国防科大校史馆里有一面院士墙,在这幅巨型画作里,细心的人会发现,有两位院士的容貌气韵极为相似,而且他们的名字也非常相近,——他们就是有名的“常州庄氏三院士”中的两位:庄逢甘、庄逢辰。
据了解,常州庄氏一门四兄弟中,有三人(庄逢甘、庄逢辰、庄逢源)当选了院士,而且三人都从研航空航天领域,这在中国科学界实属罕见。
庄逢甘,1925年出生于常州,空气动力学家。1952年至1957年任军事工程学院教授。长期从事导弹、火箭及再入飞行器的空气动力学研究试验和计算空气动力学的研究工作。于他在空气动力学学术研究方面,以及在组织领导空气动力学的试验基地建设、解决多种飞行器的气动力设计中的关键技术方面的成就,在空气动力学界及科学技术界担任了许多重要职务,对我国航空、航天事业的发展有重要影响,是我国空气动力学学科研究的主要倡导者和技术领导者。他于1980年当选为中国科学院学部委员(现为院士),1985年被选为国际宇航科学院院士。
庄逢辰,生于1932年,毕业于哈尔滨工业大学动力机械系,1970年至1991年1月先后在长沙工学院、国防科学技术大学航天技术系任职。火箭发动机和工程热物理专家,是液体火箭发动机学科学术带头人,为我国火箭、飞船发动机研制做出了重要贡献。2001年当选中国科学院院士。
庄逢源,1939年生于常州池塘沿,1962年毕业于北京大学物理系,在北大物理系任教多年,后在美国加州大学应用力学和工程科学系求学,师从“生物力学之父”、美国三院院士冯元桢教授,回国后在中日友好医院从事血液流变学、血液动力学、生物力学、生物医学工程研究工作。2006年当选国际宇航科学院通讯院士。
今天,小编给大家重点介绍一下庄逢辰和他的“燃烧”人生。
庄逢辰出生于1932年,上个世纪50年代,他在哈尔滨工业大学毕业,而后留在哈工大锅炉教研室任教。
在实际教学中,他体会到了陆游“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”的涵义,因为他发现了锅炉燃烧中问题很多,也因此萌发了燃烧科研的想法。
后来,他读到了苏联著名科学家、诺贝尔奖获得者、谢苗诺夫写的《燃烧与爆炸》一书,书中对火和电的发展进行了比较,说到火的研究远远落后于电。这更坚定了他立志研究燃烧的决心,从而开启了自己的“燃烧”人生。
开创液体火箭发动机燃烧学科
1960年,庄逢辰被派到苏联莫斯科动力学院进修燃烧理论。1961年4月12日苏联发射了世界上第一艘载人飞船,他坚信我国要发射载人飞船也必须要解决燃烧问题,从此他也就开始了自己的燃烧梦想。
1962年庄逢辰回国,由于国家航天事业发展的需要,庄逢辰被调入液体火箭机专业,肩负起为学生讲授“液体火箭发动机燃烧”的任务。
此时他发现,液体火箭发动机燃烧设计水平并不高明多少。虽然美、苏当时都已经研制出多种液体火箭发动机型号,但在研制中仍然缺乏可靠的理论计算模型和设计准则,主要依靠基于试验为主的边试边改方法。例如为了解决不稳定燃烧问题,美国用于登月的F-1发动机进行了1332次发动机试验和1337次108个喷注器的试验才研制成功;我国在研制东三、东四导弹液体火箭发动机时,也不断出现燃烧不稳定故障。
继而他又发现,当时能收集到的燃烧不稳定研究文献,包括公开出版的权威文献,都仅从经典控制理论出发,对液体火箭发动机实际燃烧过程只能作人为的假定、缺乏定量的分析。
而庄逢辰认为,发生不稳定燃烧,燃烧是主因,或者说是内因、是主要矛盾,控制只是外因。要解决这个问题,首先必须把液体火箭发动机的燃烧历程及其速率控制过程研究清楚。
他先从稳态燃烧研究开始,承担了红旗1号火箭发动机性能提高任务,与学生一起建立了推力室的液流试验台和喷雾试验台,开始进行推进剂的雾化和液滴蒸发和燃烧的试验研究和物理模型的建立。
20世纪70年代,他被调到国防科技大学前身的长沙工学院任教,学校当时归航天部(当时叫七机部)领导,他利用这一条件,深入到各液体火箭发动机研制单位调查研究,完成了教材《液体火箭发动机推力室设计基础》的编写任务,于1976年正式出版。该书既包含了实践内容,又加强了基础理论,被作为教材沿用10余年。
他自学计算机语言,利用当时学院计算机系刚刚研制完成的441B-Ⅲ晶体管电子计算机,运用他刚研究出来的液体火箭发动机燃烧模型,对某型号发动机的燃烧过程进行数值模拟计算,与实际型号的试车结果非常接近。据此撰写的论文《自燃推进剂火箭发动机燃烧室设计简化模型》在1978年10月中国工程热物理学会成立大会暨第一次学术会议上宣读,同时发表了所有计算源程序。
这是国内应用燃烧模型在计算机上对实际液体火箭发动机燃烧过程进行数值模拟计算的第一篇论文,受到研制单位和学术界的高度重视。
在钱学森鼓励下研究发动机燃烧
1978年6月,长沙工学院更名为国防科学技术大学,学校组建了燃烧理论和热学教研室,庄逢辰被任命为室主任。为了提高国内燃烧理论研究的水平,他组织研究团队建设了研究性实验室,美国、英国和俄罗斯的燃烧理论和液体火箭发动机专家都前来参观。他还翻译了当时美国刚出版的作为大学生教材的《燃烧导论》一书,此书于1981年出版,受到全国同行们的极大欢迎。
1981年,钱学森第二次到国防科大指导工作,给学校提出了17项国防前沿迫切需要研究的课题,其中第一项就是液体火箭发动机燃烧。
会后庄逢辰得幸向钱学森请教问题。
钱学森对他说:“不同的推进剂燃烧性能不一样,你能否算一算? 液体火箭发动机燃烧不稳定性也需要进一步研究,现在还没有掌握其规律。”
当时庄逢辰对钱学森说,“我大学学的是机械工程,后来调到动力机械系工作搞锅炉燃烧,现在又搞航天,是否行转得太多了。”
“学锅炉好啊!我大学学的是火车头,也是锅炉呢!”钱学森笑着说,“锅炉和液体火箭发动机只是研究的工程对象不一样,但很多基础理论是相通的。你不单可以研究液体火箭发动机燃烧,火箭导弹中的很多问题你都能够研究。”
这些话给了庄逢辰极大的鼓舞。
1983年,他邀请美国著名燃烧理论专家F.A.Williams来校讲学,举办了为期一个月的学习班。
1990年他将F.A.Williams1985年在美国正式出版的《燃烧理论-化学反应流动系统的基础理论》一书翻译成中文,并作为研究生教材,国外大学亦普遍应用此书作为研究生教材,被称为“天书”。
在这期间,他制订了一个详细的液体火箭发动机燃烧过程综合模型的理论和实验研究计划,提出了要研究的8个模型和4种计算方法,根据航天技术发展的需要,结合研究生的培养,逐步开展研究。这一计划,得到著名航天专家任新民的大力支持。
当时上海航天局801所正在研制用于331工程的发动机(后来成为了长征3号运载火箭的一级发动机FY-20),委托庄逢辰率领的团队完成该发动机燃烧室计算模型研究。他带领3位老师、5位研究生创立了液体推进剂高压蒸发和燃烧模型并得到实验验证。进一步研究成功自燃推进剂火箭发动机高压燃烧过程计算模型,减少了正在研制中的FY-20发动机的试车次数,缩短了研制周期,节省了研制经费,为我国331工程第一颗同步通信卫星(东方红2号)的及时成功发射作出了贡献。航天部上海航天局对这个项目研究成果组织了鉴定,认为该模型是国内最早提出的一项开创性模型,其中偏二甲肼和四氧化二氮高压蒸发模型在国际上首次提出。该项目获得了国家科技进步三等奖。
1985年、1987年,他们开展用于发射东方红3号卫星的FC-5远地点发动机采用不同推进剂的燃烧性能和高空比推力分析。研究结果为东方红3号卫星于1997年5月12日成功发射作出了贡献。
1988年,他们开展用于长三甲第3级的YF-75发动机燃烧室燃烧过程仿真计算和气氢液氧同轴式大流量喷嘴的理论和试验研究两个课题。同年,他还与上海航天局801所签订了液氧/烃推进剂燃烧问题研究的课题。
1993年,他带领大伙完成了我国自主研究成功的CAFILRE液体火箭发动机燃烧流场分析计算模型、以后又发展成YF-75发动机喷注器燃烧过程三维数值模拟软件,对YF-75发动机的燃烧过程进行计算,为设计人员准确了解燃烧室内部细节和正确选择设计参数提供重要的依据,受到设计人员的欢迎。
(这两个项目先后获军队科技进步一、二等奖)
为载人航天提供技术支撑
1991年庄逢辰被调到国防科工委指挥技术学院,但他仍是国防科大的兼职教授, 后来又成为特聘教授,继续指导国防科技大学的博士生和科研工作。他的主要研究方向仍然是液体火箭发动机燃烧。
20世纪90年代,我国开始实施921载人航天工程。载人航天对液体火箭发动机的燃烧稳定性提出了更高的要求。当时正是我国研制飞船轨控发动机的关键时刻和艰难时期。这时,庄逢辰把主要精力放在液体火箭发动机燃烧稳定性研究上。经过两年理论和试验研究,完成了“MMH/NTO火箭发动机燃烧声学不稳定性和声腔阻尼的数值评定技术”,这项成果应用在神舟1-4号试验飞船和2003年10月15日我国首次载人航天飞行以及以后的各种飞行中, 飞船轨控发动机和姿控发动机的燃烧非常稳定,保证了飞船的成功变轨和返回。同时也圆了他1961年想的能为我国載人飞船发射作出点贡献的梦。
至此,虽然他在20世纪60年代创导的液体火箭发动机燃烧模型和数值仿真的研究已经在我国好几个型号的研制中得到了具体应用,但他认为应用还不够普遍,有待进一步推广,而且他提出的模型和数值仿真方法还需要进一步发展。
1993年12月,意外不期而至。那天北京刚下过雪,庄逢辰骑车去情报所的路上不慎摔倒,股骨颈骨折。卧床期间,他带着伤病仔细整理30余年写的液体火箭发动机燃烧讲义、讲稿、研究报告、发表的100多篇论文以及其他有关文献,对原有成果进行再创造、再提高,创立了一个新的学科体系,在轮椅上完成了学术专著“液体火箭发动机喷雾燃烧的理论、模型及应用”的写作,以后又到上海801所和北京11所就该书内容作介绍和报告。
1995年该著作正式出版后,得到两弹元勋任新民院士,上海航天技术研究院孙敬良院士,美国宾洲大学推进研究中心杰出教授、《Jet Propulsion Power》主编Vigor Yang等国内外专家的高度评价,公认该书是我国第一部系统建立和详细介绍液体火箭发动机喷雾燃烧的理论、模型及及应用的专著,对液体火箭发动机新设计方法的应用和本学科的发展起到了重大推动作用。该著作获得国家科技进步二等奖。
对燃烧科学无尽的追求
上世纪90年代,庄逢辰几乎参加了我国所有天地往返运输系统的各种讨论,他提出了单级入轨可重复使用运载火箭燃烧关键技术研究和氢氧双混合比发动机的燃烧和传热研究,继续不断完善已有的科研成果。2000年,他的“MMH/NTO火箭发动机燃烧声学不稳定性和声腔阻尼的数值评定技术”项目获得军队科技进步一等奖。与此同时,他作为主要完成人之一、由上海航天局801所申报的“神舟试验飞船推进舱双组元2500N轨控发动机”也获得国防科工委的国防科学技术二等奖。
2001年,庄逢辰当选中科院院士。他把更多精力放在燃烧先行研究的创导和工程热物理学科发展的年轻人才的培养上。2003-2013年担任了工程热物理学科国家重点实验室评估组的组长和自然科学基金工程与材料科学学部的评审组组长,并为成立有关先进发动机燃烧关键基础科学问题的国家自然科学重点基金项目而作出努力和为培养年轻科技工作者竭尽所能。
庄逢辰对燃烧科学研究有着无尽的追求,十分推崇钱学森的技术科学思想,是钱学森的技术科学思想的践行者。他认为燃烧基础研究一定要走在型号研制的前面,为型号研制提供创新的思想、新的技术、新的方法。他常说:我知道的要比我想知道的少得多,我能做的比我想做的少得多,我做的又比我能做的少得多,我做出有些成绩的又比做过的少得多,我现在还有很多要学的东西。
他开创的燃烧模型和数值模拟学术方向在很长一段时间内有很多人还不认可。上世纪80年代,当时庄逢辰研究的液体火箭发动机燃烧模型和数值仿真科学计算还是一门正在发展中的新兴学科,远远没有成熟,很多人还看不清,甚至不相信。当时国内正传唱着一首台湾校园歌曲:蜗牛和黄鹂鸟。庄逢辰对学生说:我是赞扬蜗牛精神的,不要等葡萄熟了才往上爬,那时没有意思了。正因为没有成熟,我们的研究才更需要、更有价值、更有挑战性,同时也更需要我们更加努力。
当选院士后,他积极响应百名院士进百校的号召,在各高校和中学作航天推进技术的发展历程、现状与将来、深空探测推进技术、奔月推进技术、超燃发动机的发展和燃烧问题等各种科普报告,上世纪90年代他就十分关注各种新型航天推进的发展和应用,到各高校介绍爆震理论和爆震推进技术,支持西北工大从事脉冲爆震发动机的研究,2002年提议国防科技大学研究连续旋转爆震发动机研究。
2012年5月中国工程热物理学会授于庄逢辰突出贡献奖。颁奖辞这样写道:
“他传承着“两弹一星”的“艰苦奋斗、无私奉献”之精神。他是崛起之音的谱写者,讴歌出中华儿女的强国之音。他淡泊名利,寒窗苦守,终硕果累累,桃李芬芳。他心系国家,鞠躬尽瘁,终梦圆天际,铸中华豪情。他点石成金,琢朴成器,春风化雨,润物无声。他严于律己,宽以待人,以行立教,以德立身。60载潜心燃烧研究,终硕果累累。一甲子燃烧精神绽放,滋挑育李,芬芳遍神州。他是知识的宝藏,科学的旗帜,知识分子的楷模,他就是庄逢辰院士。”
他在接受颁奖后讲了自己是怎样开始研究燃烧的,并且说到上世纪谢苗诺夫说的有关火和电的发展速度即使在今天也是如此。现在有关以电为主的装备差不多都是以莫尔定律的速度发展,而以火为主的发动机研制却往往是拖后腿的瓶颈。我应该为改变这一状态继续努力。但我更把希望寄托在年轻人身上,相信年青一代一定会改变这种状态。
2015年8月,他光荣退休了。但他还依然担任着863-702项目火箭基连续旋转爆震发动机研究的总指导、国家安全重大基础研究项目“新一代液体火箭发动机不稳定燃烧产生机理与抑制方法研究”的技术指导和专家组成员和国家自然科学基金重大研究计划“面向空天发动机的爆震燃烧的应用基础研究”研究顾问和项目实施指导。航天科技集团六院液体火箭发动机技术国防科技重点实验室学术委员会委员,激光推进国家重点实验室学术委员会副主任,关心中国工程热物理学会下设的爆震与新型推进专业委员会的发展和年轻人的成长,积极参加科学院和工程院的多项战略研究项目的讨论和工作。
庄教授今年已经85岁,但他说应以明洪应明所著《菜根潭》中语“日既暮而犹烟霞绚烂,岁将晚而橙桔芳馨,故末路晚年君子更宜精神百倍”自勉,始终不忘初心,燃烧筑梦永远在路上、永远走在航天路、向大家学习、向年轻人学习,尽我所能,做好力所能及的工作!
责任编辑：陈颖
