北航“空天飞行器抗冲击与热防护技术创新团队”隶属于航空学院固体所，团队指导教师杨嘉陵教授，团队成员包括刘虎、杨先锋和马静轩三位博士研究生。团队在杨教授的指导下积极开展科研活动，以探索空天飞行器抗冲击与热防护技术为己任，立足国际学术前沿和服务国家战略需求，勤奋学习、刻苦钻研、团结协作、勇于创新，参与国家科技重大专项项目、国家自然基金重点项目、国家自然基金面上项目等课题，取得多项创新性的研究成果，团队成员以第一作者或学生第一作者发表SCI论文25篇，多人次获得博士研究生国家奖学金、北航博士研究生卓越学术基金和北航优秀研究生、优秀党员、优秀学生论文奖等荣誉，团队于2018年11月荣获研究生优秀科技创新团队奖学金（全校共5支团队获得该项奖励）。
空天飞行器是一种通过地球大气层飞向空间，直奔既定目标，或自空间返回地球、或者在地球轨道上，或者在大气层内做长期持续飞行的高速运载飞行器。空天飞行器在军事、民用等方面都能发挥巨大作用，它既可以搭载乘客进行太空旅行以及对自然灾害进行快速响应，又是现代化高技术战争中夺取制空权、实施精确打击的镇国利器。然而，作为空天飞行器研究不可分割的重要组成部分，复杂的结构体系使其存在一系列重要应用力学问题，因此，以安全、可靠、耐久、低成本为目标的一体化设计技术，是型号设计中必须解决的关键性问题。正是在这样的历史使命下，北航航空学院“空天飞行器抗冲击与热防护技术创新团队”应运而生。
应国家之需承发展之重
在空间应用需求的持续牵引和航空航天技术的发展推动下，新型空天飞行器研究已成为当前国际前沿领域。针对国家对空天飞行器发展的重大需求，根据我国中长期科学和技术发展规划纲要，航空学院杨嘉陵教授课题组组建“空天飞行器抗冲击与热防护技术创新团队”。团队旨在围绕空天飞行器研究中的重要科学问题，通过多学科交叉研究，增强我国航天航空飞行器研究的源头创新能力。
团队基于空天飞行器高超声速、高机动、高温、高速、高隐身、超高强韧和高精确控制的发展需求及核心科学问题，通过力学、物理学、化学、数学、生物学、材料科学、工程科学、信息科学等相关基础学科在空天飞行器基础研究问题上的交叉研究，针对空天飞行器的超轻质、高强韧、防热、抗冲击结构一体化要求，发展了多功能拓扑优化和材料-结构协同设计的理论和方法，提出了超轻、多功能（强韧、抗冲击、抗热）材料和结构体系。自团队成立以来，团队成员作为核心成员参与了国家科技重大专项项目CAP1400安全审评关键技术研究(2013ZX06002001)、国家自然基金重点项目(11032001)、国家自然基金面上项目(11472034、11472035及11872098)等课题，并取得了多项创新性的研究成果，为我国未来空天飞行器的发展奠定技术创新的基础。
以“超轻”之结构承“超强”之载荷
空天飞行器存在高速碰撞、冲击毁伤和防护问题，最具挑战性而又急需解决的难题是涉及应变率在105/秒量级以上的高速冲击条件下材料和结构的动态能量吸收。因此，如何选用新颖结构模式及组成的轻质、强韧、抗冲击多功能一体化结构，以使整个结构在保持较高的强度及刚度的同时大幅降低结构重量，提高空天飞行器结构的抗冲击防护性能，是未来先进飞行器结构设计技术急需解决的重要问题。自然界生物在经过亿万年优胜劣汰的进化过程中，为了生存、竞争和发展等各种需求，优化出许多具备优异力学性能的结构。本团队成员从仿生工程技术的概念出发，利用雀尾螳螂虾的双向人字形模式冲击区可以设计出抗冲击能力更强的双曲波纹仿生夹芯结构（图1）。研究结果表明：基于雀尾螳螂虾前肢特殊的曲面结构大大提高了传统夹芯板的抗冲击能力。此外，蜂窝材料是人类研究向自然学习的典型成果，其灵感源自蜜蜂的天然六边形蜂窝。由于蜂窝结构连续的多墙面排列和六边形网状结构分散承担来自各方向的外力，导致对挤压变形的抵抗力强于其它形状的结构。受超强韧性的柔性电子技术的启发提出了一种马蹄形蜂窝芯层结构。将传统蜂窝单胞的直边沿横截面方向替换为马蹄状的曲边构造成为马蹄形波纹蜂窝结构，提高了芯层结构的平台力以及能量吸收能力。此外，为了提高蜂窝结构的比吸能同时又减少初始峰值载荷，又提出了一种轴向波纹蜂窝结构，大大改善了传统蜂窝结构的力学性能。以上基于仿生原理设计并制备的轻质、强韧、抗冲击多功能一体化结构作为空天飞行器的主要承载结构，大大提高了空天飞行器在承受极端载荷条件下的生存力。
图1 雀尾螳螂虾仿生双曲波纹夹芯板结构
以“多孔”之材料防“多重”之冲击
空天飞行器是现代化高技术战争中夺取制空权、实施精确打击的镇国利器。然而空天飞行器在实际作战过程中难免会受到敌机的攻击，即便敌机发射的炮弹未能准确命中，其产生的爆炸波在空间内以极快的速度把其内部所含有的能量释放出来，转变成机械功、光和热等能量形态，就会空天飞行器产生巨大的破坏作用。因此，如何保证空天飞行器在承受爆炸载荷作用时的安全，对于空天飞行的生存力具有重要的意义。团队基于冲击波理论对超轻多孔泡沫材料在极端载荷作用下的变形机理进行了系统地分析和总结，为超轻多孔泡沫材料在未来飞行器上的防护应用打下了坚实的基础。首先，团队构筑了多孔泡沫材料到结构应用的一体化分析模型，从材料层次出发，建立多孔材料撞击弹性和粘弹性靶板的动态响应模型，为多孔泡沫材料的动态属性的测量提供了可靠的理论支撑，基于此，设计出了多功能梯度泡沫材料，极大地提升了其抗冲击和耐撞性指标；然后，团队建立泡沫材料耐撞性设计的多学科优化模型，成功应用于高速运行飞机的拦阻防护系统，从材料、结构和运用等多角度出发，对泡沫混凝土飞机拦阻系统进行了一体化优化设计，如图2所示。通过该项研究，首次给出了反映泡沫混凝土飞机拦阻系统防护效果的综合评价指标，并系统地解决了防护飞机冲出跑道过程中面临的各类问题。相较于传统的拦阻系统，优化设计所得的梯度道面拦阻系统能够极大地提升拦阻效率。
图2 先进高速飞行器冲击防护系统
以“超强”之结构耐“超高”之温度
空天飞行器需要多次出入大气层，每次都会由于与空气的剧烈摩擦而产生大量气动加热。此外，空天飞行器虽然可以凭借其运行高度与速度躲避常规袭击，但仍面临着激光威胁。因此研究热冲击作用下结构的热力学响应便显得尤为重要。针对这一现状，团队对典型结构，如梁、杆、层合板等，在高强度热载荷作用下的热弹性力学响应进行了理论研究，利用拉普拉斯变换、傅里叶变换、格林函数法等数学手段，求得了控制方程的精确解，准确预测了结构的动态温度与力学响应，得出不同类型热载作用于不同结构上所引发的热弹性响应。并进一步研究了极端热载荷作用于某些复合材料或生物材料时所引发的传热过程中的非傅里叶效应进行了研究，讨论了该效应与复杂热源形式的交互作用下，结构所产生的不同类型热响应（如图3）。其结果可以为热冲击作用下结构的防护设计与热力响应的预测提供有效的理论支持。
图3 移动热载荷作用下薄板的热响应
一分耕耘一分收获
团队成员始终守正道、追求真理、甘于奉献，坚持将自己的人生融入实现中华民族伟大复兴中国梦的历史洪流。以习近平新时代中国特色社会主义思想为指导，不忘初心、牢记使命，做新时代的奋斗者，为实现“两个一百年”奋斗目标、实现中华民族伟大复兴的中国梦贡献才智。我们始终保持积极向上的心态，时时以高标准要求自己，努力做到全面发展，一直在严谨的学习和科研氛围中不断提升自我，提高专业技能修养。因此，团队成员也取得一系列优秀学术成果及荣誉。本团队三名成员均获得博士研究生国家奖学金和北航博士研究生卓越学术基金，此外多人获得北航博士生一等学业奖学金、北航优秀研究生、优秀党员、中航工业奖学金、优秀学生论文奖等荣誉，并于2016年被授予“ld乐动体育官方网站文明工作室”。其中刘虎博士作为唯一一名在读博士研究生获得了中国力学学会“王仁青年科技奖”（其余五人均为副高以上高校教师）；杨先锋博士连续两年获得博士研究生国家奖学金及北航优秀研究生；团队成员共同申请并获得了2018年工信部创新奖学金一等奖。团队成员以第一作者或学生第一作者发表SCI论文25篇（顶级期刊8篇，Q1区15篇，Q2区5篇），发表EI论文2篇，受理专利3项。
党的十八大以来，习近平总书记多次强调“中国要强盛、要复兴，就一定要大力发展科学技术，努力成为世界主要科学中心和创新高地”“创新驱动实质是人才驱动，人才是创新的第一资源”。航空学院“空天飞行器抗冲击与热防护技术创新团队”一直牢记总书记殷切希望，以国家重大战略需求为导向，以中华民族伟大复兴为己任，以国家振兴之大义，勇攀科学探索之高峰，坚定信念潜心科研，在空天飞行器冲击防护领域不断探索前行，挥洒青春热血，不忘初心、砥砺奋进，助力祖国新时代空天飞行器大发展。
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