郭翔：做一颗为国家服务的“螺丝钉”

谢明昊

郭翔

2021年9月17日13时30分许，“神舟十二号”返回舱在东风着陆场安全降落。返回舱的安全着陆离不开一种名叫“烧蚀材料”的固体放热材料。当“神舟十二号”返回舱完成任务返回地球时，稠密的大气层是它的必经之地。高速的飞行速度使返回舱和空气之间产生强烈的摩擦，由此而放出的热量瞬间可高达8000℃～10000℃，烧蚀材料在这个过程中吸收释放的大量热量烧掉自己的一部分，同时使周围的温度降低以保证航天器本体安然无恙。

因此，针对烧蚀层材料在烧蚀状态下热-力耦合变形过程中的力学特性及损伤机理问题研究是力学、航空、航天、材料等学科研究所关注的热点。面对不断提高的研究要求，原有的检测方法已经无法满足这些不同于常规机械运动环境的特殊问题，迫切需要新的检测方法和手段来解决这些问题。

解决国家的重大需求是科研人员矢志不渝的目标。“做一颗光学测量领域的‘螺丝钉’，服务于国家，解决国家的实际问题，是我毕生的心愿。”作为青年一代的科研工作者，西北工业大学航空学院副教授郭翔说出了自己的心声。

与光学测量结缘

时间回到15年前，23岁的郭翔刚开始攻读研究生，在西安交通大学机械学院跟随导师梁晋教授进行动态测量技术的研究。他参与了梁晋教授的课题——“基于工业近景摄影测量的系列三维轮廓坐标与变形应变快速检测系统”，并和课题组一起获得了陕西省科学技术奖一等奖。虽然彼时的郭翔只是一个年轻的博士生，但是从进入课题组开始，他与光学测量便结下了不解的缘分。

在郭翔看来，与二维图像信息相比，依托三维信息的三维光学变形应变测量技术，能够测量物体的动态形态与形变，大大扩宽了光学测量技术的应用范围，但当时国内还没有这方面的技术，进口设备昂贵，一套设备高达两三百万元。“我们当时想做的就是研发中国自主产权的三维光学测量设备。”

从简单的三维表面检测，到复杂的三维运动及姿态变形检测，再到最后的三维变形应变检测，郭翔和课题组一步一步攻克难题，向着目标迈进。最终在2013年，“复杂工况三维全场动态变形检测技术”获得了国家技术发明奖二等奖，填补了国内的空白，在国际上处于先进水平。以该技术为依托的三维光学系列测量设备基本已经能替代国外的进口设备，价格也降到了国外设备原有价格的一半到三分之一。这样对整个工艺领域提供了巨大帮助的研究成果，让身为参与者的郭翔感到自豪。

博士毕业之后，2014年，郭翔来到西北工业大学航空学院开始博士后的工作，合作导师是李玉龙教授。在这里，他的研究逐渐转向超高温材料/结构、超高应变率变形等复杂测量问题，走入了新的领域。

解决科学难题

郭翔的新研究对象是烧蚀材料等超高温材料/结构。在高温环境中，烧蚀材料本身能发生分解、熔化、蒸发、升华等多种吸热的物理化学变化，借助材料自身质量消耗带走大量热量，从而阻止热传导到材料的内部结构中，在航空、航天、能源、冶金、化工、信息等领域有着非常广泛的应用。

在人们熟知的“哥伦比亚”号航天飞机事故里，航天飞机在返回过程中由于隔热层碎屑撞击致使机翼和机体爆炸，导致了悲剧的发生。因此，对在烧蚀状态热-力耦合条件下，烧蚀材料和结构的动态力学性能研究需求日益迫切。但是在高温变形测量中，数字图像相关技术面临更为复杂的变形测量环境，烧蚀材料在空气环境中会发生烧蚀，导致散斑纹理相关性退化，从而导致高温热力耦合变形测量无法顺利进行。

面对迫切需要一种新的可适用于烧蚀状态下耦合变形的全场、非接触测量方法的情况，郭翔开启了研究工作。他曾在国家自然科学青年基金项目“复合材料高温冲击全场三维动态变形检测方法研究”中，积累了丰富的高温高应变率耦合条件下材料力学性能测试经验。

郭翔从最基础的光谱学原理入手，对烧蚀状态下耦合变形的过程做了完整的光谱分析，并在传统数字图像测量技术上结合了人工智能的方法，实现了烧蚀层复合材料从室温未燃烧状态到燃烧结束的全周期测量。“烧蚀材料从室温20℃一直燃烧到超高温状态再到火焰熄灭后的热力耦合变形过程，整个全周期的健康状态或者结构性能，我们都可以进行评估。”此外，在郭翔的讲述里，他们对复杂运转结构的实际健康状态拥有完全自动化且高精度匹配的评估机制，这对国家现在的航空航天结构是否可以再次优化，或者现有的烧蚀材料和结构能否进一步提升性能，提供了很好的技术支撑。

除此之外，对于C919、运-20、彩虹系列等飞机的机翼尺寸不断增大且结构愈趋复杂所带来的安全问题，郭翔也在关注着。以翼展为40m～50m的大型飞机为例，其在飞行过程中的翼尖上下位移量超过了1米，如此大的变形会导致机翼的载荷分布发生变化，偏离设计标准，进而严重影响飞行器的设计寿命和安全性。“因此，我针对机翼变形在线监测等实际变形测量问题，建立了相机柔性自标定方法，解决了测站随机振动、多视场同步及超大尺寸结构的变形测量问题，提高了无人机的安全性和可靠性，减少了无人机的维护费用和相关的灾难事故发生。”

郭翔的在线监测技术也不只在无人机上应用，“比如我们和中石油合作，对输油管线进行健康检测；和中车集团合作，对高铁的车身结构进行健康评估；还有对新能源风电叶片的结构测量检测等。我还是希望能为国家解决一些实际的问题，进一步提高咱们人民的生活质量”。从这些研究工作中，郭翔感受到了自身研究为社会带来的巨大作用，收获了满满的成就感。

“园丁”的传承

在郭翔做研究的道路上，导师梁晋的治学态度让他印象深刻。梁晋教授经常在凌晨两三点才离开办公室，没有节假日的概念，几乎每天都在工作。“遇上探索新技术，做不完他是不会休息的。这样充沛的精力和拼搏的精神，一直影响着我，在遇到科研瓶颈的时候，我会以老师为榜样，努力坚持下去。”

郭翔在2016年希腊第十七届实验力学大会上的留影

伴随着博士后工作的结束，郭翔选择了留下，他正式成为西北工业大学的一名青年教师，开启了“授人以渔”的教师生涯。“我比较认可孔子说的‘因材施教，有教无类’的教育理念，因为学生和学生之间是不一样的，我要去了解他们每个人的想法和兴趣。”郭翔举了一个很生动的例子，他说老师就好比花园里的园丁，找到每棵树的问题，对症下药，才能帮助它们茁壮成长。这是一段师生互相成就的过程，老师信任学生，学生也信任老师，每个人都能在最适合自己的领域发展。

如今，郭翔所在的教育部创新团队“飞行器结构/材料冲击动力学行为研究”让他受益匪浅，团队带头人李玉龙老师是长江学者，培养出了很多优秀的中青年骨干。能与这样优秀的科研工作者一起学习和工作，郭翔感到十分荣幸。这样一支以中青年学者为研究骨干，新生力量蓬勃发展，年龄结构合理，活跃在国内外学术界，且具有很强创新力和凝聚力的研究团队，也让郭翔对未来充满了期待。

面对国家“智能制造”的呼吁，依托西北工业大学创新团队的支持，郭翔将化身三维工业测量领域的一颗“螺丝钉”，继续探索如何让三维光学测量技术更好地服务于国家发展，为国家建设贡献自己的力量。