飞行器上放飞梦想

段盼盼 范德强

隨着飞机起飞的提示音响起，飞机在跑道上快速滑动，继而升空。期间，孟军辉安静地坐在自己的位置上，眼睛紧盯机翼，当看到襟翼伸出并向下弯折，他在心里小小感叹了一句：“这真的和课堂上讲的一样。”观察飞机机翼的变化是孟军辉在学生时代乘坐飞机时常做的事。

几年后，当孟军辉投入到与飞行器相关的研究工作中时，他坐在飞机上，盯着飞机机翼，想得更多的是：是否可以将自己研究的柔性复合材料应用到飞机上？又过了几年，当他成为北京理工大学宇航学院的一位教师，他又考虑到：如何将自己观察到的飞机机翼工作时的细节带到课堂上，转化成知识传授给学生们。

就这样，孟军辉一步一个脚印地诠释了青春最好的样子。他在传承中不断增强自己的担当本领，在创新中不断重塑梦想的基调。

进入空气稀薄地带

2015年10月13日，我国首个新型临近空间飞艇在内蒙古锡林浩特市巴彦宝拉格机场解缆升空。飞艇在指定高度展开了包括飞行、通信、空间态势感知等多种科学实验后顺利着陆，实现了所有升空设备完好回收。此次试飞成功的新型临近空间飞艇由北京航空航天大学武哲教授科研团队研制，其研究水平达到了世界领先，而孟军辉从很早就加入到了这个科研团队。

什么是临近空间？孟军辉简要地解释道，航空空间和航天空间之间有一个空白的区域，该区域就是临近空间，通常指距离地球表面20千米到100千米之间的区域。虽然美国等发达国家对临近空间的探索早于中国，但由于该区域低温低压、空气稀薄、高辐射等严酷条件，所以一直没有人类设计的飞行器成功涉足。

对临近空间的探索，现阶段国内外的研究热点之一就是浮空飞行器，它类似于小孩子喜欢玩的氢气球，充满气体后，利用浮力升到临近空间并驻足于该领域。相比卫星，它的优势在于成本较低，且离地面更近，可以更高分辨率地对地实施观测。

2009年，在北京航空航天大学飞行器设计与工程专业读大三的孟军辉幸运地进入武哲教授科研团队。一开始，他主要从事飞艇的总体设计的相关工作。虽然飞艇升空的原理听起来比较简单，但是和氢气球一样，飞艇在不断升高的过程中，随着外部气压越来越低，内部的气体压强会把飞艇撑得越来越大，达到一定高度就会爆炸。所以飞艇能否成功探索临近空间，柔性气囊材料非常重要。

孟军辉回忆道，柔性气囊材料除了具有柔性轻质的特点，还需要能够满足飞艇内外的压差作用，同时还需要承受临近空间昼夜温差以及臭氧和紫外的辐射老化。国际上很多国家早期研制的临近空间飞艇，往往无法实现2万米高空的飞行高度，即便成功进入临近空间，但是在临近空间环境的影响下，气囊材料也无法满足长时间驻空飞行的要求。当时这一问题是一个世界性难题，国内外相关学者都在致力于攻克它。于是，孟军辉也将自己的研究重点转移到了这个方向，开始从事柔性气囊材料的研究。最终，他在师兄的带领下，优化了气囊材料的结构和加工工艺，将十几层厚度的材料层压热合至不到一毫米的厚度，同时能够较好地满足飞艇飞行性能的要求。

孟军辉详细介绍道，他们研制的柔性纤维增强复合材料采用了一种特种的、高强的纤维丝编织成承力层，然后在内外表面分别热合层压上耐环境层和气密层等，这样气囊就可以在满足力学性能要求的前提下，同时也能较好地适应临近空间的环境。材料做出来以后，孟军辉在导师和师兄的带领下，经过了两次试飞验证，结果显示材料完全达到了项目要求，且在国际上达到了先进水平。

在此基础上，孟军辉再接再厉，又对柔性纤维增强复合材料的非线性力学问题发起进攻。“与常规金属材料和碳纤维层合板不同，柔性复合材料具有很多非线性行为，最常见的就是撕裂破坏，撕裂后，它的裂纹是怎样的一个走向呢？这是我博士和博士后期间的一个研究重点。”孟军辉说。

在传统断裂力学的研究中，通常采用有限元方法，但是该方法如果应用于柔性纤维增强复合材料的力学研究的话，不但会使计算过程变得非常复杂，而且最后的结果也会有很大偏差。对此孟军辉借鉴美国普渡大学的向量式有限元方法，对柔性纤维增强复合材料非线性力学行为进行了研究，并取得了一系列创新进展。

2017年，孟军辉入职北京理工大学宇航学院，他的研究方向向航空航天方向继续拓展，一方面继续聚焦柔性充气式结构，研制用于智能武器装备的柔性充气式机器人和用于多环境适应的柔性充气式机翼结构；另一方面将柔性材料与智能材料相结合，实现飞行器的智能可变构型设计，同时研究柔性充气结构用于航空航天中的结构力学和结构动力学问题。2019年，他入选中国科协第五届“青年人才托举工程”，同时担任中国力学学会流固耦合专业委员会委员。

“我是一个幸运的人”

近5年来，孟军辉以第一作者和通讯作者发表SCI和EI论文20余篇，主持国家自然科学基金项目1项、军委科技委国防科技创新特区项目1项、博士后科学基金项目1项以及多项国防领域的横向课题，个人承担的科研总经费已达200余万元。

对于一个刚过而立之年的青年科技工作者而言，这份漂亮的履历后，有努力，有机遇，还有孟军辉在关键时刻的勇于担当。当大多数大学生还在思考未来时，孟军辉已经在武哲教授科研团队找到了人生方向。那是一段“拼命”的日子，整个团队全年几乎无休，一心一意扑在科研上。2010年的某次飞行试验，正在读硕士的孟军辉已经成为这次任务的主要参与者，顶着巨大的压力，他在师兄的带领下在试验基地连轴转了两个多月，最后的三天两夜，几个负责放飞方案制定的同学基本“没合眼”。试飞成功的那一刻，孟军辉躲进帐篷里，久久呆坐着说不出话来。

如今再回头看那些经历，那些辛苦在孟军辉的记忆中已经模糊了，但依旧鲜明的是那个面对困难、面对责任义无反顾的自己。他用“幸运”形容那段经历，有幸在学生时代参与到如此重大的项目当中，有幸与那么多优秀的人共事，有幸得遇武哲教授、吴光辉院士和王晋军教授等几位恩师。正是因为那段时间的磨炼，他才会在科研道路上迅速成长起来，并在接下来的道路上日益坚定。

来到北京理工大学宇航学院后，孟军辉的“幸运”还在继续。他加入了宇航学院刘莉教授的飞行器综合设计学科组，作为刚入职的青年教师，他在没有项目、没有经费和学生的情况下，得到了刘莉教授和学科组其他老师的大力支持和帮助，并较快地做出了成果。

孟军辉做得第一个工作是充气式无人机的设计和研制。充气式无人机和飞艇类似，都属于柔性充气结构。充气式无人机通常是将其机翼利用膜结构充上具有一定压力的气体，让它具有一定的气动外形。这种飞行器，其充气式机翼不用时是折叠状态，但当飞行器起飞时，机翼充气展开，且能保持一定的刚度。在航天方面，它也有着很大的应用空间，它可以与高动态火箭或导弹相结合，实现作战时对目标的长时间驻空监测和精准打击。他率领学生通过总体方案设计和动力学仿真分析，完成了气动/结构/能源多学科设计及优化，满足了设计目标和部署要求。此外，孟军辉还带领学生参加了一些相关的科技竞赛，将科研和教学相结合，更好地服务航天航空领域。

临近空间飞行器服役过程中，结构出现裂纹破坏并迅速扩展是其主要的失效模式之一。对此，孟军辉致力于发展适用具有路径依赖性的隐式本构关系研究的深度学习模型和适用描述裂纹动态扩展时空数据信息的复合深度学习模型，通过将复合深度学习模型与临近空间飞行器气动/结构/热耦合效应研究的有限元模型互相融合，用于真实服役环境下裂纹扩展行为的快速预示，探索力学理论和深度学习结合的力学建模方法及其工程应用。该研究得到了国家自然科学基金项目支持。

近些年，柔性充气结构凭借其质量轻、造价低、可折叠展开和控制灵活等优点，越来越受到国内外研究者的重视。孟军辉介绍说，柔性充气结构可以提高飞行器运载效率，实现传统结构形式无法达到的性能，使航空航天事业走向大型化、轻型化。以卫星为例，如果可以将柔性充气结构应用到卫星太阳能帆板，不但可以收集到更多的太阳能量，还可以很好地解决成本问题。除此之外，如何将柔性充气结构应用到可变形的飞行器设计中，使飞行器机翼像鸟的翅膀一样灵活，在不同的环境下呈现不同的状态，也是孟军辉正在重点攻克的研究难点。

星光不问赶路人，岁月不负有心人。尽管孟军辉表示：“我是一个幸运的人，一路上遇到了很多良师益友，我特别感谢他们，正是因为他们的帮助，我才能有如此大的成长”，但是每一份幸运的背后都是他长久的积累和不懈的坚持，其实是越努力越幸运罢了。

老将依旧，薪火相传

敦品励学育英才，厚德载物兴中华。大学的根本任务是教书育人，大学教师的首要职责是教学工作。进入北京理工大学宇航学院，在刘莉教授和胡海岩院士的帮助下，孟军辉很快就将自己代入了“教师”这一角色当中。

“刘莉教授是非常重视教学工作的，我刚到北京理工大学宇航学院的第一年，她就很认真地跟我讨论怎么去编写教材，马上我们就要出一本教材了。除此之外，她还邀请胡海岩院士和我们一起讨论教学的整个课程的设置。”刘莉教授和孟军辉一起主讲的“飞行器结构力学”更侧重于结构静力学的研究，而胡海岩院士所主讲的“结构动力学基础”则更侧重于结构动力学的研究，再加上前期课程“弹性力学基础”和后续的“飞行器结构分析与设计”以及试验类课程，构成了完整的飞行器结构方向的课程体系，同时联合学院教授飞行器制导与控制等相关课程的老师，一起组成了飞行器设计专业的育人团队。2019年，在刘莉教授的带领下，团队申报了北京市的本科育人团队，成了该年北京理工大学唯一一个入选该荣誉称号的团队。

胡海岩院士在卸任北京理工大学校长之后，在刘莉教授的邀请下，重新返回課堂，讲授全英文本硕博贯通课“结构动力学基础”，孟军辉担任他的助教。“跟着胡院士去上课和自己去上课，真的不一样，会有很大的收获。”让孟军辉印象特别深刻且对他影响特别大的是，胡海岩院士对本科生教育十分认真，拿到教材以后，他都会提前两三个月和孟军辉仔细讨论下学期的课题怎样设置、课怎样讲、作业怎样布置，他还会将自己想要布置的作业亲自做一遍。

有一次，胡海岩院士将教材上的一道动力学的作业题交给孟军辉，让他算一遍。孟军辉在纸上算好以后，拿给胡海岩院士去看，结果发现胡海岩院士不但自己算了一遍，还针对不同的情况画了图，并延伸到了实际工程当中。“我算这道题用了半页纸，胡院士用了七八页纸，甚至还针对不同情况进行了讨论分析，并有详细的画图讨论。这让我非常惭愧，就是你看到老一辈的那种认真，就会觉得自己真的还有太多要学习的地方。”孟军辉说道。

2018年，胡海岩院士在腿部不适的情况下还坚持认真为学生们上课，一站就是两三个小时。这种时刻为学生着想的精神在无形中也影响了孟军辉。今年，在本科生毕业设计的指导中，孟军辉帮学生们修改毕业论文常常修改到凌晨一两点。答辩结束后，有一个学生认真地跟他说：“老师，我看到您给我们改论文的时间都到凌晨了，我特别感动，我就觉得我一定要把自己的毕业论文做好。”

“跟着胡海岩院士、刘莉教授他们这些前辈，你会在他们身上汲取到很多精神，在他们的影响下，你会学着站在学生的角度去思考学生真正的需求，会学会以身作则地去教导学生。他们就是榜样，吸引着你向他们看齐。”孟军辉表示。

结硬寨，打呆仗。无论是科研工作，还是教学工作，孟军辉都希望自己可以走得扎扎实实。他说：“我不是什么天资聪颖的人，我只希望每走一步都争取有进步，一步一个脚印地去做好每件事。”说完这句话，孟军辉轻轻地笑了，眼睛里是青春未泯的光。