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沉浸于科学之美
发表时间 2017-10-25 15:29 来源 本站原创

  ——记北京航空航天大学航空科学与工程学院孙玉鑫副教授

  “一粒沙里有一个世界,一朵花里有一个天堂,把无穷无尽握于手掌,永恒不过是刹那时光。”这是英国浪漫主义诗人布莱克的著名诗句。中国古人也有类似的名句:“观古今于须臾,抚四海于一瞬。”都是用诗一样的语言,表达了对于宇宙洪荒的美的认识,而科学家对世界之美的认识,则一点也不逊色于这些诗句。“我要把人生变成科学的梦,然后再把梦变成现实。”正如居里夫人所吐露的心声,北京航空航天大学航空科学与工程学院的孙玉鑫副教授在科研的世界里一直在探索,前行,作为一名女科学家,她用女性的细腻攻克着一个个科研难题,从未想要放弃。

  在兴趣的指引下,踏上神奇之旅

  爱因斯坦说:“兴趣是最好的老师。”古今中外,凡是有成就的人物,不论是科学技术方面的,或者是文学艺术方面的,都跟他们对所从事的工作具有浓厚的兴趣分不开的。达尔文在自传中写道:“就我记得在学校时期的性格来说,其中对我后来产生影响的,就是我的强烈而多样的兴趣,沉溺于自己感兴趣的东西,了解任何复杂的问题和事物。”孙玉鑫也一样。从高中开始,孙玉鑫就对物理、数学等理科类的学科有着浓厚的兴趣。所以,在考大学报专业的时候也就理所应当地选择了自己比较熟悉的力学方向,从本科到博士,她在“流体力学”和“固体力学”两个方面都进行了系统的学习,最终明确了“固体力学”这一研究方向。也许多数人认为从事像“固体力学”这样理科类的研究很枯燥乏味,但对于孙玉鑫来说,固体力学之美就在于它能把完美和谐的数学知识变成为社会服务的生产力,它的美是内敛的、无形的,是值得深入挖掘研究的,抱着这样的想法从事科研,哪怕再苦再难,她都乐在其中。

  近年来,她和团队所致力的“叠层复合材料微谐振器”的热弹性耦合问题和瞬间热冲击问题的研究就将“固体力学”的理论和实用之美发挥得淋漓尽致。

  众所周知,微观谐振器广泛应用于各种传感器、调节器、通讯设备和微观机械测试设备中,具有灵敏度高、反应快的特点,是微机电系统的基本构成单元。但是就目前的情况而言,微谐振器的性能还有很大的提升空间。而想要改变这一切,充分研究热弹性耦合的影响对于微谐振器的设计和制作是基本而必要的。基于这个方面,孙玉鑫和她的团队成员一起做了许多深入的探索与研究。

  科研是一个不断探索不断发现的过程,这个过程对于孙玉鑫来说是美妙的。目前关于微谐振器的热弹性耦合问题的研究大多考虑单一材料制成的谐振器。但是,在微机电系统中也大量使用叠层复合结构的谐振器和有纳米金属薄层覆盖的谐振器,因此,扩大对微观谐振器的分析范围也是很有必要的。而想要对微观谐振器进行严谨细致的研究,必要的激光技术辅助起了很大的作用。而孙玉鑫及其团队伙伴所研究的“叠层复合材料微谐振器的瞬间热冲击问题”就是将研究的目标聚焦在超短激光脉冲作用下两种典型叠层复合结构的热弹性耦合行为与特性上,获得了一系列具有创新性的成果。

  在对多层微谐振器的短脉冲激光热冲击问题的探索中,孙玉鑫和她的伙伴们扩展研究了三种即微米梁结构、圆板形结构、方板形结构的叠层谐振器。尤其是在对圆板形和方板形谐振器的研究中,孙玉鑫和她的伙伴们同时考虑了沿厚度和半径或者长宽方向的热量传播,并采用二维轴对称和三维热传导模型,来更好的揭示尺寸效应和边界条件的影响。这对于先前的研究来说,可以称得上是一个很大的突破。

  随着探索越加深入,孙玉鑫继续攀爬科研高峰的愿望越是强烈。在含有纳米覆盖层的微梁谐振器的短脉冲激光热冲击问题中,她和她的团队成员们将分子动力学模拟与有限元法相结合了起来,在合理考虑金属薄膜超快热冲击物理机制的前提下,模拟金属与非金属构成的叠层微谐振器的短脉冲激光加热问题,从而为多材料组分的叠层复合材料的热弹性耦合问题的研究提供了一种有效的数值分析工具。在2010年,这个项目也成功申请了国家自然科学基金青年项目。借助这一项目,孙玉鑫及其团队在相关领域的探索得到了延伸和拓展。

  把数学工具应用到力学研究中,通过求解复杂的偏微分方程获得解析解,进而探讨热弹性耦合问题和热冲击问题的热学与力学机理。探讨生物组织,如皮肤,在热学治疗过程中的热学响应。将皮肤简化为三维三层的结构,分析了它在移动激光热源作用下的温度改变和由此引起的热损伤。提出了三维双向弛豫热传导模型的求解方法,讨论了热源光斑的尺寸对激光治疗的重要性。

  对于孙玉鑫来说,科学研究就像是一趟神奇之旅,能把枯燥乏味的知识转变为神奇的能量。在这条奇妙的探索之路上前行着,她感到无比自豪。

  泛舟科研之海,造福社会和人民

  作为一名科研人,孙玉鑫孜孜不倦、努力前行。同时,作为一名北航人,孙玉鑫和她的同事们始终秉持着一种情怀:要用精湛的专业知识为我国的航空航天事业贡献自己的力量,用卓越的科研成果造福于社会和人民。

  众所周知,21世纪以来,飞机逐渐成为了人们出行的交通工具首选。不管是飞跃南北,还是步入遥远的异国他乡,它总是能在最短的时间内给与我们最大的便利。但是,我们在享受着飞机带来的快捷的同时,也不得不警醒飞机所带来的各种事故伤害。尽管根据一次次的全球统计,飞机的事故率相对来说的确是最低的,但一旦你上了一架要出事的飞机,生还的可能性往往近乎于零,MH370就是一个血淋淋的事实。

  据悉,大约有35%的事故发生在飞机起飞阶段,将近60%的事故发生在降落阶段。原因就在起飞和降落这两个过程跟平飞相比,故障发生时留给驾驶员的判断时间极短,高度极低,各种气象或地理的不利因素也集中在这两个阶段并对飞机的影响比较明显,各种因素综合在一起也容易干扰飞行员的判断。

  这一问题,引起了孙玉鑫和同事们的强烈关注,一种强烈的责任感迫使他们要为此做些什么。于是,在她和团队的研究中就对飞机降落时的跑道拦阻系统的相关材料进行了有效的改进。目前,国际航空所通用的材料是一种泡沫混凝土。它的特性是比较柔软,飞机在滑翔的过程中就像跑在了泥浆里,很容易就会把这种材料压坏从而产生阻力使飞机安全停止下来。但是这种材料在飞机的降落过程中很容易激起很大的灰尘,而灰尘如果跑到飞机的发动机里,就会进而产生一些其它的危险,所以寻找到一种安全可靠的飞机跑道材料对飞机的安全降落是很有必要的。

  在孙玉鑫和她团队成员的研究中就提出了一种泡沫蜂窝材料,这种材料结构在破碎的时候不会粉粹成灰尘,所以就避免了对飞机的二次污染和破坏。确定材料之后,孙玉鑫和自己的团队成员共同协作研究了蜂窝材料的能量吸收机制,并建立了机轮—蜂窝材料耦合作用力学模型。同时针对飞机多刚体动力学模型的五个自由度,把两者成功结合,通过MATLAB编程,完成了对B737-900ER飞机的拦停仿真计算。证实了与传统拦阻系统相比,蜂窝材料拦阻性能显得更优越。在保证乘客安全和飞机结构不受损伤的承载范围内,拦停距离更短,拦停时间更短。

  科研的道路永远都是无止境的。为了拦阻不同大小和重量的飞机,他们又进一步提出了一种高分子聚合物材料来作为一种新的飞机跑道拦阻材料。孙玉鑫和她的伙伴们通过对EMAS结构进行优化设计,令其铺垫的飞机跑道的厚度线性增加,并分析了初始高度,倾斜角,材料强度等几种参数的影响。然后在此基础上进行多目标优化设计,以获得特定的升阻比和最小的贯穿深度。相信研究完成后必定会对未来飞机跑道的安全性做出巨大的贡献。

  对于科研,如果只是单纯的当成一种养家糊口的工作,固然会觉得枯燥乏味,但是如果是在好奇心和探索欲的指引下,却可能会沉醉于它的美而不可自拔。对于孙玉鑫来说,做科研需要无限的热情、严谨的态度和持之以恒的精神,因为这是她无悔的选择,更是她值得倾注于一生的事业。“路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。”科研路上风景无限,只有坚持下去的人才有机会领略,能在这个美妙的世界中泛舟冲浪,在怡然自得中造福于社会和人民,不能不说这也是一种享受。孙玉鑫乐在其中,未来也必将更加灿烂辉煌。