术。

轨道设计。21世纪迎来了第二次深空探测热潮，轨道设计有很多技术创新，“怎么计算，怎么设计，怎么省能量，都是研究方向”。关于轨道问题，深空探测有很多方案，现在的研究工作侧重于太阳系内天体的探测轨道，探测器在太阳系里飞的时候受不同星体的吸引，设计轨道时要综合考虑，特别是在某些地方达到平衡受力，这时候改变轨道的能量低，这里面有很多轨道设计的理论和方法。

自主导航。深空探测器飞出去之后，靠什么确定位置和飞行姿态？GPS或北斗？抱歉它们只能用于卫星和地面导航。深空探测器飞的时候怎么样，到的时候怎么处理，比如火星着陆的时候，怎么知道你着陆的是预设的哪个点，这就需要自主导航技术。深空探测自主导航技术国内比较早开展研究的正是宇航学院的学科带头人崔平远教授，崔教授作为国家“深空973”项目首席科学家，联合航天科研院所、高校、中科院等单位对行星精确着陆自主导航与控制技术进行了深入的研究。

自主技术。飞向火星的深空探测器发回地球一个信号要耗时20多分钟，这个通讯大时延使得靠地面遥控航天器几乎不可能。北理工宇航学院正在研究的自主技术类似人工智能，就是让航天器自主执行任务，不需要地面控制。目前该技术已经应用到高光谱卫星上，随着上天的卫星越来越多，卫星自主运行可以解决地面控制日益超荷的局面。深空探测技术研究所研制卫星自主管理系统，就是让包含了自主技术的卫星能够七天无地面干预地自主运行，所有的轨道、姿态、观测、通信等控制都是线上自己产生，只需要告诉它要看什么地方就行，飞的过程中卫星自己来判断怎么做。

巨型天线机构折叠 空间结构力学与控制

2016年8月，由中国建材总院所属轻工业钟表研究所研制的卫星天线展开动力机构，被成功应用于我国第一颗地球同步轨道移动通信卫星——天通一号01星。该动力机构是大口径环形天线的重要组成部分，为天线反射器的展开提供持续稳定的动力，并且具有驱动力矩大、运动平稳、体积小、质量轻以及可靠性高等特点。

两年前的八月，这则言简意赅的消息，可能会被很多人忽略，如果对比一下美国在这方面的技术，就能更好理解该技术对国防安全的意义：美国利用大口径环形卫星天线进行电子侦察，能监听外国无线电通信，包括地面与核潜艇之间的通信。有些卫星利用巨型天线甚至能发现水下某些深度内的潜艇。但是，这类巨型天线对自身精度要求很高，尺寸太大无法整体发射，只能使用复杂的机构折叠后装入火箭，进入太空后再展开，展开后还要保证天线精度，技术要求极高。

4. 环形桁架天线地面展开实验

5. 通信卫星及其环形桁架天线

6.空间大型可展开反射器

随着航天科技的发展，人们通过卫星实现了天地之间的通信，并为地面高速移动通信提供了重要手段。天地之间的通信主要依靠大口径抛物面天线反射电磁波来实现。天线口径越大，发射的电磁波信号质量就越强。因此，通信卫星的天线口径已突破10米，并正向更大口径发展。“目前，我国大部分运载火箭的直径只有3.5米，最新研制的长征五号火箭的直径也只有5米，无法将大口径卫星天线直接发射并送入轨道。最可行的办法是，将天线设计成可折叠、可伸展的机构，犹如一个变形金刚。卫星发射前，将天线折叠成起来；卫星发射进入轨道后，再让天线展开锁定，形成一个抛物面来反射电磁波。”北京理工大学宇航学院动力学与控制方向的研究组田强教授介绍。“这也正是宇航学院的科研方向和动力：一是契合国家对航天科技发展需求，二是军民融合需求推动。”

田强教授继续专业科普：“比如我们经常在新闻里看到航天器太阳能帆板的展开，还有我们国家未来迫切需求的大口径的天线，都需要空间的结构与动力学控制方向的专业研究。天线有各种各样的，有平板的，直线式的，伸出去长达几十米甚至数百米，还有像伞一样环形的,口径小的几米，大的几十米。因为这种大的空间结构很难在地面上建立无重力的实验环境，所以必须通过一些力学的方法、理论来建立动力学模型进行分析，在分析模型里把重力扣除后获得结构的动力学特性数据，为设计单位提供参考。我们组长期致力于这方面的研究，基于多年的动力学基础理论的研究，开发了一套大型柔性空间结构动力学分析程序，为我国航天部门设计这些结构提供重要的参考数据，可帮助工程师改进大口径卫星天线的设计。”

“未来的空间探测需要更大尺度的天线结构，但是通过单一结构展开的已经不能满足航天任务的需求，必须通过在轨的组装，即分成很多模块一个个展开再组装。这种结构非常复杂，展开过程中任何地方有卡死整个任务就失败，不管经济价值还是研究人员付出的心血全都报废，所以必须在地面进行充分研究论证才可行。”田强教授介绍，“这些结构也是我们现在正在论证和研究的对象，主要开展系统的动力学建模与分析、动特性设计与优化和地面缩比实验三方面研究工作。相关研究需要科研人员具有强烈的创新意识：已有的方法无法奏效，相关技术涉及行业秘密也无法从国外引进，必须依靠自主创新。从基础理论出发坚持不懈，实现方法、算法及其实验技术的突破。”

国际合作与自主创新培养创新领军人才

“根据学校‘双一流’建设的整体部署，宇航学院‘航空宇航科学与技术’和‘力学’两个一级学科进入‘运载装备与制造’与‘高效毁伤及防护’两个双一流学科群建设行列，以学科建设为龙头，大力推动学院事业全面发展。持续提升人才培养质量是双一流建设的重要任务。面向我国航空航天等国防领域的需求，学院坚持立德树人，坚持思想引领，构建本硕博贯通培养体系，并且不断强化国际合作与自主创新两大抓手，聚焦培养思想正确、基础坚实、本领过硬、具有使命意识和担当意识的创新领军人才。”北理工宇航学院副院长龙腾教授介绍。

2004年，龙老师以本科生的身份公派赴俄罗斯萨马拉国立航空航天大学开展4个月短期访学，完成本科毕业论文，对学院的国际化步伐和发展很有感触。“我们和国际上很多飞行器动力学与控制领域的优势高校与知名教授建立了长期的合作关系。例如：宇航学院无人飞行器自主控制技术研究所与德国慕尼黑工业大学飞行器系统动力学研究所签署了战略合作协议，致力于科学研究、学生培养以及联合实验室建设等方面的合作；响应国家‘一带一路’的倡议，学院正在与阿联酋筹备建设无人机技术领域的联合实验室。依托‘飞行器动力学与控制’学科创新引智基地，学院每年邀请大批国际知名学者到校学术访问，开展联合科研、课程讲授以及学生指导等方面的工作。学院连续两年举办研究生暑期学校，邀请帝国理工学院、麦吉尔大学等一流大学的知名教授到校讲授研究生课程。进一步丰富了学生国际化培养的形式，拓展了国际合作办学与科研的规模。”

力学学科动力学与控制方向的带头人荣吉利教授介绍，“我们培养的学生，首先在科研战略走向上有着清晰的认识，学生的科研方向依托于实验室科研项目，并且将学术前沿与工程需求相结合。”学院与航天、兵器等研究院所形成了长期的优秀人才培养机制，将理论研究与工程实践相结合，在注重科技创新的同时，同步培养协作与沟通能力，培养同学们投身航天事业的使命感与荣誉感，大部分同学毕业主动投身航天、兵器等国防行业，并能迅速完成角色转换开展科研工作，当工作中遇到技术难题也会主动学校寻求支持与合作。这种良性互动下培养的学生的优点，被荣老师概括为：面向行业、科研自主、人格独立。

7.指导研究生开展实验研究

8.宇航学院大楼公共区域

“我们每年派30多位本科生出国访学，从最开始的俄罗斯，到德国、西班牙、荷兰、加拿大，合作面不断扩展。研究生也有大量赴国外参加学术会议、开展学术交流以及科学实验的机会，在国家留学基金委、学校研究生院、学院以及导师的多方资助下，越来越多的研究生赴海外知名高校攻读学位或者进行联合培养。2017年学院研究生申报国家留学基金委公派研究生项目的人数翻了一番，而且获批率高到100%。”龙腾副院长介绍。面向空间结构组装过程中对新型缓冲软材料的需求，博士研究生罗凯同学公派赴哈佛大学进行联合培养，在胡海岩院士与美国工程院院士锁志刚教授的联合指导下开展软材料的动态力学性质研究。

学院高度重视学生科技创新，组建了技术精湛、高度负责的指导教师队伍，以专业学科背景为依托，以学生自主创新为主体，积极组织本科生与研究生参加国内外多种创新比赛并屡获佳绩。例如：2017年，宇航学院“飞鹰队”战胜麻省理工学院、宾夕法尼亚大学、帝国理工学院、卡内基-梅隆大学、苏黎世联邦理工大学等世界名校，获得穆罕默德·本·扎耶德国际机器人挑战赛“无人机移动目标侦测及自主起降”项目冠军；2018年，航模队在英国国际大学生飞行器设计大赛上勇夺载重飞行组冠军。