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【技术·航天】中国航天·吴浩,一个幕后勇者,长七甲全箭结构系统的有限元仿真分析大师

人在太空  · 知乎专栏  ·  · 2021-04-14 15:39

正文

8秒的视频,她看了千百遍,只为找到火箭失利的蛛丝马迹;顶住专家的质疑,她在跨界研究上赢得认可;她为仿真分析辟出新路,给火箭可靠性加码。

2021年3月12日,长征七号甲(简称“长七甲”)遥二火箭成功发射,当星箭分离的那一刻,正在指控大厅观看发射的总体设计部三室强度组副组长吴浩再也抑制不住心中的五味杂陈,从座位上站了起来,与同事相拥而泣。

从首飞到复飞,这一年中的艰辛,只有经历过才会懂。吴浩一直从事全箭结构系统的有限元仿真分析。去年,她从查找火箭失利原因着手,创新开展了多系统联合精细化有限元仿真分析,对相关系统开展深入的跨界研究,发现了产品在特殊情况下存在的潜在风险,并开展试验验证了自己的结论,通过在幕后默默地付出,为长七甲遥二火箭的复飞提供了保障,也为长七系列火箭的可靠性提升做出了贡献。

“机架变形了”

2020年3月16日,长七甲火箭首飞失利。谁是“真凶”?为了尽快找到答案,型号队伍的每个人都担着责任、顶着压力,夜以继日地工作着。总体设计部组织了专业团队进行仿真分析,吴浩所在的强度组就在其中,主要针对火箭二级出现的故障进行分析。

“当时压力还是挺大的,可用的线索太少,大家都是一头雾水,唯一的线索就是火箭二级4台发动机中的1台异常关机。”但是这个线索与二级后来出现的故障有什么关联呢?当时包括吴浩在内的许多人都摸不着头脑。

吴浩带着所有人的疑问,利用强度组多年来在大规模有限元分析方面的经验,仅用3天就对整个火箭二级建立了多系统联合的精细化有限元模型,其规模在行业内是空前的。

由于模型十分庞大,起初计算一次需要24小时,时间太长,吴浩就不断重建、细化模型,最终将模型计算时间缩减到3至4个小时。

“机架变形了”,经过近百次的仿真分析后,吴浩发现了这一现象。“几十毫米的变形对这个尺寸的结构很可能意味着破坏。”凭借多年的研究经验,吴浩敏锐地意识到这个问题。“但机架不是我们的产品,我们对它的了解是有限的。”吴浩不敢贸然下结论。

为了找到支撑证据,她开始一遍又一遍地研究火箭二级飞行的视频,8秒的视频,她看了不知多少遍,在模糊的画面中锁定每一个可疑细节,仔细判断,终于在一段画面中找到了一组断裂飞出的机架框。

对这些跨系统问题的研究是需要有足够的勇气的。“我给自己反复打气后,才将这一发现告诉了当时隔离在长征宾馆的型号队伍。”吴浩说。由于画面过于模糊,仅凭借图像实在难以判断,大家看法不一。“我也担心自己判断错误,影响了归零的进度。”

但型号领导对这个发现很认可,让吴浩继续分析,这给了她继续前行的勇气和信心。她请教了型号队伍多位专家,并继续完善模型,更加深入地开展仿真分析。

在长七甲火箭首飞后的第15天,吴浩完成了一份近百页的二级多系统联合仿真研究报告,这份报告成为了长七甲火箭首飞二级事件原因定位的关键支撑。

“我非常怀疑你的结论”

吴浩的研究发现虽然符合逻辑,但令所有人奇怪的是,为什么4台发动机中仅1台异常关机,就能引起如此严重的后果。“小吴,你还得继续分析,回答这个问题。”听完汇报后,型号领导对吴浩提出了要求。

为了找到原因,吴浩专门去库房观察了机架产品,发现机架是一个复杂的组合体,并非三维模型中看到的那么简单。于是,她将多系统联合模型中的所有模型进行重建,把机架中十分复杂的曲面几何都画了出来,并对所有正常的、异常的工况,一遍又一遍地分析。

那段时间,她一坐就是一整天,长时间快速操作鼠标,导致她的右手出现了“鼠标手”的症状,胳膊酸痛,抬不起来,只能下垂着,怕耽误进度,她索性就站起来,让胳膊保持下垂的状态,继续建模。

功夫不负有心人,经过一个多月的奋战,吴浩深度阐明了机架在异常三机工况下的特点和机理。那天晚上,她给自己放了个“假”,晚上8点多就回家了。半路上,路过以前经常光顾的一家零食店,她买了自己爱吃的烤冷面,“嗯,真香!”一种久违的感觉让她顿时轻松了很多。

2020年5月底的一天,是吴浩“交作业”的日子,针对她发现的问题和机理,型号队伍组织召开了一次讨论会,相关专业的领导和专家都参加了会议。会上,她详细阐述了自己的研究过程和结论。虽不是我院的产品,但经过两个半月细致入微的分析,她对自己的结论很有信心,汇报过程中也游刃有余。

但“一石激起千层浪”,她的话音刚落,一个专家就转过身,盯着吴浩,提出了一连串的质疑:“你的载荷取得对不对?你的建模对不对?你算出来的机架位移这么大,准确度有多少?”而且十分严肃地说:“我非常怀疑你的结论。”

吴浩看似平静地回答着专家的提问,心里却在打鼓,“这个问题将直接影响到长七甲遥二火箭能否按时复飞,如果我真的算错了,那就是给型号队伍‘捣乱’,是要耽误进度的。”虽然有些担心,但转念一想,“我就是做结构强度分析的,即使我算的和实际情况有出入,那也是非常接近的。”专业的自信以及两个多月的努力与付出为她增添了十足的底气和勇气。

既然发现了潜在的风险,就要插杆见底。为此,型号队伍决定通过试验来验证仿真结果。

“我们就要不辱使命”

不同于以往的联合试验,这次要开展的长七甲火箭二级燃箱与二级发动机机架的联合试验,是为了考核机架,发动机载荷工况必须考虑全面。但发动机载荷成分众多,全部因素组合起来高达近百种,是以往试验工况种类的近十倍,试验难度可想而知。同时,时间紧也是一大难题,如果试验过程发生破坏,就需要几个月的时间重新生产试验件。

空前的难度,没有挡住勇往直前的吴浩。“长七甲遥二火箭复飞在即,时间耽误不起,这次试验必须尽快完成。”吴浩给自己立下了“军令状”。

走别人没走过的路,就意味着要逢山开路、遇水搭桥。她通过对每个载荷工况进行详细的仿真分析,将近百种工况缩减到10种,并对10种载荷工况进行了更为深入的仿真,预测试验过程中会发生什么、有什么结果等等,最终形成了详细的试验方案。

为了准备试验方案,吴浩不知熬了多少个夜晚。去年七八月份最紧张的阶段,她在单位附近租了一个多月的房子,只为节省时间,方便加班。

2020年8月30日是女儿的6岁生日,早上出门时,吴浩对女儿说:“妈妈晚上8点多就回来,给你过生日。”女儿满眼欢喜,能和妈妈一起吃蛋糕了。结果下午6点多,吴浩发现走不了,就给女儿打电话说:“我晚上可能要10点多才能回去。”挂断电话后,这一忙就到了第二天凌晨3点,她把折叠椅一抻,睡在办公室了。听着外面施工的声音,看着窗外的月光洒在办公室的每一个角落,原本又累又困的她竟睡不着了,想起这是她第一次错过女儿的生日,心里难免有些愧疚,她想女儿了。

更让她觉得愧疚的是,平时因为工作忙,从孩子上小学到现在,她都没去过学校,没有接送过女儿一次。虽然心里不是滋味,但吴浩早已坚定信念:“型号相信我们,我们就要不辱使命。”

“你算的是对的”

试验方案确定后,就到了做试验的关键阶段。吴浩带着厚厚的试验仿真报告,与型号队伍一起,一大早就来到了天津。她还设计了一个硕大的表格,一列填好了每一级加载的仿真数据,另一列将用于填入试验实测数据。







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