曾耀祥：改變半個(gè)多世紀(jì)的火箭設(shè)計(jì)方法

張津澤　趙麗娜

“毛頭小伙”曾耀祥獨(dú)辟蹊徑，用半年時(shí)間改寫了沿用了半個(gè)多世紀(jì)的“載荷設(shè)計(jì)方法”，讓火箭結(jié)構(gòu)更輕，運(yùn)載能力更強(qiáng)。

載荷參數(shù)是火箭設(shè)計(jì)的依據(jù)，通常情況下，先有飛行載荷參數(shù)，再進(jìn)行火箭設(shè)計(jì)。航天一院“載荷設(shè)計(jì)方法”已沿用持續(xù)了半個(gè)多世紀(jì)。大家也已習(xí)以為常。2018 年初，30歲的“毛頭小伙”曾耀祥卻對(duì)“載荷設(shè)計(jì)方法”提出了質(zhì)疑，并獨(dú)辟蹊徑，最終用半年時(shí)間改寫了這一方法，讓火箭結(jié)構(gòu)更輕，運(yùn)載能力更強(qiáng)。

作為一名航天青年工程師，曾耀祥很好地踐行了“新總體”職責(zé)和使命，創(chuàng)新提出了彈性載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)方法，大幅降低了彈性載荷，為提升火箭性能提供了強(qiáng)力支撐。他牢記一部“引領(lǐng)”作用，針對(duì)新一代運(yùn)載火箭關(guān)機(jī)動(dòng)載荷大問題，創(chuàng)新提出助推反相位關(guān)機(jī)降低動(dòng)載荷方法，避免了某新火箭級(jí)間分離系統(tǒng)及多個(gè)部段重新設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，節(jié)約經(jīng)費(fèi)千萬量級(jí)，減載效果已在飛行中驗(yàn)證，高達(dá)86%。他善啃“硬骨頭”，主動(dòng)辨識(shí)現(xiàn)有火箭飛行qa放行門限設(shè)計(jì)隱患，制定了時(shí)變qa門限設(shè)計(jì)方法和實(shí)施流程，推廣應(yīng)用于各運(yùn)載型號(hào)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)消除和放行概率提升的目標(biāo)，具有重要工程意義。

立下“萬無一失、一失萬無”“軍令狀”

一道選擇題，物理學(xué)霸曾耀祥卻做成了多選題，“我覺得兩個(gè)都是對(duì)的”。這是高三某次重要的物理科目模擬考試，試卷講解環(huán)節(jié)，曾耀祥向老師闡述了自己選擇多選的理由?！袄蠋熡X得有道理，接受了我的觀點(diǎn)?！弊屧橛洃浬羁痰氖?，學(xué)校為此將物理試卷標(biāo)準(zhǔn)答案進(jìn)行了重新修改。

2009年從哈工大畢業(yè)后，曾耀祥以全系第一的成績，被保送到航天一院一部載荷與力學(xué)專業(yè)攻讀研究生，從此扎進(jìn)火箭載荷與力學(xué)環(huán)境研究。與當(dāng)年模擬考類似，他面臨一道新的必答題：如何提升火箭運(yùn)載能力。

近幾年，一院火箭發(fā)射密度大、新型號(hào)數(shù)量多，尤其是在現(xiàn)役火箭基礎(chǔ)上改進(jìn)升級(jí)的“長征七號(hào)甲”“長征八號(hào)”等新型火箭，結(jié)構(gòu)基本已經(jīng)確定，若采用原有的“載荷設(shè)計(jì)方法”，經(jīng)費(fèi)、周期和運(yùn)載能力必然受影響。

“這個(gè)問題不解決，新型火箭就得改結(jié)構(gòu)?！痹檎f，火箭一旦改結(jié)構(gòu)就意味著每個(gè)部段都得改，將增加很多試驗(yàn)，研制經(jīng)費(fèi)也會(huì)隨之增多，更重要的是研制周期必然受到影響。如何在不更改火箭結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，讓火箭“體重”更輕但運(yùn)載能力更強(qiáng)，這成為了研制難點(diǎn)。

一次，在“長征七號(hào)甲火箭項(xiàng)目討論會(huì)”上，型號(hào)總師再次提出這個(gè)問題，希望各個(gè)系統(tǒng)各自尋找突破口。曾耀祥的一句話打破現(xiàn)場(chǎng)的片刻沉寂，“我可以對(duì)‘載荷設(shè)計(jì)方法’做些優(yōu)化?！?/p>

早在幾年前，他就發(fā)現(xiàn)“載荷設(shè)計(jì)方法”有一定局限性。比如，方法對(duì)某個(gè)參數(shù)的選擇只給了一個(gè)區(qū)間值，而不是固定值。在實(shí)際應(yīng)用中，各型火箭通常選擇的都是最大值。參數(shù)有沒有優(yōu)化空間？能不能再精確些？勤于思考的曾耀祥通過前期梳理，發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)可以優(yōu)化的突破口，但他并不滿足于此?！叭绻皇沁@樣小修小補(bǔ)，最終呈現(xiàn)的也只是個(gè)半成品，我想要對(duì)整套設(shè)計(jì)規(guī)范重新梳理、優(yōu)化?！痹榻o自己設(shè)定了更高的任務(wù)目標(biāo)。

干航天需要熱情，也需要冷靜?；鸺拜d荷設(shè)計(jì)方法”經(jīng)歷了半個(gè)多世紀(jì)的考驗(yàn)，穩(wěn)妥可靠，不是說改就能改的。要改變，誰的心里都沒有底。曾耀祥也不例外。

“‘載荷設(shè)計(jì)方法’就像一個(gè)‘黑匣子’，沒辦法提前驗(yàn)證，必須完全正確，萬一錯(cuò)了，火箭就會(huì)在空中解體?！痹樘寡?，這項(xiàng)任務(wù)用“萬無一失、一失萬無”來形容毫不為過。

除了風(fēng)險(xiǎn)巨大，這項(xiàng)任務(wù)也伴隨著巨大的工作量。要改變現(xiàn)有的算法及參數(shù)，勢(shì)必要弄清楚原有的每一個(gè)參數(shù)是怎么來的，依據(jù)是什么，是否有效……更重要的是，參數(shù)都是半個(gè)世紀(jì)前確定的，還能查到它們的來源和依據(jù)嗎？

“當(dāng)時(shí)沒考慮那么多，只想這件事很有意義，哪怕是雞蛋碰石頭，也要試一試！”曾耀祥語氣堅(jiān)定。

汲取國內(nèi)外有關(guān)專業(yè)精華

優(yōu)化“載荷設(shè)計(jì)方法”只是曾耀祥工作的一小部分，上班期間，各種會(huì)議以及其他型號(hào)相關(guān)工作占用了他大部分時(shí)間。因此，曾耀祥只能利用休息時(shí)間干“副業(yè)”。

因?yàn)橹榔渲械碾y度，對(duì)優(yōu)化“載荷設(shè)計(jì)方法”，領(lǐng)導(dǎo)們并沒有施加壓力，但曾耀祥主動(dòng)給自己安排任務(wù)，同時(shí)根據(jù)“長征七號(hào)甲”火箭的立項(xiàng)時(shí)間安排自己的工作進(jìn)度，逼迫自己在不同節(jié)點(diǎn)完成不同工作。

從查閱資料著手，曾耀祥首先要弄清楚現(xiàn)有方法中各個(gè)參數(shù)的來源以及選擇依據(jù)，這說起來簡單做起來卻不易。

“一些原始數(shù)據(jù)無從查找，比如火箭飛行過程中的陣風(fēng)大小?！痹樵趦?yōu)化“載荷設(shè)計(jì)方法”過程中，汲取了國內(nèi)外有關(guān)專業(yè)的眾多資料精華，想方設(shè)法找來很多國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)，以及最新的研究進(jìn)展。

研究后期，他發(fā)現(xiàn)有個(gè)模型的參數(shù)無法確定，查閱了大量資料，一直沒有結(jié)論。下班后，曾耀祥一直在單位加班查找資料，他突然想到在航空工作的同學(xué)，考慮到工作上有很多相同點(diǎn)，他想讓同學(xué)幫忙找找資料，拿起電話就打了過去。同學(xué)接到電話很詫異;“你們搞什么研究，這么晚還四處要資料。”曾耀祥看了眼手表，才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)是晚上12點(diǎn)多了?！拔沂且粋€(gè)心里裝不下事情的人，遇到問題就著急趕緊解決。”近半年時(shí)間里，曾耀祥的一張張草稿紙上寫滿了密密麻麻、別人一看就會(huì)覺得枯燥無味的公式。

弄清60 多年前的設(shè)計(jì)思路、依據(jù)和原理

“要細(xì)化載荷設(shè)計(jì)規(guī)范，又要保證新的設(shè)計(jì)方法沒有問題，就得弄清楚60 多年前的設(shè)計(jì)思路、依據(jù)和原理。”曾耀祥想到了“載荷設(shè)計(jì)規(guī)范”的編寫者們。曾經(jīng)的編寫者如今都已經(jīng)八十多歲，得知曾耀祥的想法后，他們都很支持，但也提出了質(zhì)疑。

2018年2月的一天，曾耀祥拿著剛剛推導(dǎo)出來的概率參數(shù)，到一部載荷設(shè)計(jì)專家趙人濂家中，請(qǐng)他幫忙驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法是否可行。老人仔細(xì)看了“載荷設(shè)計(jì)規(guī)范”中給出的概率參數(shù)，發(fā)現(xiàn)與曾耀祥推導(dǎo)得出的參數(shù)不一樣。

“你的‘載荷設(shè)計(jì)方法’有問題?！崩先藢?duì)曾耀祥嚴(yán)肅地說道。

“我再給您演示一遍?！痹橐贿呍诩埳蠈懴伦约菏崂淼幕A(chǔ)理論，一邊解釋著推導(dǎo)過程中的每一步。

看著、聽著每一個(gè)推導(dǎo)步驟，老人最后認(rèn)同了曾耀祥的設(shè)計(jì)方法。

施鈞昭是“載荷設(shè)計(jì)規(guī)范”的編寫者之一，也曾對(duì)曾耀祥的設(shè)計(jì)方法提出過質(zhì)疑。

“雙重積分方法”是20世紀(jì)60年代提出的“載荷設(shè)計(jì)方法”之一，當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力還不強(qiáng)大，對(duì)參數(shù)只是簡化處理，過于保守。當(dāng)聽到曾耀祥關(guān)于“雙重積分方法”的優(yōu)化意見后，施鈞昭說：“之前的方法很穩(wěn)妥，你用新的方法提出的參數(shù)準(zhǔn)確嗎？”曾耀祥聽后，便趁著老人來單位開會(huì)的機(jī)會(huì)，將自己的推導(dǎo)模式驗(yàn)證給她看。最后，老人認(rèn)同了曾耀祥的設(shè)計(jì)方法。

2018年8月24日，曾耀祥優(yōu)化完成的“載荷設(shè)計(jì)方法”迎來“大考”，一部的10 余位相關(guān)專家組成的評(píng)審組，對(duì)曾耀祥的“載荷設(shè)計(jì)方法”進(jìn)行專題評(píng)審?！靶碌摹d荷設(shè)計(jì)方法’理論依據(jù)充分，參數(shù)翔實(shí)準(zhǔn)確，可以推廣應(yīng)用?！碑?dāng)天的評(píng)審會(huì)上專家給出了這樣的結(jié)論。

“當(dāng)?shù)弥约旱摹鳂I(yè)’通過大考，為火箭載荷設(shè)計(jì)作出這么大貢獻(xiàn)，你心里是什么感覺？”記者問。

“其實(shí)沒什么，我只是把自己的工作做好、做細(xì)而已?！睂?duì)一向不走尋常路的曾耀祥來說，從看似枯燥、繁重的工作中，感受到的卻是探索的快樂。

提出大膽想法獲得高度認(rèn)可

2018年，因火箭彈性載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)成果顯著，曾耀祥榮獲一部首屆領(lǐng)航功勛獎(jiǎng)，然而，在創(chuàng)新的道路上，他并未停止腳步。2019 年以來，以型號(hào)研制和專業(yè)建設(shè)為中心，他先后在“反相位關(guān)機(jī)降低動(dòng)載荷”“時(shí)變qa門限設(shè)計(jì)”等方面取得了新突破，充分體現(xiàn)了青年工程師銳意進(jìn)取，追求卓越的品質(zhì)。

2017年長征七號(hào)運(yùn)載火箭飛行數(shù)據(jù)分析時(shí)，面對(duì)看似正常的振動(dòng)數(shù)據(jù)，曾耀祥敏銳地發(fā)現(xiàn)了兩次飛行關(guān)機(jī)振動(dòng)響應(yīng)譜的差異，兩發(fā)狀態(tài)基本一致，為什么響應(yīng)差異較大？愛較真的他沒有輕易放過這個(gè)問題，而是通過全要素分析和海量仿真計(jì)算，最終定位為兩次助推關(guān)機(jī)相位差異。時(shí)間來到2019年，某新火箭研制過程中遇到了意料之外的難題——助推關(guān)機(jī)動(dòng)載荷大導(dǎo)致級(jí)間分離系統(tǒng)及多個(gè)部段結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不滿足要求，若更換分離火工品及加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，不僅增加研制周期和經(jīng)費(fèi)，且影響分離可靠性?；?017年研究結(jié)果，曾耀祥向型號(hào)提出了一個(gè)大膽的想法，即通過控制助推反相位關(guān)機(jī)降低動(dòng)載荷。要想實(shí)現(xiàn)反相位關(guān)機(jī)減載，助推兩兩關(guān)機(jī)時(shí)差必須控制在幾十毫秒，然而對(duì)于火箭這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)能保證嗎？剛開始他心里也打鼓，但還是選擇了迎難而上，在型號(hào)的支持下，他反復(fù)與控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)交流十余次，系統(tǒng)開展了全鏈路偏差統(tǒng)計(jì)分析和基于偏差模式下最小減載效果評(píng)估，最終形成了一套工程可用的反相位關(guān)機(jī)降低動(dòng)載荷方法。該方法有效解決了新火箭研制重要難題，經(jīng)飛行驗(yàn)證減載效果達(dá)86%。

火箭放行qa門限值是射前關(guān)鍵參數(shù)，制定時(shí)通常取設(shè)計(jì)qa最大值作為門限，幾十年來這一準(zhǔn)則從未改變，也似乎是安全可靠的。但，真的是這樣嗎？在2020年長征五號(hào)B運(yùn)載火箭首次飛行載荷復(fù)核中，曾耀祥提出了這樣的疑問。隨后，他自主開展了飛行和設(shè)計(jì)qa時(shí)變規(guī)律對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了當(dāng)前qa放行值的制定準(zhǔn)則存在不閉環(huán)的風(fēng)險(xiǎn)，得到了領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可和大力支持。

通過細(xì)致分析不同時(shí)段載荷特征，他提出了火箭時(shí)變qa門限設(shè)計(jì)方法和實(shí)施流程，將原來單一qa門限變?yōu)闀r(shí)變門限，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)險(xiǎn)消除和放行概率雙提升的目標(biāo)。在將新方法推廣應(yīng)用于各型號(hào)的過程中，需要依據(jù)每個(gè)型號(hào)每個(gè)部段的承載能力進(jìn)行載荷的迭代優(yōu)化，加班到深夜是常有的事，但他不怕吃苦，不怕繁瑣，竭盡所能的為每個(gè)型號(hào)的qa門限值進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，得到了各型號(hào)高度認(rèn)可。

這就是曾耀祥，一個(gè)愛鉆研、愛創(chuàng)新的普通航天工程師。工作以來獲得省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)、院級(jí)技術(shù)一等獎(jiǎng)9項(xiàng)、授權(quán)專利12項(xiàng)，發(fā)表論文20余篇，獲評(píng)院突出貢獻(xiàn)技術(shù)人員、一部領(lǐng)航功勛獎(jiǎng)、最美工程師等，入選航天一院青年拔尖人才、感動(dòng)人物。