曾耀祥：改变半个多世纪的火箭设计方法

张津泽　赵丽娜

“毛头小伙”曾耀祥独辟蹊径，用半年时间改写了沿用了半个多世纪的“载荷设计方法”，让火箭结构更轻，运载能力更强。

载荷参数是火箭设计的依据，通常情况下，先有飞行载荷参数，再进行火箭设计。航天一院“载荷设计方法”已沿用持续了半个多世纪。大家也已习以为常。2018 年初，30岁的“毛头小伙”曾耀祥却对“载荷设计方法”提出了质疑，并独辟蹊径，最终用半年时间改写了这一方法，让火箭结构更轻，运载能力更强。

作为一名航天青年工程师，曾耀祥很好地践行了“新总体”职责和使命，创新提出了弹性载荷精细化设计方法，大幅降低了弹性载荷，为提升火箭性能提供了强力支撑。他牢记一部“引领”作用，针对新一代运载火箭关机动载荷大问题，创新提出助推反相位关机降低动载荷方法，避免了某新火箭级间分离系统及多个部段重新设计和试验，节约经费千万量级，减载效果已在飞行中验证，高达86%。他善啃“硬骨头”，主动辨识现有火箭飞行qa放行门限设计隐患，制定了时变qa门限设计方法和实施流程，推广应用于各运载型号，实现了风险消除和放行概率提升的目标，具有重要工程意义。

立下“万无一失、一失万无”“军令状”

一道选择题，物理学霸曾耀祥却做成了多选题，“我觉得两个都是对的”。这是高三某次重要的物理科目模拟考试，试卷讲解环节，曾耀祥向老师阐述了自己选择多选的理由。“老师觉得有道理，接受了我的观点。”让曾耀祥记忆深刻的是，学校为此将物理试卷标准答案进行了重新修改。

2009年从哈工大毕业后，曾耀祥以全系第一的成绩，被保送到航天一院一部载荷与力学专业攻读研究生，从此扎进火箭载荷与力学环境研究。与当年模拟考类似，他面临一道新的必答题：如何提升火箭运载能力。

近几年，一院火箭发射密度大、新型号数量多，尤其是在现役火箭基础上改进升级的“长征七号甲”“长征八号”等新型火箭，结构基本已经确定，若采用原有的“载荷设计方法”，经费、周期和运载能力必然受影响。

“这个问题不解决，新型火箭就得改结构。”曾耀祥说，火箭一旦改结构就意味着每个部段都得改，将增加很多试验，研制经费也会随之增多，更重要的是研制周期必然受到影响。如何在不更改火箭结构的基础上，让火箭“体重”更轻但运载能力更强，这成为了研制难点。

一次，在“长征七号甲火箭项目讨论会”上，型号总师再次提出这个问题，希望各个系统各自寻找突破口。曾耀祥的一句话打破现场的片刻沉寂，“我可以对‘载荷设计方法’做些优化。”

早在几年前，他就发现“载荷设计方法”有一定局限性。比如，方法对某个参数的选择只给了一个区间值，而不是固定值。在实际应用中，各型火箭通常选择的都是最大值。参数有没有优化空间？能不能再精确些？勤于思考的曾耀祥通过前期梳理，发现了几个可以优化的突破口，但他并不满足于此。“如果只是这样小修小补，最终呈现的也只是个半成品，我想要对整套设计规范重新梳理、优化。”曾耀祥给自己设定了更高的任务目标。

干航天需要热情，也需要冷静。火箭“载荷设计方法”经历了半个多世纪的考验，稳妥可靠，不是说改就能改的。要改变，谁的心里都没有底。曾耀祥也不例外。

“‘载荷设计方法’就像一个‘黑匣子’，没办法提前验证，必须完全正确，万一错了，火箭就会在空中解体。”曾耀祥坦言，这项任务用“万无一失、一失万无”来形容毫不为过。

除了风险巨大，这项任务也伴随着巨大的工作量。要改变现有的算法及参数，势必要弄清楚原有的每一个参数是怎么来的，依据是什么，是否有效……更重要的是，参数都是半个世纪前确定的，还能查到它们的来源和依据吗？

“当时没考虑那么多，只想这件事很有意义，哪怕是鸡蛋碰石头，也要试一试！”曾耀祥语气坚定。

汲取国内外有关专业精华

优化“载荷设计方法”只是曾耀祥工作的一小部分，上班期间，各种会议以及其他型号相关工作占用了他大部分时间。因此，曾耀祥只能利用休息时间干“副业”。

因为知道其中的难度，对优化“载荷设计方法”，领导们并没有施加压力，但曾耀祥主动给自己安排任务，同时根据“长征七号甲”火箭的立项时间安排自己的工作进度，逼迫自己在不同节点完成不同工作。

从查阅资料着手，曾耀祥首先要弄清楚现有方法中各个参数的来源以及选择依据，这说起来简单做起来却不易。

“一些原始数据无从查找，比如火箭飞行过程中的阵风大小。”曾耀祥在优化“载荷设计方法”过程中，汲取了国内外有关专业的众多资料精华，想方设法找来很多国内外标准文献，以及最新的研究进展。

研究后期，他发现有个模型的参数无法确定，查阅了大量资料，一直没有结论。下班后，曾耀祥一直在单位加班查找資料，他突然想到在航空工作的同学，考虑到工作上有很多相同点，他想让同学帮忙找找资料，拿起电话就打了过去。同学接到电话很诧异;“你们搞什么研究，这么晚还四处要资料。”曾耀祥看了眼手表，才发现已经是晚上12点多了。“我是一个心里装不下事情的人，遇到问题就着急赶紧解决。”近半年时间里，曾耀祥的一张张草稿纸上写满了密密麻麻、别人一看就会觉得枯燥无味的公式。

弄清60 多年前的设计思路、依据和原理

“要细化载荷设计规范，又要保证新的设计方法没有问题，就得弄清楚60 多年前的设计思路、依据和原理。”曾耀祥想到了“载荷设计规范”的编写者们。曾经的编写者如今都已经八十多岁，得知曾耀祥的想法后，他们都很支持，但也提出了质疑。

2018年2月的一天，曾耀祥拿着刚刚推导出来的概率参数，到一部载荷设计专家赵人濂家中，请他帮忙验证设计方法是否可行。老人仔细看了“载荷设计规范”中给出的概率参数，发现与曾耀祥推导得出的参数不一样。

“你的‘载荷设计方法’有问题。”老人对曾耀祥严肃地说道。

“我再给您演示一遍。”曾耀祥一边在纸上写下自己梳理的基础理论，一边解释着推导过程中的每一步。

看着、听着每一个推导步骤，老人最后认同了曾耀祥的设计方法。

施钧昭是“载荷设计规范”的编写者之一，也曾对曾耀祥的设计方法提出过质疑。

“双重积分方法”是20世纪60年代提出的“载荷设计方法”之一，当时计算机的运算能力还不强大，对参数只是简化处理，过于保守。当听到曾耀祥关于“双重积分方法”的优化意见后，施钧昭说：“之前的方法很稳妥，你用新的方法提出的参数准确吗？”曾耀祥听后，便趁着老人来单位开会的机会，将自己的推导模式验证给她看。最后，老人认同了曾耀祥的设计方法。

2018年8月24日，曾耀祥优化完成的“载荷设计方法”迎来“大考”，一部的10 余位相关专家组成的评审组，对曾耀祥的“载荷设计方法”进行专题评审。“新的‘载荷设计方法’理论依据充分，参数翔实准确，可以推广应用。”当天的评审会上专家给出了这样的结论。

“当得知自己的‘作业’通过大考，为火箭载荷设计作出这么大贡献，你心里是什么感觉？”记者问。

“其实没什么，我只是把自己的工作做好、做细而已。”对一向不走寻常路的曾耀祥来说，从看似枯燥、繁重的工作中，感受到的却是探索的快乐。

提出大胆想法获得高度认可

2018年，因火箭弹性载荷精细化设计成果显著，曾耀祥荣获一部首届领航功勋奖，然而，在创新的道路上，他并未停止脚步。2019 年以来，以型号研制和专业建设为中心，他先后在“反相位关机降低动载荷”“时变qa门限设计”等方面取得了新突破，充分体现了青年工程师锐意进取，追求卓越的品质。

2017年长征七号运载火箭飞行数据分析时，面对看似正常的振动数据，曾耀祥敏锐地发现了两次飞行关机振动响应谱的差异，两发状态基本一致，为什么响应差异较大？爱较真的他没有轻易放过这个问题，而是通过全要素分析和海量仿真计算，最终定位为两次助推关机相位差异。时间来到2019年，某新火箭研制过程中遇到了意料之外的难题——助推关机动载荷大导致级间分离系统及多个部段结构强度不满足要求，若更换分离火工品及加强结构，不仅增加研制周期和经费，且影响分离可靠性。基于2017年研究结果，曾耀祥向型号提出了一个大胆的想法，即通过控制助推反相位关机降低动载荷。要想实现反相位关机减载，助推两两关机时差必须控制在几十毫秒，然而对于火箭这样一个复杂系统能保证吗？刚开始他心里也打鼓，但还是选择了迎难而上，在型号的支持下，他反复与控制系统、发动机系统交流十余次，系统开展了全链路偏差统计分析和基于偏差模式下最小减载效果评估，最终形成了一套工程可用的反相位关机降低动载荷方法。该方法有效解决了新火箭研制重要难题，经飞行验证减载效果达86%。

火箭放行qa门限值是射前关键参数，制定时通常取设计qa最大值作为门限，几十年来这一准则从未改变，也似乎是安全可靠的。但，真的是这样吗？在2020年长征五号B运载火箭首次飞行载荷复核中，曾耀祥提出了这样的疑问。随后，他自主开展了飞行和设计qa时变规律对比，发现了当前qa放行值的制定準则存在不闭环的风险，得到了领导的认可和大力支持。

通过细致分析不同时段载荷特征，他提出了火箭时变qa门限设计方法和实施流程，将原来单一qa门限变为时变门限，实现了风险消除和放行概率双提升的目标。在将新方法推广应用于各型号的过程中，需要依据每个型号每个部段的承载能力进行载荷的迭代优化，加班到深夜是常有的事，但他不怕吃苦，不怕繁琐，竭尽所能的为每个型号的qa门限值进行精细化设计，得到了各型号高度认可。

这就是曾耀祥，一个爱钻研、爱创新的普通航天工程师。工作以来获得省部级奖励2项、院级技术一等奖9项、授权专利12项，发表论文20余篇，获评院突出贡献技术人员、一部领航功勋奖、最美工程师等，入选航天一院青年拔尖人才、感动人物。