文/本刊記者 方丹敏 校園記者 方林煜

宇航學院的大樓未來感十足，一樓走廊上掛著我國探索太空的標志性事件，其中有一幅是2010年10月，我國成功發(fā)射“嫦娥2號”繞月探測器，兩年后的2012年12月，“嫦娥2號”在距離地球700萬公里處與圖塔蒂斯（TOUTATIS）小行星擦身而過，拍攝下高分辨率光學圖像，首次實現(xiàn)了我國對小行星的飛越探測。

“圖塔蒂斯”與深空軌道設計

圖塔蒂斯是人類已知體量較大、對地球構成極大威脅的近地小行星，這個在外太空看上去形似花生的小行星，與地球的距離一直很“玄乎”。從1992年開始，圖塔蒂斯每隔四年就悄然接近地球一下。嫦娥2號這次貼身800米史上最近探測獲得的數(shù)據(jù)，對探求小行星內部結構與形成演化、撞擊地球概率、太陽系形成起源、地球生命是否為隕石“播種”等科學問題有重要參考價值。

“嫦娥2號對圖塔蒂斯探測擴展任務，就是我們團隊做的深空軌道設計和復核工作，因為這個工作我們還獲得了國家科技進步二等獎?！庇詈綄W院深空探測技術研究所的徐瑞教授介紹。

1. 宇航學院深空探測技術研究所團隊合影

2. 宇航學院深空探測技術研究所所助力“嫦娥2號”近距探測Toutatis小行星

3. 深空探測分布式仿真與綜合演示驗證系統(tǒng)

徐瑞教授身兼飛行器總體設計和航天器系統(tǒng)與自主控制兩個方向的博士生導師，“圖塔蒂斯小行星探測的擴展任務是升空之后才做的，嫦娥2號圍繞月球對整個月球拍照的任務都完成了，它的壽命還有，雖然能量、推進劑等剩得不多了，但是大家想，能不能再往遠處走一走？但它怎么飛？什么時候出去？什么時候到達那個地方？這里面有很多難點，比如說本來沒有計劃去，要按剩的能量設計一個低能量的軌道，還是挺費勁的。當時崔平遠教授、喬棟教授、尚海濱副教授等老師帶著學生一起設計，做了很多工作，設計了一條最優(yōu)的低能量飛行軌道，得到了各方面的認可?！?/p>

像這樣到地球引力場范圍外更遠的星體進行探測，叫深空探測，我國正在進行的一項深空探測是計劃2020 年實施的火星探測任務。深空探測是航天技術發(fā)展的新領域，北理工宇航學院對此從建院開始已經(jīng)做了十來年研究，在國際上，深空相關技術很多都亟待研究和突破。

宇航學院深空探測技術研究所目前有三個主要研究方向：深空軌道設計、自主導航和自主技術。

軌道設計。21世紀迎來了第二次深空探測熱潮，軌道設計有很多技術創(chuàng)新，“怎么計算，怎么設計，怎么省能量，都是研究方向”。關于軌道問題，深空探測有很多方案，現(xiàn)在的研究工作側重于太陽系內天體的探測軌道，探測器在太陽系里飛的時候受不同星體的吸引，設計軌道時要綜合考慮，特別是在某些地方達到平衡受力，這時候改變軌道的能量低，這里面有很多軌道設計的理論和方法。

自主導航。深空探測器飛出去之后，靠什么確定位置和飛行姿態(tài)？GPS或北斗？抱歉它們只能用于衛(wèi)星和地面導航。深空探測器飛的時候怎么樣，到的時候怎么處理，比如火星著陸的時候，怎么知道你著陸的是預設的哪個點，這就需要自主導航技術。深空探測自主導航技術國內比較早開展研究的正是宇航學院的學科帶頭人崔平遠教授，崔教授作為國家“深空973”項目首席科學家，聯(lián)合航天科研院所、高校、中科院等單位對行星精確著陸自主導航與控制技術進行了深入的研究。

自主技術。飛向火星的深空探測器發(fā)回地球一個信號要耗時20多分鐘，這個通訊大時延使得靠地面遙控航天器幾乎不可能。北理工宇航學院正在研究的自主技術類似人工智能，就是讓航天器自主執(zhí)行任務，不需要地面控制。目前該技術已經(jīng)應用到高光譜衛(wèi)星上，隨著上天的衛(wèi)星越來越多，衛(wèi)星自主運行可以解決地面控制日益超荷的局面。深空探測技術研究所研制衛(wèi)星自主管理系統(tǒng)，就是讓包含了自主技術的衛(wèi)星能夠七天無地面干預地自主運行，所有的軌道、姿態(tài)、觀測、通信等控制都是線上自己產(chǎn)生，只需要告訴它要看什么地方就行，飛的過程中衛(wèi)星自己來判斷怎么做。

巨型天線機構折疊 空間結構力學與控制

2016年8月，由中國建材總院所屬輕工業(yè)鐘表研究所研制的衛(wèi)星天線展開動力機構，被成功應用于我國第一顆地球同步軌道移動通信衛(wèi)星——天通一號01星。該動力機構是大口徑環(huán)形天線的重要組成部分，為天線反射器的展開提供持續(xù)穩(wěn)定的動力，并且具有驅動力矩大、運動平穩(wěn)、體積小、質量輕以及可靠性高等特點。

兩年前的八月，這則言簡意賅的消息，可能會被很多人忽略，如果對比一下美國在這方面的技術，就能更好理解該技術對國防安全的意義：美國利用大口徑環(huán)形衛(wèi)星天線進行電子偵察，能監(jiān)聽外國無線電通信，包括地面與核潛艇之間的通信。有些衛(wèi)星利用巨型天線甚至能發(fā)現(xiàn)水下某些深度內的潛艇。但是，這類巨型天線對自身精度要求很高，尺寸太大無法整體發(fā)射，只能使用復雜的機構折疊后裝入火箭，進入太空后再展開，展開后還要保證天線精度，技術要求極高。

4. 環(huán)形桁架天線地面展開實驗

5. 通信衛(wèi)星及其環(huán)形桁架天線

6.空間大型可展開反射器

隨著航天科技的發(fā)展，人們通過衛(wèi)星實現(xiàn)了天地之間的通信，并為地面高速移動通信提供了重要手段。天地之間的通信主要依靠大口徑拋物面天線反射電磁波來實現(xiàn)。天線口徑越大，發(fā)射的電磁波信號質量就越強。因此，通信衛(wèi)星的天線口徑已突破10米，并正向更大口徑發(fā)展?！澳壳?，我國大部分運載火箭的直徑只有3.5米，最新研制的長征五號火箭的直徑也只有5米，無法將大口徑衛(wèi)星天線直接發(fā)射并送入軌道。最可行的辦法是，將天線設計成可折疊、可伸展的機構，猶如一個變形金剛。衛(wèi)星發(fā)射前，將天線折疊成起來；衛(wèi)星發(fā)射進入軌道后，再讓天線展開鎖定，形成一個拋物面來反射電磁波。”北京理工大學宇航學院動力學與控制方向的研究組田強教授介紹?！斑@也正是宇航學院的科研方向和動力：一是契合國家對航天科技發(fā)展需求，二是軍民融合需求推動?！?/p>

田強教授繼續(xù)專業(yè)科普：“比如我們經(jīng)常在新聞里看到航天器太陽能帆板的展開，還有我們國家未來迫切需求的大口徑的天線，都需要空間的結構與動力學控制方向的專業(yè)研究。天線有各種各樣的，有平板的，直線式的，伸出去長達幾十米甚至數(shù)百米，還有像傘一樣環(huán)形的,口徑小的幾米，大的幾十米。因為這種大的空間結構很難在地面上建立無重力的實驗環(huán)境，所以必須通過一些力學的方法、理論來建立動力學模型進行分析，在分析模型里把重力扣除后獲得結構的動力學特性數(shù)據(jù)，為設計單位提供參考。我們組長期致力于這方面的研究，基于多年的動力學基礎理論的研究，開發(fā)了一套大型柔性空間結構動力學分析程序，為我國航天部門設計這些結構提供重要的參考數(shù)據(jù)，可幫助工程師改進大口徑衛(wèi)星天線的設計?！?/p>

“未來的空間探測需要更大尺度的天線結構，但是通過單一結構展開的已經(jīng)不能滿足航天任務的需求，必須通過在軌的組裝，即分成很多模塊一個個展開再組裝。這種結構非常復雜，展開過程中任何地方有卡死整個任務就失敗，不管經(jīng)濟價值還是研究人員付出的心血全都報廢，所以必須在地面進行充分研究論證才可行?！碧飶娊淌诮榻B，“這些結構也是我們現(xiàn)在正在論證和研究的對象，主要開展系統(tǒng)的動力學建模與分析、動特性設計與優(yōu)化和地面縮比實驗三方面研究工作。相關研究需要科研人員具有強烈的創(chuàng)新意識：已有的方法無法奏效，相關技術涉及行業(yè)秘密也無法從國外引進，必須依靠自主創(chuàng)新。從基礎理論出發(fā)堅持不懈，實現(xiàn)方法、算法及其實驗技術的突破。”

國際合作與自主創(chuàng)新培養(yǎng)創(chuàng)新領軍人才

“根據(jù)學?！p一流’建設的整體部署，宇航學院‘航空宇航科學與技術’和‘力學’兩個一級學科進入‘運載裝備與制造’與‘高效毀傷及防護’兩個雙一流學科群建設行列，以學科建設為龍頭，大力推動學院事業(yè)全面發(fā)展。持續(xù)提升人才培養(yǎng)質量是雙一流建設的重要任務。面向我國航空航天等國防領域的需求，學院堅持立德樹人，堅持思想引領，構建本碩博貫通培養(yǎng)體系，并且不斷強化國際合作與自主創(chuàng)新兩大抓手，聚焦培養(yǎng)思想正確、基礎堅實、本領過硬、具有使命意識和擔當意識的創(chuàng)新領軍人才?！北崩砉び詈綄W院副院長龍騰教授介紹。

2004年，龍老師以本科生的身份公派赴俄羅斯薩馬拉國立航空航天大學開展4個月短期訪學，完成本科畢業(yè)論文，對學院的國際化步伐和發(fā)展很有感觸?！拔覀兒蛧H上很多飛行器動力學與控制領域的優(yōu)勢高校與知名教授建立了長期的合作關系。例如：宇航學院無人飛行器自主控制技術研究所與德國慕尼黑工業(yè)大學飛行器系統(tǒng)動力學研究所簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，致力于科學研究、學生培養(yǎng)以及聯(lián)合實驗室建設等方面的合作；響應國家‘一帶一路’的倡議，學院正在與阿聯(lián)酋籌備建設無人機技術領域的聯(lián)合實驗室。依托‘飛行器動力學與控制’學科創(chuàng)新引智基地，學院每年邀請大批國際知名學者到校學術訪問，開展聯(lián)合科研、課程講授以及學生指導等方面的工作。學院連續(xù)兩年舉辦研究生暑期學校，邀請帝國理工學院、麥吉爾大學等一流大學的知名教授到校講授研究生課程。進一步豐富了學生國際化培養(yǎng)的形式，拓展了國際合作辦學與科研的規(guī)模?！?/p>

力學學科動力學與控制方向的帶頭人榮吉利教授介紹，“我們培養(yǎng)的學生，首先在科研戰(zhàn)略走向上有著清晰的認識，學生的科研方向依托于實驗室科研項目，并且將學術前沿與工程需求相結合。”學院與航天、兵器等研究院所形成了長期的優(yōu)秀人才培養(yǎng)機制，將理論研究與工程實踐相結合，在注重科技創(chuàng)新的同時，同步培養(yǎng)協(xié)作與溝通能力，培養(yǎng)同學們投身航天事業(yè)的使命感與榮譽感，大部分同學畢業(yè)主動投身航天、兵器等國防行業(yè)，并能迅速完成角色轉換開展科研工作，當工作中遇到技術難題也會主動學校尋求支持與合作。這種良性互動下培養(yǎng)的學生的優(yōu)點，被榮老師概括為：面向行業(yè)、科研自主、人格獨立。

7.指導研究生開展實驗研究

8.宇航學院大樓公共區(qū)域

“我們每年派30多位本科生出國訪學，從最開始的俄羅斯，到德國、西班牙、荷蘭、加拿大，合作面不斷擴展。研究生也有大量赴國外參加學術會議、開展學術交流以及科學實驗的機會，在國家留學基金委、學校研究生院、學院以及導師的多方資助下，越來越多的研究生赴海外知名高校攻讀學位或者進行聯(lián)合培養(yǎng)。2017年學院研究生申報國家留學基金委公派研究生項目的人數(shù)翻了一番，而且獲批率高到100%?！饼堯v副院長介紹。面向空間結構組裝過程中對新型緩沖軟材料的需求，博士研究生羅凱同學公派赴哈佛大學進行聯(lián)合培養(yǎng)，在胡海巖院士與美國工程院院士鎖志剛教授的聯(lián)合指導下開展軟材料的動態(tài)力學性質研究。

學院高度重視學生科技創(chuàng)新，組建了技術精湛、高度負責的指導教師隊伍，以專業(yè)學科背景為依托，以學生自主創(chuàng)新為主體，積極組織本科生與研究生參加國內外多種創(chuàng)新比賽并屢獲佳績。例如：2017年，宇航學院“飛鷹隊”戰(zhàn)勝麻省理工學院、賓夕法尼亞大學、帝國理工學院、卡內基-梅隆大學、蘇黎世聯(lián)邦理工大學等世界名校，獲得穆罕默德·本·扎耶德國際機器人挑戰(zhàn)賽“無人機移動目標偵測及自主起降”項目冠軍；2018年，航模隊在英國國際大學生飛行器設計大賽上勇奪載重飛行組冠軍。