漫谈航天与教育1)

周建平

(中国载人航天工程办公室，北京 100094)

自1999 年以不惑之年参与中国载人航天工程以来，我见证了几代中国航天人不懈奋斗，完成载人航天工程“三步走”战略任务，独立自主建造和运行“天宫”空间站，书写航天梦托举中国梦的壮丽篇章。在60 余年的人生中，我的命运始终同国家航天事业紧密相连，我在工作中取得的一点成绩和前20 余年航天与力学专业的受教育和教育工作经历、后20 余年横跨高校与重大专项工程的独特经历密不可分。今天，我怀抱作为教师传道授业的初心回到国防科技大学，就会前征集的同学们感兴趣的问题，结合个人经历谈一谈航天与教育，希望能够对在座的青年学子有所借鉴和启发。

1 航天主要的专业领域

近半个世纪以来，航天成为了全球各大国竞相争夺的高科技领域，在国防、军事和经济领域均起到了举足轻重的作用。要推动航天的三大领域，即空间科学、空间技术和空间应用的全面进步，涉及到的专业技术领域很多，我还是通过介绍其中的一个实例，希望同学们能够管中窥豹。

1.1 航天涉及的专业领域-以运载火箭动力系统为例

从航天器讲，运载火箭和空间飞行器是航天器的两大主要内容。运载火箭之中，最主干且支撑技术提高和进步最重要的分系统，当属总体、结构、动力、控制和地面的测发控。对空间飞行器来说，还必须考虑能源动力系统、热控等。而就载人航天工程而言，还有一个环控的问题，因为要保证人的生活和生存。另一大领域是信息技术，包括测控等。

我从运载火箭的动力系统分类作为切入点，谈谈其所涉及的主要专业。从运载火箭的动力种类来说，就有液体、固体、核能、电推进等，微小推力的还有太阳帆、激光推进。先说液体火箭的分类。一类是以长征二号、长征三号、长征四号为代表的常温推进剂为燃料的运载火箭，一般采用四氧化二氮和偏二甲肼这类有毒甚至剧毒的推进剂。其特点是在部分常温区处于稳定的液态。现在液体火箭推进剂在朝着低温方向发展，如长征七号、长征六号和长征八号的一级，长征五号的助推器等，均采用液氧煤油推进剂。与常温推进剂相比，液氧储存条件在90 K 以下，但环保无毒，并且发动机比冲更高。液氧煤油发动机也是我国新一代火箭的主要动力，发动机结构也相应复杂了很多。低温推进剂的另一种类是液氢液氧，燃烧剂液氢的液态温区是20 K 以下，相应的发动机比冲相比前两种大幅提高，如正在研制的液氢液氧推进剂发动机YF-75E，比冲高达450秒。因为分子量越低，燃料获得的密度比冲，即单位质量的比冲也越大。现在的长征五号和长征五号B 的芯级，长征七号甲的三级、长征八号的二级，以及长征三号的上面级，也都采用液氢液氧的推进剂。

高比冲的推进剂也有缺点，因为其密度低，储存同样重量的推进剂，需要的贮箱就更大，相应结构代价也会更高。因此，一般情况下液氢液氧发动机用在上面级。特殊情况，如长征五号和长征五号B 用在芯一级，所以长五液氢贮箱直径足有5 米。液氢的低温环境要求增加了使用液氢液氧推进剂的难度，2022 年9 月21 日美国NASA的SLS 重型火箭就因为液氢泄露推迟发射。

液体推进剂一个重要发展方向是用液氧甲烷。液氧甲烷也属于低温推进剂，甲烷的分子量低于煤油，因此充分燃烧时，获得的比冲比煤油高。同时，随着可重复使用运载器的出现，甲烷因便于清洗的特性，加上相对廉价且易获取，成为极具潜力的液体火箭推进剂。

另一类是固体火箭。尽管大家更熟悉的是固体导弹，但固体燃料也用于运载器，国内的长征六号的助推器和“快舟”系列用的就是固体燃料。

两大推力之外，还有电推进的方式。比如空间站用的80 毫牛四台并联的霍尔推进系统，推进剂是氙气，其比冲比液体和固体火箭发动机高很多，可获得5 倍的比冲性能，其推力尽管有限，但用于补偿大气阻力还是胜任的。电推进技术发展很快，最近十来年已经有一牛以上量级的产品出现。

另一种是核推进。“嫦娥”登月，月夜要如何度过？采用核电源的同位素温差发电的技术，这种核电源功率比较低。更有前景的是核热推进技术，可以获得的功率更大，所以发动机的推力就可以做得更大，但是面临的可靠性、安全性、空间环境和热环境的挑战也更大。目前核推进的推力水平虽然比不上化学推进，但是质量效率是其两倍以上，这意味着推进剂质量相同时，核热推进产生的推力是化学推进的两倍，在远离太阳进行星际探测时具有广泛的应用前景。核热推进可以显著缩短星际飞行时间，这对于载人深空探测（如登陆火星）是非常有利的。

其他的推进方式还包括激光推进和太阳帆。大家可以看到仅从燃料这个角度看动力技术就有如此多的分类，我们再拿动力中的一种-液体推进来看其所涉及的专业。最基础的问题是燃料燃烧和流动问题，涉及到热力学、燃烧科学、流体力学问题，当然也涉及到材料、结构、强度、振动、冲击、控制、测试、机械设计制造等等问题。一台发动机实际上就涉及到机械行业几乎所有的学科，而且由于极高的推重比要求，它的挑战性还要大的多。

中国航天的成功，是中国整个科研体系、工业体系支撑的结果。我们载人航天工程的运载火箭和空间飞行器，研制主体是航天科技集团有限公司。配套包括航天科工集团有限公司、中国电子科技集团有限公司，也包括航空、材料、机械、电子信息、冶金、化工、兵器、纺织、石油等等大量的行业。当然航天行业、航天工业本身的能力处于主体地位。因此，对于志在航天的同学，无论你们的专业背景如何，航天行业和航天工业都有你的用武之地。

1.2 数理化：航天与力学专业学生应具备的“童子功”

下面我谈谈，现在航天与力学专业的学生应该如何打好投身航天事业的基础。在大学，不论是本科生还是研究生，学生应该具备的基本知识结构的核心一定是数学、物理和化学。这是工程各个领域的共同基础，也是培养学生具备良好科学素养和基本工程师能力两个核心任务所最应强调的基础课程。

一是数学。我和许多专家的共识是，航天与力学专业学生最应该加强的是数学。包括以下必修课：微积分、微分方程、线性代数、概率论、数理统计等。我一直很想回到国防科技大学给同学们讲讲课，分享我工作多年后对数学精髓的理解。学习数学，不单单是解题技巧，更要重视高等数学展现的初等数学所不具备的分析问题的思维方式，体会在认识和理解世界的过程中高等数学担任的双重角色：既提供了解决问题的方法论，又提供了工具。关于这一点，我在后面举例具体说明。

二是物理学。通过物理学知识，我们从原理和规律层面，加深了对现实世界的认识和理解。物理学是从事其他专业的重要基础。如果你今后从事技术方面的工作和学习，一定会涉及到很多物理学知识，但基本原理都在大学物理中讲到了。我在大学的时候，读过伯克利大学物理全五卷。等到读完博士、投身专业研究后回头看物理和数学，大家应有许多新思考与启发。

三是化学。当年我们学化学，有一部分同学不太认真，觉得毕业后不会从事化工方面的工作，化学能有什么作用？实际上化学涉及工程重要基础的方方面面。大家也知道，我国工业领域的较突出的短板之一就是材料，包括芯片。不光是光刻机的制造问题，材料的瓶颈制约也非常突出。航空航天也一样，制造出国际水平的一颗铆钉就牵涉到材料和工艺的一系列问题。再说化工，前面说到的推进剂就是化工产品。还有煤油，这并非普通的煤油，而是专门研制的火箭推进剂煤油。我国现在已经能够采用煤制油技术生产性能先进的合成煤基煤油推进剂，这件事情很值得中国人骄傲。合成煤基煤油不仅能得到与用石化炼化技术制备的同等品质的煤油，而且掌握了合成的原理和技术，就可以优化组分，获得更高性能。

进一步地，我们国家在高性能煤油上也取得了很大的进展。现在的水平制备出的高性能煤油比原来的石油基煤油的比冲高8 秒。8 秒比冲增量和原本液氧煤油燃料330 秒的比冲相比，看似只有2.4%的增幅，但对运载能力的实际贡献十分显著。以正在研制的新型登月火箭为例，火箭起飞质量是2400 多吨，大概带的有一千七八百吨的推进剂，其中1/4 的推进剂是煤油。如果仅将二级推进剂中的50 吨煤油换成新研制的高性能煤油，就能将运载火箭的地月转移能力提高800 千克。付出的代价相当有限，成效却极大。

所以说化学或者材料学，也是支撑航天的非常重要的一个学科。不仅包括推进剂，也包括结构材料。综上，尽管航天有如此多的涉及各行各业的专业，但是这些大学入学以后就要学习的必修课程，不管今后从事什么工作，都是我们工作最重要的基础。多年以前我与大学同学聊到，大学的学习是修炼“童子功”，过了这个阶段一般就学不到了。诚然，当今是一个“学习型”社会，然而基本的科学素养训练，应该在大学完成，也只能在大学高质量完成。也许工作之后有机会“亡羊补牢”，但我相信在大学教育这一人生关键时期，打好基础对培养一个人具备全面的科学素养与能力是极其重要的，它能够使同学们今后在不同岗位和环境中更容易适应新挑战，能力得到更好发挥。

2 航天的工程挑战

航天有没有出现过事故？中国也好外国也好，有一定航天能力的国家都出过飞行失利事故。为什么航天工程这么难？因为冲破地球引力是巨大的挑战。我们都知道第一宇宙速度7.9 km/s，第二宇宙速度11.2 km/s。但是这是一个多大的概念？我们送航天器入轨，需要什么样的动力水平？如何直观地理解冲出地球阻力、走向太空的难度？让我们谈一谈航天面临的工程挑战，直观认识发射所需要的能量。

2.1 冲破地球引力：火箭发动机与三峡大坝

以液氧煤油发动机为例，一台120 吨的液氧煤油发动机(YF-100)，把燃烧剂和氧化剂输送到燃烧室才能燃烧，产生高压，从喷管喷出工质。为此每秒要输送400 余千克的推进剂，从而产生120 吨的推力。输送这些推进剂依靠的是以燃气为动力的涡轮泵，单台功率是20 兆瓦。20 兆瓦动力是多大？柴油动力航母用的是燃气涡轮发动机，一艘航母需要配置8 台25 兆瓦的燃气涡轮发动机，才能达到功率20 万千瓦（200 兆瓦），而我们的CZ-5B 火箭一级飞行段，输送推进剂的涡轮泵总功率就接近这个值。

我们再将一台液氧煤油发动机与航母进行动力对比。长征五号运载火箭，有四个助推器共八台YF-100 发动机。其中，一台120 吨的YF-100液氧煤油发动机，出口喷出的燃气的秒流量乘以速度平方再除以2，就是燃气的动能，考虑到效率损失后，每秒喷出的工质的动能为2100 余兆瓦，是航母的十倍有余。

再做个比较，航天发射的能量和三峡发电站进行对比，又将如何呢？三峡发电站采用水轮发电机组，一台满功率约为700 兆瓦。其水位落差百余米，一台发电机满负荷发电时水落下进入水轮机入口的动能大约是900 余兆瓦。更直观一点，长江三峡一共32 台发电机，满负荷发电时，大约有每秒3 万立方米的水滚滚落下，使32 台发电机满功率发电，大约是两万多兆瓦。现在我们要发展的新一代登月用的运载火箭，其中一台液氧煤油发动机喷出的燃气动能比三峡的两台水轮发电机入口水的动能还要大20%以上。一枚运载火箭共有21 台发动机，其喷出的燃气动能比42 台三峡水轮发电机满负荷发电时的水入口动能还大。因此，我们可以直观地理解，探月火箭发射时燃气喷出产生的动能要比三峡大坝满功率发电时所需水的功率还要大很多。

可看看我们的火箭才多大？世界上最先进的燃气涡轮发动机功率大概是25 兆瓦，有20 多吨重。而YF-100 发动机单台总质量是1000 多千克，涡轮泵只占其中一小部分，从功率/质量比看，二者相差将近百倍。

我们在这么小的火箭发动机上面，实现了三峡大坝那么大的地面装置才能实现的能量。看过长江三峡的人就知道，其中一台机组就非常壮观，何况整个大坝长达2300 余米。而我们只需要将一枚运载火箭的三个直径5 米的芯级排在一起，一共15 米，其发动机燃烧喷出的燃气动能就相当于2 个三峡大坝满载发电时的全部水轮机入口水的总动能。这就是运载火箭要冲出地球引力所需要的巨大的能量。

2.2 漫长的等待与“试错”的代价：谈长征五号遥二的失利

航天是个复杂的系统，复杂在哪？专业复杂、系统复杂、体系复杂。航天面临的挑战之一是漫长的研发周期，比如中国空间站就耗时12 年，其间没有或者很少试错的机会。在方案论证和设计阶段，除了关键技术攻关项目外，没有其他产品产出。因为经费原因，初样阶段也只能生产用于鉴定试验、一部分可靠性试验等数量很有限的产品，一直到初样研制的末期，才能把具备电性能、结构性能、热性能的产品，各做一套进行相关试验，很多时候三类产品分步骤使用同一台设备去做。这么长的迭代周期，只能做非常有限的地面试验，而且还很难模拟天上的各种环境条件，能不能实现一次做成、一次做好是很大的挑战。中国空间站取得今天的成就，不仅回答了能不能的问题，还表明中国航天人有能力建成一座高水平永久性空间站。

航天还有另外一类突出的问题，就是航天的天地差异性。高真空环境、阳照区和阴影区温差200 多度、辐射环境等，对于航天的装备提出特殊的要求。载人航天还有一个微重力环境，使得地面的航天员训练和相关实验都变得非常困难。没经过验证实验，如何证明在天上能够正常工作？就需要大量的基础研究和仿真支撑。这是极具挑战性的工作。当然，通过不断的研究，我们已经获得更多的飞行数据支撑地面的工作，这也是航天一步一个脚印发展到今天的基础。

有同学问中国航天失败的案例，我举一个例子，前几年发生的长征五号遥二失利。航天发展到今天，最大挑战之一就是发动机，前面我用发动机与三峡大坝做了一个比较，由此大家应该比较容易理解火箭发动机的比功率之高，是地面使用的发动机很难相比的。这次失利的原因在于液氢液氧的发动机在飞行中失效。而为了找到失效的原因并彻底改进以提高可靠性，我们花了两年多时间。为解决一个问题，耗时两年是很大的代价。但只有找到问题的规律和机理，采取有效措施并进行充分验证，才能实现后面长征五号系列火箭的“长治久安”。

失败是难免的，但一定要从失败中汲取经验教训，把失败的案例变成财富。中国航天能走到今天靠的就是始终坚持问题导向，不断总结提高、不断深化认识。航天有一个很著名的“双五条”技术和管理归零标准（图1）。其中，“技术归零五条”的内容是：定位准确、机理清楚、问题复现、措施有效、举一反三。就是要找到故障发生的准确位置，说清楚发生的机理，在相同的状态下复现发生的故障，找到有效的解决办法，进行充分的实验验证，然后把新的认识推广到航天全行业，对产品进行举一反三，无论是方法的、原理的、设计的，还是工艺的。

图1 质量问题归零“双五条”

3 中国航天的成就

3.1 第二名的差距

中国是世界航天大国，正迈入航天强国的行列，目前居世界第二，综合实力超过了欧洲和俄罗斯。但与美国相比仍有差距，无论是涉猎的范围、技术水平的先进程度等方面，我们仍需努力。比如美国的航天飞机，尽管有若干不如人意，但它仍是航天史上最复杂、规模也最大的航天器，入轨质量重达130 吨，可重复使用，实现天地往返。美国的 SpaceX 公司，用二十年时间开发可重复使用的火箭、重型运载火箭和星链卫星，在大大冲击了航天领域的同时也大大推动了航天技术的发展，推动了航天产业变革进程。为什么强调差距？作为航天人应该有承认差距、始终坚持问题导向的精神，不断追求更好、更快的发展。中国航天正处在发展越来越好、越来越快的时期，我希望年轻一代能尽展其才，使中国航天技术更上一个台阶，早日比肩、超越美国。

3.2 发展现状与应用前景

再说一说中国的载人航天工程的发展水平。载人航天空间站项目于2010 年立项，当时定下的目标，一是全面掌握大型空间设施在轨建造技术。建成空间站的组合体，在轨建造这个最关键的部分我们已经完成了。我们还通过舱外活动开展了若干建造事项，舱内建造项目更多。明年，我们将把空间站核心舱的两幅太阳帆板转移到实验舱的尾部。完成了这项验证技术的“大动作”，我们就可以宣布在轨建造技术与国际空间站建造水平相当。二是建造一个基于当代国际先进水平且经济高效的中国空间站，目前这个目标我们已经全面实现了（图2）。这非常具有挑战性，很多方面的问题，最开始我们没有多少技术基础，研制的时间进度又非常紧张，地面试验很难做，例如再生生保系统。

图2 我国空间站建造完成的构型示意图

空间站之前，我们采用的是非再生生保系统，这对于短期飞行是合理的。非再生生保主要依靠一次性运输补给品的方式保障人的生存和生活，其代价很大，单人一天大概10 千克补给品，听起来不多。但是3 个人驻留一年，365 天，大概需要10 吨物资，需要两艘货运飞船才能完成运输，这将是一个很大的负担。所以，必须想办法循环使用空间站的各种资源，这就是再生生保技术的作用，它使得水和氧资源可以实现再生循环。该系统通过冷凝装置收集人蒸发的汗、呼出的水蒸气以及排泄的尿液，净化达到饮用水和电解制氧用水的要求。在太空微重力条件下，如何处理气液混合体，是一个很大的难题。这是一套很复杂的化工装置，我们在没有飞行经验的情况下，不仅成功做出了这套装置，并且达到的水平比国际空间站高。从最开始收集冷凝水，处理冷凝水，到后来下决心处理比较难净化的尿，再到后来的二氧化碳还原，我们的科技人员在攻关过程中不断提高要求和目标，当然难度也不断升级。二氧化碳是非常好的资源，但处理难度很大。如何利用二氧化碳呢？我国的空间站利用电解水制氧，我们用其产生的氢气和通过吸附、解析、富集等一系列手段获得的二氧化碳，进行Sabatier 反应，获得氧和甲烷。这样，我们大幅提高了资源的再生利用率。现在，中国空间站已经不需要上行运输水和氧气。只需要利用上行食品中所含的水的补充，就能实现轨道上水资源和氧资源的完全闭合供给，也能实现二氧化碳无消耗资源的净化处理。我们的空间站有两个机械臂，这是我国第一次研制大型的空间机械臂，这两个机械臂还可以级联在一起成为一个长达15 米、拥有14 个自由度的超级机械臂，这是一个很好的创新，也是一个很大的成就（图3）。

图3 航天员在机械臂辅助下舱外活动现场照片

再谈谈中国空间站的应用前景。中国空间站建造成功，标志建造阶段的结束，但不是空间站工程的结束，下一步将进入应用与发展工程阶段。中国空间站为科学家和工程师提供了一个很好的太空试验平台，今后的主要工作将转向利用平台，开展空间科学、空间技术和空间应用三大领域的科学研究和应用工作。各个领域适合和需要在空间，特别是需要人参与的科学研究和技术试验，都可以考虑到空间站上进行，当然，这些项目需要经过一系列的评估，满足空间站准入条件。为什么说我们的平台很好呢？一是规模很大，我国从来没有这么大的航天器；二是能源很充足，发电能力达38 千瓦，目前中国最大的卫星只有10千瓦；三是有人的参与，人的参与可以解决很多自动化无法解决的问题，包括设备的调试和校正，尤其是科学实验还要迭代；四是天地往返效率高，用货运飞船把试验设备仪器运上去，火箭发射的时候环境非常恶劣的，对航天器等设备耐环境水平要求非常高，但货运飞船内可以采取减震减冲击的措施，很多民品、商采的东西可以送到空间站上使用。且迭代周期短，载人飞船一年发射两次，货运飞船一年发射一到两次，可提供比较高频的天地往返运输的机会。欢迎老师和学生们充分发挥想象力，提出好的创意，参与到载人航天工程中来。

4 我的经历：对教育和学习的感触与体会

中国的航天起步跟我的年龄是一样的，60 余年。载人航天工程，得益于整个航天的发展进步，是几代航天人努力取得的成就。从863 计划算起有30 多年了，从921 工程算起也已31 年，从曙光号（714 工程）算起，则有50 多年了。我简单谈谈我的经历。

4.1 个人经历

我的经历跟同学们有很大的差异，因为我们所处时代不一样。作为20 世纪50 年代出生的人，我的小学、中学时代，不以考试为主要目标，因为那时候没有高考。我高中毕业后下乡，进工厂，是湘西金矿井下的工人。一直到1977 年，邓小平同志决定恢复高考，我才有上大学的机会。由于信息不畅通，我是在1977 年10 月12 日，中央人民广播电台播出恢复高考的信息时才得知，很激动，像做梦一样。两个月以后进入考场，期间每天上班干体力活，很辛苦，一天假也没有请过。但我考学也没有太大压力，始终充满信心，最后考入国防科技大学。我硕士研究生期间就读于大连理工大学，然后回到国防科技大学任教，读博士，留校当老师，参加载人航天工程的论证、做科研、再到出国、再到回国，再到调入载人航天工程担任总体室主任，到酒泉卫星发射中心担任总工程师，再调回北京担任载人航天工程的副总师，从2006 年起，担任工程总师已经17 年了。就大家感兴趣的方面，我谈谈一些感触。

4.1.1 中学：养成读书习惯

这些年学习和教育，我觉得最有感触的事情是读书。尽管前面说我小的时候没读多少书，但我是一个发自内心的愿意读书和获取知识的人。我是湖南人，小时候没有很多书可读，所以到哪我都和图书馆的管理员关系很好，因为那是我最喜欢去的地方。最开始的时候，我把湘西金矿的公共图书馆里认为值得一读的书，几乎都读完了。

其中有两本书对我产生了很大的影响，一本书是写富拉尔基第一重型机械厂的《钢铁巨人》（图4）。在里面我看到了知识分子在工业大生产中发挥的极其重要的作用，我所在矿上的工程师和知识分子的风范对我日后影响也很大。第二本是经济学的书，那是我读过的第一本学术著作，让我领略了研究的魅力。我终生保持着读书这个习惯，只要碰到问题，哪怕是我很陌生的专业，我都会从专业书中寻求帮助。对于复杂问题，虽说我不能和从事该领域研究工作的专家们相比，但通过阅读专业书籍，把基本东西搞清楚，我可以做出自己的判断。

图4 《钢铁巨人》

我读书的习惯是受到我的老师们的影响而形成的。从中学时代开始，几乎所有阶段的老师都是我的朋友，并影响了我一生。中学的班主任是数学老师，他鼓励我通过阅读自学，所以我就去了技术图书馆借阅大学数学、物理和其他专业的书。老师们对我很好，把很多高中教材都找来送给我。那时没考大学的机会，毫无功利之心。在初中，我就读完了所有的高中教材。在高中时代，老师给了我樊映川的《高等数学讲义》（图5）和大学的物理教材。之后我通过图书馆又找到了更多大学教材。

图5 《高等数学讲义》

我中学时代的物理老师毕业于北大物理系，英语老师毕业于中国科技大学的物理系，他们的学识和风范以及具体帮助和指导对我产生了非常大的影响。在潜移默化的过程中，我全凭兴趣养成了读书的习惯。这是我想说的第一个方面。

4.1.2 大学：积累理论自信

大学是我们那时候的学生没日没夜疯狂汲取知识的阶段，我们77 级的学生对知识太饥渴了，十分珍惜这好像是天上掉馅饼一样得来的学习机会。我本科除了修完本专业的课，还修完了我们系固体力学专业研究生所有课程，以及学校数学系前两年的课程，还有不少其他的选修课。以至于大三的时候，数学系的系主任邀请我转去数学系。我在本科注重知识积累，接受到比较严格的科研训练则是在硕博士阶段。我的研究生阶段是在大连理工大学力学系，我有幸遇到那个年代的中国力学学术水平最高群体之一，这个群体的老师有：钱令希院士、钟万勰院士、程耿东院士、唐立民教授、周承倜教授等。这些大师们的风采，以及大师们给我讲授的课程，使得我从思维层次上对科学有更多的理解。当时研究生很少，发论文其实也不多。得益于在本科和研究生阶段构筑的知识体系，使我对自己的研究对象以及相关的学科有了比较深入的思考。我认为大学学习生涯，自己在知识的积累和科研方面的训练做的比较好。这两个方面的积累，令我具备了科研工作中的理论自信。理论自信意味着什么？就是有能力也有胆识去面对不同的甚至是自己生疏的问题，一是搞懂问题，二是锲而不舍地解决问题，三是做出正确的判断，四是当存在着不同意见的时候，作为决策者能做出正确的决定。

4.1.3 工作：强调科学问题

无论是学习还是工作，我非常重视对物理原理的理解。读书时候要理解科学原理，工作的时候养成用科学原理进行思考的习惯，依据原理分析、推理、判断、总结，最后决策。给大家举个例子。长征七号火箭二级推进剂输送管路有一个五通的管路装置，用于将贮箱中的推进剂分为四个分叉送到四台发动机。首次飞行中发现，管路中的压力出现了异常的突变，压差超过了过去地面试验的认识。分析机理很费劲，研制单位和大学老师一起做了一段时间的分析和仿真，认为可能是一种“空泡”效应。我听完汇报，心想：这么高的流速，这么大的压力的情况下要堆积空泡谈何容易啊。我没研究过流体力学，但是我学过流体力学的基本原理。我指出，这样复杂的一个出流装置是可能产生涡流的，而涡流会导致压力降低。后面中国空气动力学研究试验中心真把这个“涡”算出来了，试验也观察到了急剧的涡流现象，从而验证了我的判断。这就是从原理上去理解问题、判断问题。

为什么要强调从原理上去理解呢？找到解决问题合理且可能的办法，需要知识去做判断。我也期望同学们对此加以重视。现在的仿真算力都很强，年轻人学习掌握新技术也很快。但是，对物理原理的理解以及分析和推理的能力，是创新和创造的基础，这是一个长期积累的过程。作为老师，应该早点传授给你们这种能力，但是，这种能力的培养更多地要依靠你们自己不断的学习、思考，形成对物理本质的深刻理解，养成优秀的科学素养。

4.2 时代背景与机遇

我能够进入载人航天工程，是一个非常偶然的机会。我硕士毕业后到国防科技大学任教，博士毕业继续在国防科技大学任教，出国学习一段时间，再回到国防科技大学，到1999 年离开，在国防科技大学待了21 年。按理说，我终身职业应该一直就是老师，我也非常热爱大学的教职。1992 年载人航天工程技术进行可行性论证，原国防科工委要求国防科技大学推荐一个老师参加论证工作。全校当时有8 个系，每个系推荐一个人。我的前任王永志总师，看了8 个人的情况，要了我这个学力学的，因为力学是航天最重要的基础之一，尤其是总体专业。因为我的专业背景，我参加了论证工作，才发生了后面一系列的事情。

4.2.1 我的初心：认真获取、理解并应用知识

同学们关心，怎么在人生关头做好重要选择，怎么去坚持初心？这问题挺难回答。初心应该是自己懂得一定的道理，形成基本人生观的时候最重要的东西。在我的中学时代，我就形成了世界观。我少年时代的初心非常简单，就是做一个有知识的人，长大以后做一个有用的人。那时候没有高考的机会，也无书可读，老师们深深影响了我，我对此记忆犹新。我当时就想，如果长大后没有受过大学教育，除了中文对其他语言一窍不通，没有达到我认为自己应该具备的基本的能力素质水平，会是我终生的遗憾。所以我想我能多年来坚持认真学习，在工作过程中坚持向不同行业的不同专家学习请教，都源于这份初心：我要认认真真获取知识、理解知识并且应用知识。

4.2.2 人生关头的选择：机遇与能力

再说选择。我人生选择的机会不多。第一个选择是高考，我选择了报考国防科技大学，当时叫长沙工学院。彼时中国已经十多年没高考了，我在湘西的大山沟里长大，没见过很大世面，应该怎么去做选择？首先，我的目标是想考一所好大学，所以我填志愿选了国防科大、中南矿冶和湖南大学等三所湖南最好的大学，而且填了不服从分配，由此保证我能上个好的大学，不行就来年再考。这就是我当时的选择。第二个是读研究生。我认为我应该换一个读书的环境，增长见识。所以选择了当时国内我认为力学最好的大连理工大学，因为那儿有前面我说到的一批非常活跃的力学专家。

博士就更简单了，念完研究生，导师劝我留在大连，因为饮食习惯，我选择回老家湖南。原本给我分到同济大学，但我心想还是长沙好。母校欢迎我，因此又回到了长沙。教了两年书以后又读了博士，然后再继续在学校任教。我前面说了，我去参加载人航天技术经济可行性论证的时候，那是学校委派的，不是个人的选择。

之后公派出国，原本去法国，由于学习法语要一年时间代价太大，所以我自己在美国找了一个教授资助，去美国工作一年多。在美国我有一个选择的机会，因为我拿的是H1B 工作签证。同事们以为我会留在美国，但是我待了一年多就回国了，为什么？道理也很简单。尽管当时我们国内的生活条件和美国差距很大，但我认为我的事业在国内，少年时代的初心始终在影响我。

另一个人生选择是参与载人航天工程。组织调我去北京，我对在国防科技大学的教学工作有很多留恋，我还远远没有达到自己给自己定下的退休前至少指导25 个博士毕业的目标，所以也留有遗憾。大工程的召唤对人很有吸引力，彼时我已经42 岁，绝没有想到要去当工程总师，因为我在经验上与毕业后就在航天工业部门工作的同学们相比，有将近20 年的差距。我很幸运，赶上了一个极其需要人才的时代。2006 年，我到北京工作的第七年，我接替了王永志总师，到今天17 年了，幸运地成为中国最受瞩目的重大科技工程的参与者和见证者。

这就是我做过的人生选择。从自己的经历看，我不否认会有一些重大的人生关头，肯定需要做一个选择。但关键的是什么？我觉得是能力，具备能力，被使命选中时才能把握机会。同时，不一定每次选择都关键，年轻人永远有把事情做好的机会和条件。我是在不惑之年参与载人航天工程，后来担任了工程总师。人生之中，一直会有努力的机会，努力没有捷径。另一方面，我从一个大学教授去当工程总师这种机遇也是时代的产物。

时代与机遇的确会影响发展路径。但是我认为只要努力，凭能力都能够获得好的发展，而且不管我们走什么道路，都可以满怀愉悦地去欣赏走过的路。我回过头来看我的知青生活也很有成就感，每一个人都应该有平淡之心，欣赏生命完整的历程。

5 启示和建议

5.1 总师做什么

大家也很关心总师做什么。我觉得作为总师，最重要的职责如下。

第一，一定要提出更高远的目标和更好的解决路径。这是我的最重要的职责和使命。举国之力开展大工程，要对全国人民交上完美的答卷，因此起步就必须瞄准高远的目标。这是第一要务。

第二，设计好系统，千军万马协同一致去工作。我们航天的行当可不能发生内卷，大家必须非常高效的协同在一起，紧密合作。

第三，在实践的过程中不断优化，与时俱进。尽管经过多轮论证，我们认识问题的水平会在实践中不断提高。一个长达十年、数十年的工程周期中，世界在不断变化，需要保持与时俱进。

第四，要用先进的理论和方法来促进技术进步。这也是我的重要职责。这些年我一直积极推动以工程实践来带动行业的发展和进步，例如可靠性、风险管理、基于模型的系统工程方法（model-based system engineering，MBSE）、数字化、一体化等。

第五，在不断的学习请教过程中，运用知识和经验来做出科学的判断。作为总师，有时用“孤家寡人”形容也不为过，决策非常难，需要足够的知识和足够的理论自信进行支撑。

5.2 对同学们的建议

最后，给同学们提六点建议。

第一点，希望大家高度重视基础知识的学习理解与融会贯通。大学的学习，解题技巧不是那么重要，掌握知识原理更重要。现在，工具软件很多，提供了很多有效的分析解决问题的手段，提高了效率。但是，一个优秀的软件工程师或者用户，必须掌握软件的建模原理和方法。如果只掌握技巧，有时很难做好仿真，或者很难判断仿真软件算出来的结果，可能不知道对不对，更难知道好不好。所以要重视基础学科的学习，掌握科学的原理，才能逐步养成洞察事物本质和规律的能力，升华知识，在工作中受益。

第二点，希望同学们要有广博的知识和系统的思维。更宽的知识面，才有可能形成从系统角度权衡决策的能力。用一句通俗的话，这叫多学科优化。现在很多行业都涉及了多学科，不再是一个牛顿或爱因斯坦凭脑袋就能想出一个不得了定律的时代，为了实现目标，我们时刻面临着权衡选择。所谓要有系统的思维，就是要从全局看问题。为什么钱学森先生强调系统工程？我举个简单的例子。在我们空间站初样研制阶段，遇到了火箭运载能力不足的问题。我们空间站3 个舱段的质量是22 吨，结果发现运载能力掉到了21吨多，问题就严重了，这运载差距怎么办？作为总师，我提出了一个很简单的解决思路：将火箭入轨近地点高度降低到170 千米左右，这是综合火箭和飞行器需求提出的新技术接口条件。航天一直是用200 千米的入轨近地点高度，为什么我说这件事情从原理上看最简单？原理在于这样可以降低势能损失，因为不需要把那么重的火箭送到那么高的位置。势能损失减少了，运载能力一定能够提高。最后实现了460 千克的载荷运载能力提升。就这么一个点子，一分钱没多花。所以说知识面非常重要，而这些知识基本都是大学学到的。

第三点，希望同学们有良好的团队精神。我想说，在航天这个行业，真是千人一杆枪、万人一杆枪、十万人一杆枪的事，个人的能力和知识面都非常有限。作为工程总师，如果我不对，我也得听别人的，不能以权力权威去挑战科学事实。科学技术要讲民主，一定要有高尚的品格。在一个大工程里，人格的魅力是每一个人能发挥作用并获得发展空间最重要的品质之一。大团队缺谁都可以找到替代者，但是你个人如果和队伍不能融洽在一起，能力再强也孤掌难鸣。品格和素养是发自内心的。在大学养成团队精神、协作精神，既要谦虚又要自信，既能坚持正确的东西，又能理解别人和被别人理解和接受，这都是一种能力，而大学是培养这种能力的地方。

第四点，希望同学们要坚持问题导向。习主席经常提到，搞工程搞科研，做好的东西不用自夸，只有坚持问题导向才能不断完善。希望同学们要自信但不能自负，不能自以为是。我就有一个不断完善自己的心态。有些同事问我为什么能多年保持奋斗精神。在我干航天的这些年中，开会基本不谈论成绩，都是在不断讨论问题。我希望我们的年轻同学也要有这种勇敢直面问题的精神，对自己的素质和品行都会产生很好的影响。

第五点，希望同学们要敢于质疑，多问几个为什么。现在问为什么的人太少了。解决工程问题往往有多条路径，要敢于大胆质疑合理性与正确性，探讨是否能够做得更好。只有大胆的质疑，才有发现问题、提出问题的机会和可能。这点都做不到，谈何创新？

第六点，希望同学们追求卓越。完美没有止境，追求卓越是人类社会发展进步的根本动力，是工程科技创新的核心动力。安于现状，很难有大的作为。

我一直就期望，在退休之前回大学教一段时间书，把一生所学所想所思，用更加简单、更容易听懂的方式分享给同学们。这也是我的初心。谢谢大家！