謝明昊

2021年9月17日13時(shí)30分許，“神舟十二號(hào)”返回艙在東風(fēng)著陸場安全降落。返回艙的安全著陸離不開一種名叫“燒蝕材料”的固體放熱材料。當(dāng)“神舟十二號(hào)”返回艙完成任務(wù)返回地球時(shí)，稠密的大氣層是它的必經(jīng)之地。高速的飛行速度使返回艙和空氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，由此而放出的熱量瞬間可高達(dá)8000℃～10000℃，燒蝕材料在這個(gè)過程中吸收釋放的大量熱量燒掉自己的一部分，同時(shí)使周圍的溫度降低以保證航天器本體安然無恙。

因此，針對燒蝕層材料在燒蝕狀態(tài)下熱-力耦合變形過程中的力學(xué)特性及損傷機(jī)理問題研究是力學(xué)、航空、航天、材料等學(xué)科研究所關(guān)注的熱點(diǎn)。面對不斷提高的研究要求，原有的檢測方法已經(jīng)無法滿足這些不同于常規(guī)機(jī)械運(yùn)動(dòng)環(huán)境的特殊問題，迫切需要新的檢測方法和手段來解決這些問題。

解決國家的重大需求是科研人員矢志不渝的目標(biāo)?！白鲆活w光學(xué)測量領(lǐng)域的‘螺絲釘，服務(wù)于國家，解決國家的實(shí)際問題，是我畢生的心愿。”作為青年一代的科研工作者，西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院副教授郭翔說出了自己的心聲。

與光學(xué)測量結(jié)緣

時(shí)間回到15年前，23歲的郭翔剛開始攻讀研究生，在西安交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院跟隨導(dǎo)師梁晉教授進(jìn)行動(dòng)態(tài)測量技術(shù)的研究。他參與了梁晉教授的課題——“基于工業(yè)近景攝影測量的系列三維輪廓坐標(biāo)與變形應(yīng)變快速檢測系統(tǒng)”，并和課題組一起獲得了陜西省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。雖然彼時(shí)的郭翔只是一個(gè)年輕的博士生，但是從進(jìn)入課題組開始，他與光學(xué)測量便結(jié)下了不解的緣分。

在郭翔看來，與二維圖像信息相比，依托三維信息的三維光學(xué)變形應(yīng)變測量技術(shù)，能夠測量物體的動(dòng)態(tài)形態(tài)與形變，大大擴(kuò)寬了光學(xué)測量技術(shù)的應(yīng)用范圍，但當(dāng)時(shí)國內(nèi)還沒有這方面的技術(shù)，進(jìn)口設(shè)備昂貴，一套設(shè)備高達(dá)兩三百萬元?！拔覀儺?dāng)時(shí)想做的就是研發(fā)中國自主產(chǎn)權(quán)的三維光學(xué)測量設(shè)備?！?/p>

從簡單的三維表面檢測，到復(fù)雜的三維運(yùn)動(dòng)及姿態(tài)變形檢測，再到最后的三維變形應(yīng)變檢測，郭翔和課題組一步一步攻克難題，向著目標(biāo)邁進(jìn)。最終在2013年，“復(fù)雜工況三維全場動(dòng)態(tài)變形檢測技術(shù)”獲得了國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，在國際上處于先進(jìn)水平。以該技術(shù)為依托的三維光學(xué)系列測量設(shè)備基本已經(jīng)能替代國外的進(jìn)口設(shè)備，價(jià)格也降到了國外設(shè)備原有價(jià)格的一半到三分之一。這樣對整個(gè)工藝領(lǐng)域提供了巨大幫助的研究成果，讓身為參與者的郭翔感到自豪。

博士畢業(yè)之后，2014年，郭翔來到西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院開始博士后的工作，合作導(dǎo)師是李玉龍教授。在這里，他的研究逐漸轉(zhuǎn)向超高溫材料/結(jié)構(gòu)、超高應(yīng)變率變形等復(fù)雜測量問題，走入了新的領(lǐng)域。

解決科學(xué)難題

郭翔的新研究對象是燒蝕材料等超高溫材料/結(jié)構(gòu)。在高溫環(huán)境中，燒蝕材料本身能發(fā)生分解、熔化、蒸發(fā)、升華等多種吸熱的物理化學(xué)變化，借助材料自身質(zhì)量消耗帶走大量熱量，從而阻止熱傳導(dǎo)到材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，在航空、航天、能源、冶金、化工、信息等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用。

在人們熟知的“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)事故里，航天飛機(jī)在返回過程中由于隔熱層碎屑撞擊致使機(jī)翼和機(jī)體爆炸，導(dǎo)致了悲劇的發(fā)生。因此，對在燒蝕狀態(tài)熱-力耦合條件下，燒蝕材料和結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究需求日益迫切。但是在高溫變形測量中，數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)面臨更為復(fù)雜的變形測量環(huán)境，燒蝕材料在空氣環(huán)境中會(huì)發(fā)生燒蝕，導(dǎo)致散斑紋理相關(guān)性退化，從而導(dǎo)致高溫?zé)崃︸詈献冃螠y量無法順利進(jìn)行。

面對迫切需要一種新的可適用于燒蝕狀態(tài)下耦合變形的全場、非接觸測量方法的情況，郭翔開啟了研究工作。他曾在國家自然科學(xué)青年基金項(xiàng)目“復(fù)合材料高溫沖擊全場三維動(dòng)態(tài)變形檢測方法研究”中，積累了豐富的高溫高應(yīng)變率耦合條件下材料力學(xué)性能測試經(jīng)驗(yàn)。

郭翔從最基礎(chǔ)的光譜學(xué)原理入手，對燒蝕狀態(tài)下耦合變形的過程做了完整的光譜分析，并在傳統(tǒng)數(shù)字圖像測量技術(shù)上結(jié)合了人工智能的方法，實(shí)現(xiàn)了燒蝕層復(fù)合材料從室溫未燃燒狀態(tài)到燃燒結(jié)束的全周期測量?！盁g材料從室溫20℃一直燃燒到超高溫狀態(tài)再到火焰熄滅后的熱力耦合變形過程，整個(gè)全周期的健康狀態(tài)或者結(jié)構(gòu)性能，我們都可以進(jìn)行評估?！贝送?，在郭翔的講述里，他們對復(fù)雜運(yùn)轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的實(shí)際健康狀態(tài)擁有完全自動(dòng)化且高精度匹配的評估機(jī)制，這對國家現(xiàn)在的航空航天結(jié)構(gòu)是否可以再次優(yōu)化，或者現(xiàn)有的燒蝕材料和結(jié)構(gòu)能否進(jìn)一步提升性能，提供了很好的技術(shù)支撐。

除此之外，對于C919、運(yùn)-20、彩虹系列等飛機(jī)的機(jī)翼尺寸不斷增大且結(jié)構(gòu)愈趨復(fù)雜所帶來的安全問題，郭翔也在關(guān)注著。以翼展為40m～50m的大型飛機(jī)為例，其在飛行過程中的翼尖上下位移量超過了1米，如此大的變形會(huì)導(dǎo)致機(jī)翼的載荷分布發(fā)生變化，偏離設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而嚴(yán)重影響飛行器的設(shè)計(jì)壽命和安全性?！耙虼耍裔槍C(jī)翼變形在線監(jiān)測等實(shí)際變形測量問題，建立了相機(jī)柔性自標(biāo)定方法，解決了測站隨機(jī)振動(dòng)、多視場同步及超大尺寸結(jié)構(gòu)的變形測量問題，提高了無人機(jī)的安全性和可靠性，減少了無人機(jī)的維護(hù)費(fèi)用和相關(guān)的災(zāi)難事故發(fā)生。”

郭翔的在線監(jiān)測技術(shù)也不只在無人機(jī)上應(yīng)用，“比如我們和中石油合作，對輸油管線進(jìn)行健康檢測;和中車集團(tuán)合作，對高鐵的車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康評估;還有對新能源風(fēng)電葉片的結(jié)構(gòu)測量檢測等。我還是希望能為國家解決一些實(shí)際的問題，進(jìn)一步提高咱們?nèi)嗣竦纳钯|(zhì)量”。從這些研究工作中，郭翔感受到了自身研究為社會(huì)帶來的巨大作用，收獲了滿滿的成就感。

“園丁”的傳承

在郭翔做研究的道路上，導(dǎo)師梁晉的治學(xué)態(tài)度讓他印象深刻。梁晉教授經(jīng)常在凌晨兩三點(diǎn)才離開辦公室，沒有節(jié)假日的概念，幾乎每天都在工作?！坝錾咸剿餍录夹g(shù)，做不完他是不會(huì)休息的。這樣充沛的精力和拼搏的精神，一直影響著我，在遇到科研瓶頸的時(shí)候，我會(huì)以老師為榜樣，努力堅(jiān)持下去?！?/p>

伴隨著博士后工作的結(jié)束，郭翔選擇了留下，他正式成為西北工業(yè)大學(xué)的一名青年教師，開啟了“授人以漁”的教師生涯?！拔冶容^認(rèn)可孔子說的‘因材施教，有教無類的教育理念，因?yàn)閷W(xué)生和學(xué)生之間是不一樣的，我要去了解他們每個(gè)人的想法和興趣?！惫枧e了一個(gè)很生動(dòng)的例子，他說老師就好比花園里的園丁，找到每棵樹的問題，對癥下藥，才能幫助它們茁壯成長。這是一段師生互相成就的過程，老師信任學(xué)生，學(xué)生也信任老師，每個(gè)人都能在最適合自己的領(lǐng)域發(fā)展。

如今，郭翔所在的教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)“飛行器結(jié)構(gòu)/材料沖擊動(dòng)力學(xué)行為研究”讓他受益匪淺，團(tuán)隊(duì)帶頭人李玉龍老師是長江學(xué)者，培養(yǎng)出了很多優(yōu)秀的中青年骨干。能與這樣優(yōu)秀的科研工作者一起學(xué)習(xí)和工作，郭翔感到十分榮幸。這樣一支以中青年學(xué)者為研究骨干，新生力量蓬勃發(fā)展，年齡結(jié)構(gòu)合理，活躍在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界，且具有很強(qiáng)創(chuàng)新力和凝聚力的研究團(tuán)隊(duì)，也讓郭翔對未來充滿了期待。

面對國家“智能制造”的呼吁，依托西北工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)的支持，郭翔將化身三維工業(yè)測量領(lǐng)域的一顆“螺絲釘”，繼續(xù)探索如何讓三維光學(xué)測量技術(shù)更好地服務(wù)于國家發(fā)展，為國家建設(shè)貢獻(xiàn)自己的力量。

（責(zé)編：蘇寒山）