科技創(chuàng)新不渝志 逐夢航空發(fā)動機

孫雅琴

航空工業(yè)被譽為“現(xiàn)代工業(yè)的皇冠”，而航空發(fā)動機則是“皇冠上的明珠”，是國家綜合實力的重要標(biāo)志之一。航空發(fā)動機是一種技術(shù)含量極高的工業(yè)產(chǎn)品，其制造成本占整架飛機的20%～30%，飛行器劃時代的突破，都直接與航空發(fā)動機的技術(shù)進步有關(guān)系。

在北京航空航天大學(xué)能源與動力學(xué)院副教授張偉昊看來，航空發(fā)動機是當(dāng)今世界上最復(fù)雜的、多學(xué)科集成的工程機械系統(tǒng)之一，涉及氣動熱力學(xué)、燃燒學(xué)、傳熱學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、控制理論等眾多領(lǐng)域，需要在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速的嚴酷條件下工作，并滿足推力/功率大、重量輕、可靠性高、安全性好、壽命長、油耗低、噪聲小、排污少等眾多十分苛刻而又互相矛盾的要求。扎根航空發(fā)動機研究的關(guān)鍵一環(huán)，張偉昊主要從事航空發(fā)動機熱力循環(huán)、航空燃氣渦輪內(nèi)部流動與換熱機理、渦輪氣動設(shè)計技術(shù)、實驗測試技術(shù)等研究。

科技創(chuàng)新不渝志，逐夢航空發(fā)動機。張偉昊一直在用科學(xué)為航空發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展保駕護航。

以夢為馬的科研創(chuàng)新之路

張偉昊出生在一個知識氛圍濃厚的家庭。因為母親是一名中學(xué)教師，從小家里各類雜志期刊數(shù)不勝數(shù)，其中更不乏軍事類的刊物。幼時張偉昊最愛做的一件事情，就是和親戚家的小孩一起共享刊物，并在耳濡目染間對航空航天領(lǐng)域萌生了巨大興趣。

從小到大，優(yōu)秀一直與張偉昊如影隨形。高考時，優(yōu)異的成績也讓他有了更多的選擇權(quán)?！半m然當(dāng)時的高考分數(shù)完全能夠選擇報考北京航空航天大學(xué)最好的專業(yè)，但當(dāng)時心底的聲音一直在告訴我：一定要學(xué)習(xí)發(fā)動機相關(guān)專業(yè)。”張偉昊說。而父母也十分尊重他的決定，并鼓勵他在自己喜歡的專業(yè)上努力學(xué)習(xí)，積累經(jīng)驗。

從本科到博士，張偉昊在北京航空航天大學(xué)度過了自己珍貴的青春時代。在多年的學(xué)習(xí)、積累下，他于2013年6月順利獲得了流體機械及工程工學(xué)博士學(xué)位，并在此之后順利進入了北京航空航天大學(xué)力學(xué)博士后流動站工作。從博士到博士后，張偉昊先后師從陳懋章院士、鄒正平教授、李椿萱院士從事科學(xué)研究，老一輩科研工作者治學(xué)嚴謹，對待科研熱忱的態(tài)度，給張偉昊留下了深刻印象。“有些院士年過70還扎根在科研一線，給我們年輕人做出了良好的表率，這些精神都是我們需要學(xué)習(xí)的。”張偉昊說。

從本科到博士后，張偉昊在北京航空航天大學(xué)度過了十幾年的科研時光。“這些年來，不管是科研思路還是解決問題的思路，基本上都是集中在團隊內(nèi)部進行的?！彼f。為了能夠拓寬自己的科研視野與研究思路，張偉昊于2014年5月前往香港大學(xué)機械工程系從事研究工作。

在香港大學(xué)的一年時間里，張偉昊除卻參與航發(fā)項目之外，還參與到了流體機械的項目中。在這一過程中，他接觸到了不同的企業(yè)，且有機會前往華為等相關(guān)企業(yè)基地進行定期交流。這些經(jīng)歷讓張偉昊產(chǎn)生了很大的感觸，并讓他學(xué)習(xí)到了大型企業(yè)行走在科技前沿的同時，怎樣更好地將科學(xué)技術(shù)落地生根，為他今后科研工作的開展奠定了堅實的基礎(chǔ)。

科技助力祖國航空航天

“航空發(fā)動機領(lǐng)域可能與其他領(lǐng)域有所不同，其研究成果是以5年、10年為周期的?！睆垈リ徽f。在他看來，航空發(fā)動機之所以重要，是因為很多國家根本不具備研制航空發(fā)動機的能力，主要原因是，航空發(fā)動機集成了現(xiàn)代工業(yè)中的很多尖端技術(shù)，系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜，航空發(fā)動機和國家的冶金、橡膠、石化、輕工、電子、機械等基礎(chǔ)工業(yè)部門關(guān)聯(lián)度很高，它的制造衡量著一個國家的綜合工業(yè)能力。

作為一名航空航天研究者，張偉昊時刻在提醒著自己要甘于寂寞，在航空發(fā)動機研究領(lǐng)域不斷攻關(guān)，用科研技術(shù)服務(wù)于祖國的科技發(fā)展。

大渦模擬是近十多年來發(fā)展起來的研究湍流運動的一種重要手段，它為研究許多流動機理問題提供了更為可靠的方法，在航空發(fā)動機領(lǐng)域也有著十分重要的應(yīng)用。在此之前，張偉昊的師兄成功研發(fā)了大渦模擬的程序。在這一基礎(chǔ)上，張偉昊考慮到了換熱對于發(fā)動機渦輪部件的影響，并對這一程序成功進行了改進與升級。

除此之外，張偉昊還與領(lǐng)域內(nèi)的華人學(xué)者合作出版了燃氣渦輪氣體動力學(xué)領(lǐng)域的唯一英文專著，并在書中系統(tǒng)總結(jié)和評述燃氣渦輪氣體動力學(xué)領(lǐng)域新的物理現(xiàn)象和設(shè)計方法，為航空燃氣渦輪基礎(chǔ)研究水平和工程設(shè)計能力的提升提供了重要支撐。除此之外，他還探討并給出了多學(xué)科耦合問題及設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在渦輪設(shè)計中的應(yīng)用前景和途徑，為未來航空發(fā)動機低壓渦輪先進設(shè)計技術(shù)的發(fā)展指明了方向。

一直以來，陳懋章院士都在教育自己的學(xué)生：“搞科研要有懷疑精神，更要有一竿子插到底的務(wù)實精神和創(chuàng)新精神”，要從機理出發(fā)解決非常實際的工程問題，以及用戶使用過程中的科學(xué)工程問題。在科學(xué)研究中，張偉昊也希望自己能將理論到工程貫穿起來，做出更多成績。

功夫不負有心人，通過多年的科研探索，張偉昊首次獲得的渦輪前緣流動精細結(jié)構(gòu)，給出了前緣感受性對復(fù)雜壓力梯度與大曲率耦合影響下的邊界層演化機制，提出了基于葉片前緣線型曲率可控布局的流動控制策略和技術(shù)，獲得國際認可并被多次引用。同時，針對渦輪端區(qū)流動控制問題，基于對渦輪尖區(qū)多尺度旋渦結(jié)構(gòu)時空演化的準(zhǔn)確把握，明確了渦輪三維葉頂受限空間內(nèi)的主控旋渦結(jié)構(gòu)，并提出基于主控旋渦定制演化的泄漏流動控制技術(shù);從泄漏渦與通道渦的相互作用機制出發(fā)，發(fā)展了基于多尺度旋渦非定常耦合的尖區(qū)流動摻混損失評估和抑制方法;在此基礎(chǔ)上，充分考慮結(jié)構(gòu)強度的約束，給出了渦輪轉(zhuǎn)子葉頂三維造型參數(shù)選取準(zhǔn)則，形成強魯棒性的渦輪尖區(qū)多尺度流動控制技術(shù)。目前，這些成果已進入我國多個航空發(fā)動機主力研究院所的設(shè)計體系，成功應(yīng)用于多個低壓渦輪部件的研制，獲得顯著效果。

孜孜不倦培養(yǎng)科研人才

致天下之治者在人才，成天下之才者在教化。“在大學(xué)里，我們的根本任務(wù)還是要培養(yǎng)人才。搞科研能解決我們行業(yè)與社會的一些需求，但是培養(yǎng)人才會對我們整個社會的貢獻更大?！睆垈リ徽f。因此在入職北京航空航天大學(xué)之后，張偉昊就以服務(wù)國家重大戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，以培養(yǎng)航空發(fā)動機人才為己任，將教書和育人緊密結(jié)合，并積累了屬于自己的教學(xué)心得。

在本科課堂教學(xué)中，張偉昊十分注重對學(xué)生的“引導(dǎo)”與“啟發(fā)”，充分提高學(xué)生的積極性和參與度，以老師的“教”激發(fā)學(xué)生的“學(xué)”。值得一提的是，其在本科教學(xué)期間就帶領(lǐng)著自己的學(xué)生編寫了相關(guān)程序，解決了困擾某研究所多年的問題。“在盲評過程中，我們用自己研發(fā)的程序進行分析、總結(jié)的數(shù)據(jù)特點，和研究所實際出現(xiàn)的問題能夠完全對應(yīng)?！睆垈リ徽f，這項成果讓他頗為自豪。

張偉昊深知，本科階段學(xué)生們有繁重的學(xué)習(xí)任務(wù)，在這一背景下，他們還通過業(yè)余時間自學(xué)去完成程序設(shè)計，這讓張偉昊由衷地感受到新一代青年學(xué)子身上的可塑性。為了培養(yǎng)學(xué)生們開展科學(xué)研究的能力，張偉昊在給自己的學(xué)生安排科研任務(wù)時，也會告誡他們：希望他們不要僅僅關(guān)注結(jié)果，更要在完成課題的過程中融入自己的思考，以提升學(xué)生在科學(xué)研究中的自主思考能力。

優(yōu)良的教學(xué)引領(lǐng)，也帶給張偉昊一系列榮譽。從事教學(xué)工作多年來，他先后擔(dān)任4門課程的主講教師，授課600余學(xué)時，累計選課1300余人次，參與2項教改項目（“氣體動力學(xué)（2）”“航空發(fā)動機設(shè)計”），參與1項國家一流課程建設(shè)，作為國家精品課團隊成員2019年獲“北京高校優(yōu)秀本科育人團隊”，獲“我愛我?guī)煛眱?yōu)秀青年教師、“優(yōu)秀導(dǎo)師”、生產(chǎn)實習(xí)“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”等獎勵。

“一直以來，航空發(fā)動機就是個挑戰(zhàn)很大、門檻也很高的行業(yè)，在20世紀90年代之前，國家的重視程度有限，想要有一番作為也沒有那么大的空間。但現(xiàn)在的情況不一樣了，國家在這一領(lǐng)域的投入非常大，對年輕人來說是很好的機會?！睆垈リ徽f?，F(xiàn)如今，他也全身心投入兩機重大專項的相關(guān)研發(fā)中，力求和團隊成員們通過10年或更長時間的努力，將我國的航空發(fā)動機水平提升至一個新的臺階。