自制火箭发射架，保送清华

唐雪

孟齐志是清华大学机械工程系研究生。作为一名“机械迷”，他在北京科技大学本科阶段就玩转各大竞赛；大四保研后，他开始埋首科研，从事结构拓扑优化的相关研究。从竞赛狂人到学术小生，孟齐志对机械专业的热爱始终如一。

自制火箭发射架

在2012年全国科研类航空航天模型锦标赛中，孟齐志作为校航模队火箭组成员，初踏竞赛之路。

他所在小组的参赛项目是模型航天器，大功告成之际，团队将场地选在奥森公园观光塔西侧的草地。随着火箭的升空，大家却发现火箭姿态向北侧倾斜。最后燃料燃尽，火箭在降落伞的钳制下顺利着陆，但偏离目标位置太远了。随后的多次试验亦如此。

为此，小分队就地开会。在明确排除了火箭自身性能因素后，他们分析起了外界环境。发射位置，地面状况，天气情况都寻因未果，孟齐志遂将目标锁定在火箭发射架上，他发现这个发射架是上一届火箭组的遗留成品，由相机三脚架改装而成。改装后的发射架，比三脚架多了一项约束火箭初射阶段轴线位置的装置，即添加了四根发射导轨用以约束火箭外圆柱面。

随后，孟齐志发现了这一改装的缺陷：其导轨装置是通过螺栓将一端固定在基座上，长期以来的使用已使导轨产生较大的弯曲变形，不能保证精度要求了。另外，如果使用的火箭型号有差别，直接导致大型号火箭不能发射，小型号火箭与导轨存在发射间隙。这一系列问题对火箭发射轨迹造成了直接的干扰，他决定对发射架进行重新设计。

为避免之前发射架存在的问题，孟齐志打算将导轨两端固定置于发射框架上，以增大导轨刚度，并且采用弹簧收线原理，实现上下固定平面八个固定点同时同速（向内或者向外）收缩或者扩张，以此发射不同直径火箭。在此基础上，他打算再多集成一些辅助功能，比如说调节发射平台水平位置，发射框架空间立体姿态全面覆盖，发射初始状态图像采集与传输等。

经过反复的修整，设计工作基本完成，接下来需要进行实物制作了。受限于金属材料的加工条件限制，孟齐志决定使用木质层板作为主要材料。经过一个多月的努力，发射架初具雏形，还加上了风速仪、摄像头、水平仪等装置实现了附加功能。然而，小组没有找到合适的装置来实现“收线”功能。他说：“原因是弹簧刚度很大，一般的小电机无法驱动。而采用大电机，又将无法供电。”

项目搁置了近两天的时间，作为负责人的孟齐志焦急万分。当他坐在工作台前苦思解决方案时，突然注意到了工作台下放置的一把手钻，顿时捕捉到了灵感。何不直接改成手动操作，利用伞齿轮传动？这样，既能节约空间，又能实现大扭矩输出。于是，他们立刻行动起来，改装实验室被废弃的手钻，成功地实现了“收线”功能。

在出发赴赛的前一天，小组完成了发射架的全部设计、加工和组装工作。当天，随着“3、2、1发射”的口令，火箭模型直飞云霄，在蓝天划出优美的弧线，发射架实现了预期的全部功能，一举夺得科技创新一等奖。

三改智能车

全国赛归来，孟齐志对活动愈发着迷，开始积极备战智能车校内赛。比赛按照赛道识别传感器的不同分成了光电组、电磁组和摄像头组。孟齐志加入光电组，主要负责安装和调整光电传感器。

光电传感器的安装程序复杂，先要根据预期提出方案，再绘制设计图纸，然后根据图纸加工制作并进行安装调试。而最大的难题就是方案的不确定性，预期的方案和最终赛道测试的结果通常存在一定的差异。作为小组中唯一的机械专业队员，孟齐志又肩负起了车体机械结构搭建的任务。

最初，他大胆提出设计方案，利用木质层板，将光电传感器进行定位，再将定位好的传感器固定到支架上。考虑到支架需要有足够的强度、尽量小的密度以及合适的机加工性能，孟齐志决定选用铝合金材料。第一款支架由一根水平固定的角铝和一根竖直与车体前部刚性连接的铝条组成，凝聚了他的创新思维。

然而，孟齐志完成车模搭建的第二天，便接到另一名队友的电话：“车模快速转弯时，传感器绕竖直的铝条有小幅的扭振现象。同时，调试过程中光电传感器也出现了无端损坏的情况。”孟齐志顿时紧张起来，赶到调试现场和队友一起分析问题的原因。二人反复拆装车模，终于有所发现：“第一问题的原因可能是支架惯性较大，而一根铝条的刚度不足；第二问题的原因可能是光电传感器的金属外壳直接接触角铝，造成干扰。”

确定原因后，孟齐志立即着手改进。为了增大支架的刚度，他将原先的一根铝条改成两根。新的问题又滋生了，两根铝条势必增大了支架的质量。他当机立断，颠覆先前的经验，选用了更小型号的铝条，以保证刚度和质量。同时，为了避免传感器受干扰，他找来绝缘胶，涂装在角铝的表面。

再次测试时，扭振现象被有效抑制，但光电传感器仍然无端损坏。孟齐志从队友那儿得到了一条重要的修改线索：“可能是因为调试人员身上带有静电，在调试过程中，难免会触碰到支架上的传感器，导致传感器静电击穿。”在第三次方案修改时，他苦苦冥思：“如何既能让调试人员可以触碰，又不引起静电击穿呢？”连续几天，孟齐志都寝食难安。突然有一次，他灵机一动：“最简单的做法就是增加保护罩！”

孟齐志兴冲冲地跑去场地，却又面临一个障碍：在原有的支架上增加保护罩，会导致保护罩和支架不容易固定在一起。孟齐志只好舍弃当初辛苦搭建的支架，用盒铝代替角铝。同时，他将盒铝的宽面一侧用铣刀铣出一排圆孔，作为传感器对环境信息采集的通道，将盒铝内部进行绝缘胶涂装，继续沿用木质层板定位的方法将传感器置入盒铝内，这才实现了盒铝的双重角色——充当支架和保护罩。

经过三次改进，孟齐志终于制作出完美的光电传感器安装架，也助团队的智能车成功完成比赛要求，获三等奖。这次经历，也让孟齐志愈加迷恋机械专业所涤荡出的独特魅力。

初探拓扑优化

随后，孟齐志陆续参加了华北五省机器人大赛、校节能减排、“摇篮杯”、机械创新等科技比赛，频频折桂。大四时，他免试进入清华大学机械工程系直接攻读博士学位，因此他的学士论文获得了本校和清华导师刘辛军教授的联合指导。在刘教授的建议下，他将毕业设计的论文题目定为“并联机床关键结构件的拓扑优化方法与应用”。

刚接触此课题时，孟齐志感觉十分有趣：“并联机床是由并联机构为主要传动部分的机床，那什么是并联机构呢？比如，人用手端起杯子喝水这个动作，有两种方式，一是伸出一只胳臂，用手握住杯子，递到嘴边；二是伸出两只胳臂，同时握住杯子，捧到嘴边。第一种方式的手臂即传统的串联机构；第二种方式中的两只手臂一起动作，相当于并联机构。显然，两只手比一只手要稳，反映在并联机构上，就能体现为精度高，刚度大等特点。”他毕设的工作就是利用拓扑优化方法，去寻找一种最优的并联机床关键结构件的拓扑结构。那什么是拓扑优化呢？做了大量调研后，孟齐志发现，拓扑可理解成结构的轮廓或形状，拓扑优化就是设计区域在约束条件下，寻找到一种结构轮廓，使其结构的某项性能指标达到最好。

初期的兴奋劲儿一过，孟齐志开始紧张起来。虽然课题的应用对象有师兄的一些相关研究作为参考，但优化的实现手段繁复多样，水平参差不齐，从中要找一个出彩的研究方法，难度很大。他在均匀化方法、变密度法、渐进结构优化法以及水平集方法等算法上举棋不定。察觉孟齐志的问题后，刘教授对他的研究思路进行了整体把控，详细解释数学模型的求解方法，助他打通“任督二脉”。最终，孟齐志找到了核心思路，即利用变密度法，建立优化问题的数学模型。“导师建议我利用优化数学模型构造拉格朗日函数，再用Kuhn-Tucker极值条件推导出迭代准则。”

在建模过程中，挑战接踵而至。他遇到理论上最为关键的地方——数学模型的显式表达和函数对自变量的灵敏度分析。为此，孟齐志反复查文献，翻专业教材，伏案进行理论的推导。“在那段时间，我满脑子都是数学模型和解算过程，有时连看到生活中的往复运动、优美的轮廓都能让我联想起一个拓扑迭代过程。”一个月后，他通过在MATLAB数学软件中编程计算，设计出了满足性能要求的拓扑结构。

通过四个月的努力，孟齐志最终以先进的变密度法，成功地优化出并联机床关键结构件的拓扑结构，顺利完成毕业设计。

目前，孟齐志正读博士研究生一年级，在纵横交错的模型函数和求解算法的关系中，在传统理论与现实问题的岔路处，他正在初试课题“振型节点主动设计”，也正在寻求创新“变密度法惩罚模型改进”。

责任编辑：曹晓晨