自制火箭發(fā)射架，保送清華

唐雪

孟齊志是清華大學(xué)機(jī)械工程系研究生。作為一名“機(jī)械迷”，他在北京科技大學(xué)本科階段就玩轉(zhuǎn)各大競(jìng)賽；大四保研后，他開(kāi)始埋首科研，從事結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的相關(guān)研究。從競(jìng)賽狂人到學(xué)術(shù)小生，孟齊志對(duì)機(jī)械專業(yè)的熱愛(ài)始終如一。

自制火箭發(fā)射架

在2012年全國(guó)科研類航空航天模型錦標(biāo)賽中，孟齊志作為校航模隊(duì)火箭組成員，初踏競(jìng)賽之路。

他所在小組的參賽項(xiàng)目是模型航天器，大功告成之際，團(tuán)隊(duì)將場(chǎng)地選在奧森公園觀光塔西側(cè)的草地。隨著火箭的升空，大家卻發(fā)現(xiàn)火箭姿態(tài)向北側(cè)傾斜。最后燃料燃盡，火箭在降落傘的鉗制下順利著陸，但偏離目標(biāo)位置太遠(yuǎn)了。隨后的多次試驗(yàn)亦如此。

為此，小分隊(duì)就地開(kāi)會(huì)。在明確排除了火箭自身性能因素后，他們分析起了外界環(huán)境。發(fā)射位置，地面狀況，天氣情況都尋因未果，孟齊志遂將目標(biāo)鎖定在火箭發(fā)射架上，他發(fā)現(xiàn)這個(gè)發(fā)射架是上一屆火箭組的遺留成品，由相機(jī)三腳架改裝而成。改裝后的發(fā)射架，比三腳架多了一項(xiàng)約束火箭初射階段軸線位置的裝置，即添加了四根發(fā)射導(dǎo)軌用以約束火箭外圓柱面。

隨后，孟齊志發(fā)現(xiàn)了這一改裝的缺陷：其導(dǎo)軌裝置是通過(guò)螺栓將一端固定在基座上，長(zhǎng)期以來(lái)的使用已使導(dǎo)軌產(chǎn)生較大的彎曲變形，不能保證精度要求了。另外，如果使用的火箭型號(hào)有差別，直接導(dǎo)致大型號(hào)火箭不能發(fā)射，小型號(hào)火箭與導(dǎo)軌存在發(fā)射間隙。這一系列問(wèn)題對(duì)火箭發(fā)射軌跡造成了直接的干擾，他決定對(duì)發(fā)射架進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

為避免之前發(fā)射架存在的問(wèn)題，孟齊志打算將導(dǎo)軌兩端固定置于發(fā)射框架上，以增大導(dǎo)軌剛度，并且采用彈簧收線原理，實(shí)現(xiàn)上下固定平面八個(gè)固定點(diǎn)同時(shí)同速（向內(nèi)或者向外）收縮或者擴(kuò)張，以此發(fā)射不同直徑火箭。在此基礎(chǔ)上，他打算再多集成一些輔助功能，比如說(shuō)調(diào)節(jié)發(fā)射平臺(tái)水平位置，發(fā)射框架空間立體姿態(tài)全面覆蓋，發(fā)射初始狀態(tài)圖像采集與傳輸?shù)取?/p>

經(jīng)過(guò)反復(fù)的修整，設(shè)計(jì)工作基本完成，接下來(lái)需要進(jìn)行實(shí)物制作了。受限于金屬材料的加工條件限制，孟齊志決定使用木質(zhì)層板作為主要材料。經(jīng)過(guò)一個(gè)多月的努力，發(fā)射架初具雛形，還加上了風(fēng)速儀、攝像頭、水平儀等裝置實(shí)現(xiàn)了附加功能。然而，小組沒(méi)有找到合適的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)“收線”功能。他說(shuō)：“原因是彈簧剛度很大，一般的小電機(jī)無(wú)法驅(qū)動(dòng)。而采用大電機(jī)，又將無(wú)法供電。”

項(xiàng)目擱置了近兩天的時(shí)間，作為負(fù)責(zé)人的孟齊志焦急萬(wàn)分。當(dāng)他坐在工作臺(tái)前苦思解決方案時(shí)，突然注意到了工作臺(tái)下放置的一把手鉆，頓時(shí)捕捉到了靈感。何不直接改成手動(dòng)操作，利用傘齒輪傳動(dòng)？這樣，既能節(jié)約空間，又能實(shí)現(xiàn)大扭矩輸出。于是，他們立刻行動(dòng)起來(lái)，改裝實(shí)驗(yàn)室被廢棄的手鉆，成功地實(shí)現(xiàn)了“收線”功能。

在出發(fā)赴賽的前一天，小組完成了發(fā)射架的全部設(shè)計(jì)、加工和組裝工作。當(dāng)天，隨著“3、2、1發(fā)射”的口令，火箭模型直飛云霄，在藍(lán)天劃出優(yōu)美的弧線，發(fā)射架實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的全部功能，一舉奪得科技創(chuàng)新一等獎(jiǎng)。

三改智能車

全國(guó)賽歸來(lái)，孟齊志對(duì)活動(dòng)愈發(fā)著迷，開(kāi)始積極備戰(zhàn)智能車校內(nèi)賽。比賽按照賽道識(shí)別傳感器的不同分成了光電組、電磁組和攝像頭組。孟齊志加入光電組，主要負(fù)責(zé)安裝和調(diào)整光電傳感器。

光電傳感器的安裝程序復(fù)雜，先要根據(jù)預(yù)期提出方案，再繪制設(shè)計(jì)圖紙，然后根據(jù)圖紙加工制作并進(jìn)行安裝調(diào)試。而最大的難題就是方案的不確定性，預(yù)期的方案和最終賽道測(cè)試的結(jié)果通常存在一定的差異。作為小組中唯一的機(jī)械專業(yè)隊(duì)員，孟齊志又肩負(fù)起了車體機(jī)械結(jié)構(gòu)搭建的任務(wù)。

最初，他大膽提出設(shè)計(jì)方案，利用木質(zhì)層板，將光電傳感器進(jìn)行定位，再將定位好的傳感器固定到支架上?？紤]到支架需要有足夠的強(qiáng)度、盡量小的密度以及合適的機(jī)加工性能，孟齊志決定選用鋁合金材料。第一款支架由一根水平固定的角鋁和一根豎直與車體前部剛性連接的鋁條組成，凝聚了他的創(chuàng)新思維。

然而，孟齊志完成車模搭建的第二天，便接到另一名隊(duì)友的電話：“車?？焖俎D(zhuǎn)彎時(shí)，傳感器繞豎直的鋁條有小幅的扭振現(xiàn)象。同時(shí)，調(diào)試過(guò)程中光電傳感器也出現(xiàn)了無(wú)端損壞的情況。”孟齊志頓時(shí)緊張起來(lái)，趕到調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)和隊(duì)友一起分析問(wèn)題的原因。二人反復(fù)拆裝車模，終于有所發(fā)現(xiàn)：“第一問(wèn)題的原因可能是支架慣性較大，而一根鋁條的剛度不足；第二問(wèn)題的原因可能是光電傳感器的金屬外殼直接接觸角鋁，造成干擾?！?/p>

確定原因后，孟齊志立即著手改進(jìn)。為了增大支架的剛度，他將原先的一根鋁條改成兩根。新的問(wèn)題又滋生了，兩根鋁條勢(shì)必增大了支架的質(zhì)量。他當(dāng)機(jī)立斷，顛覆先前的經(jīng)驗(yàn)，選用了更小型號(hào)的鋁條，以保證剛度和質(zhì)量。同時(shí)，為了避免傳感器受干擾，他找來(lái)絕緣膠，涂裝在角鋁的表面。

再次測(cè)試時(shí)，扭振現(xiàn)象被有效抑制，但光電傳感器仍然無(wú)端損壞。孟齊志從隊(duì)友那兒得到了一條重要的修改線索：“可能是因?yàn)檎{(diào)試人員身上帶有靜電，在調(diào)試過(guò)程中，難免會(huì)觸碰到支架上的傳感器，導(dǎo)致傳感器靜電擊穿。”在第三次方案修改時(shí)，他苦苦冥思：“如何既能讓調(diào)試人員可以觸碰，又不引起靜電擊穿呢？”連續(xù)幾天，孟齊志都寢食難安。突然有一次，他靈機(jī)一動(dòng)：“最簡(jiǎn)單的做法就是增加保護(hù)罩！”

孟齊志興沖沖地跑去場(chǎng)地，卻又面臨一個(gè)障礙：在原有的支架上增加保護(hù)罩，會(huì)導(dǎo)致保護(hù)罩和支架不容易固定在一起。孟齊志只好舍棄當(dāng)初辛苦搭建的支架，用盒鋁代替角鋁。同時(shí)，他將盒鋁的寬面一側(cè)用銑刀銑出一排圓孔，作為傳感器對(duì)環(huán)境信息采集的通道，將盒鋁內(nèi)部進(jìn)行絕緣膠涂裝，繼續(xù)沿用木質(zhì)層板定位的方法將傳感器置入盒鋁內(nèi)，這才實(shí)現(xiàn)了盒鋁的雙重角色——充當(dāng)支架和保護(hù)罩。

經(jīng)過(guò)三次改進(jìn)，孟齊志終于制作出完美的光電傳感器安裝架，也助團(tuán)隊(duì)的智能車成功完成比賽要求，獲三等獎(jiǎng)。這次經(jīng)歷，也讓孟齊志愈加迷戀機(jī)械專業(yè)所滌蕩出的獨(dú)特魅力。

初探拓?fù)鋬?yōu)化

隨后，孟齊志陸續(xù)參加了華北五省機(jī)器人大賽、校節(jié)能減排、“搖籃杯”、機(jī)械創(chuàng)新等科技比賽，頻頻折桂。大四時(shí)，他免試進(jìn)入清華大學(xué)機(jī)械工程系直接攻讀博士學(xué)位，因此他的學(xué)士論文獲得了本校和清華導(dǎo)師劉辛軍教授的聯(lián)合指導(dǎo)。在劉教授的建議下，他將畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文題目定為“并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的拓?fù)鋬?yōu)化方法與應(yīng)用”。

剛接觸此課題時(shí)，孟齊志感覺(jué)十分有趣：“并聯(lián)機(jī)床是由并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主要傳動(dòng)部分的機(jī)床，那什么是并聯(lián)機(jī)構(gòu)呢？比如，人用手端起杯子喝水這個(gè)動(dòng)作，有兩種方式，一是伸出一只胳臂，用手握住杯子，遞到嘴邊；二是伸出兩只胳臂，同時(shí)握住杯子，捧到嘴邊。第一種方式的手臂即傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)構(gòu)；第二種方式中的兩只手臂一起動(dòng)作，相當(dāng)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)。顯然，兩只手比一只手要穩(wěn)，反映在并聯(lián)機(jī)構(gòu)上，就能體現(xiàn)為精度高，剛度大等特點(diǎn)?！彼呍O(shè)的工作就是利用拓?fù)鋬?yōu)化方法，去尋找一種最優(yōu)的并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。那什么是拓?fù)鋬?yōu)化呢？做了大量調(diào)研后，孟齊志發(fā)現(xiàn)，拓?fù)淇衫斫獬山Y(jié)構(gòu)的輪廓或形狀，拓?fù)鋬?yōu)化就是設(shè)計(jì)區(qū)域在約束條件下，尋找到一種結(jié)構(gòu)輪廓，使其結(jié)構(gòu)的某項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最好。

初期的興奮勁兒一過(guò)，孟齊志開(kāi)始緊張起來(lái)。雖然課題的應(yīng)用對(duì)象有師兄的一些相關(guān)研究作為參考，但優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)手段繁復(fù)多樣，水平參差不齊，從中要找一個(gè)出彩的研究方法，難度很大。他在均勻化方法、變密度法、漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法以及水平集方法等算法上舉棋不定。察覺(jué)孟齊志的問(wèn)題后，劉教授對(duì)他的研究思路進(jìn)行了整體把控，詳細(xì)解釋數(shù)學(xué)模型的求解方法，助他打通“任督二脈”。最終，孟齊志找到了核心思路，即利用變密度法，建立優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型?！皩?dǎo)師建議我利用優(yōu)化數(shù)學(xué)模型構(gòu)造拉格朗日函數(shù)，再用Kuhn-Tucker極值條件推導(dǎo)出迭代準(zhǔn)則。”

在建模過(guò)程中，挑戰(zhàn)接踵而至。他遇到理論上最為關(guān)鍵的地方——數(shù)學(xué)模型的顯式表達(dá)和函數(shù)對(duì)自變量的靈敏度分析。為此，孟齊志反復(fù)查文獻(xiàn)，翻專業(yè)教材，伏案進(jìn)行理論的推導(dǎo)。“在那段時(shí)間，我滿腦子都是數(shù)學(xué)模型和解算過(guò)程，有時(shí)連看到生活中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)、優(yōu)美的輪廓都能讓我聯(lián)想起一個(gè)拓?fù)涞^(guò)程。”一個(gè)月后，他通過(guò)在MATLAB數(shù)學(xué)軟件中編程計(jì)算，設(shè)計(jì)出了滿足性能要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

通過(guò)四個(gè)月的努力，孟齊志最終以先進(jìn)的變密度法，成功地優(yōu)化出并聯(lián)機(jī)床關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。

目前，孟齊志正讀博士研究生一年級(jí)，在縱橫交錯(cuò)的模型函數(shù)和求解算法的關(guān)系中，在傳統(tǒng)理論與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題的岔路處，他正在初試課題“振型節(jié)點(diǎn)主動(dòng)設(shè)計(jì)”，也正在尋求創(chuàng)新“變密度法懲罰模型改進(jìn)”。

責(zé)任編輯：曹曉晨