首页 -> 2003年第7期
竺苗龙和他的航天理论
作者：李百祥
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黄圳圭与吴美平联名发表的论文《最省燃料消耗的发射轨道问题讨论》“摘要”称：在有限推力发射轨道的大量数值仿真与分析的基础上，讨论了竺苗龙著《最佳轨道引论》（宇航出版社北京１９８９年版）和《航天力学中的一些理论问题（２）》（科学出版社北京２０００年版，此时是手稿）中冲量式最优发射轨道的有关方法和结论的可信度，并验证了这些方法和结论的正确性，从而得出有限推力发射轨道最省燃料消耗问题中具有工程实际意义的结论。
黄圳圭与吴美平的论文认为：
“本文算例中的目标轨道，是远地点近似为同步轨道高度，近地点为５００km高度的大椭圆轨道。此轨道近似为发射同步轨道的转移轨道。目前，发射此轨道时通常选在近地点入轨，这样虽然比较容易实现，但燃料损耗不是最省的。如果能够按照上面讨论的结论与方法选择最优入轨点，优化第三级火箭推力，优化主动段关机点高度与飞行程序，则在相同的起飞条件下，可为天上节省数十公斤的燃料。”
反复品味这两篇论文，竺苗龙的心情难以平静。因为，没有人比他更清楚：自己关于多级火箭结构参数的最优化理论，绝对不是只能解决贾沛然的数字仿真所验证的这么一个问题；自己关于发射人造卫星的最佳轨道理论，也绝对不是只能解决黄圳圭的数字仿真所验证的那样一个问题。
竺苗龙原来就对自己的两个理论的价值了然于心，通过贾沛然、黄圳圭的大力帮助，更明确了两条：第一，自己的两个理论，能经得起实践检验，是站得住脚的。第二，从实际应用的角度来看，是有用的，有潜力的。
贾沛然的数字仿真说明，如果用竺苗龙的理论，每次发射不是节省区区几公斤或几十公斤推进剂。作一个简单的推理，当有效载荷从３００公斤减少为１５０公斤时，即可节省推进剂几千公斤。同样，黄圳圭的数字仿真表明，如果用竺苗龙的理论，可使该卫星的寿命从原设计的三年，延长到四年以上。试问，这在经济和科学两个方面，具有何等意义？
以上的账，都是按发射一次而粗算的，那么发射N次呢？更何况竺苗龙的理论还能解决其他问题呢。当然，这一切在没有用上以前，都只能算作预料，真正的结论应在应用之后，因为实践是检验真理的惟一标准。
苦战过关
叶剑英元帅诗云：“科学有险阻，苦战能过关。”竺苗龙对于自己经过三十年的艰苦奋斗，终于完成两个理论的原因，作了这样的概括：首先，归功于领导的关怀和组织的培养，归功于良好的大气候和大环境。对竺苗龙而言，他多次受到中央领导的亲切接见和关心，多次得到省委领导、原中国科大领导、原浙江大学领导的关怀。他们叮嘱竺苗龙：你当校领导，应该行政工作第一，但科研工作也绝不能放弃，应该取得更大的成绩，因为你毕竟是业务干部出身。
其次，归功于同事朋友的帮助与支持。举一个最小的例子，现在，竺苗龙要印稿子或材料，青岛大学的同志，总是印得又快又好，节省了他的精力和时间。
特别让竺苗龙一说起来就感动不已的是，从１９９７年春天至１９９９年春天的两年中，长沙国防科技大学的贾沛然、黄圳圭教授等人，牺牲了包括节假日在内的大量业余时间，认真负责地帮他做了两个数字仿真。
作为竺苗龙教授两本自成体系的专著《航天力学中的一些理论问题》（英文版）和《航天力学中的一些理论问题（２）》（中文版）的责任编辑、科学出版社的李成香编审也是功不可没。
同样值得称道的是，原航天部７６２所所长、１９８９年在宇航出版社社长任上退休的张竞荣研究员。正是他和赵文华等出版社领导，排除门户之见，毅然决定出版竺苗龙教授两本专著《多级火箭的优化理论》（１９８７年）和《最佳轨道引论》（１９８９年）。１９９９年，当他得知国防科技大学教授的两个仿真验算成功，非常理解和支持竺苗龙教授希望在国内首先应用的想法，主动促成了竺苗龙教授与著名航天专家、原航天部一院副院长、长征３号运载火箭首任总设计师、中国科学院院士谢光选的会面。结果，谢光选院士和另一位中国科学院院士、著名火箭弹道计算专家余梦伦，分别阅读了竺苗龙教授的《多级火箭的优化理论》和两个仿真验算。２０００年１月３日，关心后辈的谢光选院士给竺苗龙教授写了一封情真意切的信：
“苗龙教授：你好。
拜读大作，深感我们有些搞工程技术的人，陷入用计算机求数值解中不能自拔，而缺乏从学科角度用数学来解决问题的思想。先生此作对我们很有启发，愿互相帮助，共同促进……”
应竺苗龙教授之请，此信被谢光选院士改成序言，印在《关于多级火箭结构参数的优化理论》之前，与广大读者见面。
最后，不可否认的一条，是竺苗龙自己确实尽了最大的努力。他是一个勤奋的人。熟悉他的同事朋友都知道，为了多出、快出、出大的科研成果，他抓紧一切能抓的时间搞科研。竺苗龙小时候，也喜欢下棋，爱好游泳及玩乐器，是一个活泼好动的孩子。可是，从上高中开始，他惜时如金，四十多年如一日，从来没有星期天、节假日，一年３６５天，几乎天天都是工作日学习日。就连散步这个惟一的业余爱好，他也用来思考问题。在参加全国政协会议期间，晚上如有文娱活动，他也基本不参加。在青岛大学，他尽量减少一般性的宴请等应酬活动。
熟悉他的朋友同事们也都知道，为了多出、快出、出大的科研成果，竺苗龙有意识地磨自己，始终保持一种艰苦奋斗、不图享乐的作风。在他担任青岛大学领导十几年期间，他常告诉教职员工，每人每年出差少花公家一百元，一年就可节约数十万元经费。他以身作则，去省外出差，尽量坐硬卧。在硬卧车厢，谁也想不到这位衣着朴素的斯文学者，是青岛大学校长、全国政协委员。出差在外，他一般住普通招待所，一日三餐，常在招待所附近的路边小摊点花三五元解决。每次出差，也不惊动接待单位，自携行李挤公共汽车。有时奢侈一点，就花一两元钱，乘一乘中巴。除了出国，他基本上不坐飞机，主要也是为了节省费用。他出差时行李很简单，至今没有时髦的带轮子的箱包和行李车，一年四季都是手拎三个提包：一个装换洗衣服、一个装科研论文和参考书、一个装干粮和水具。其中那个装衣服的包包，还是十几年前买的，两根带子已经严重磨损。不显山不露水的竺苗龙出差几十年，还从来没有被小偷光顾过。用竺苗龙自己的话说，小偷见了他都躲得远远的。
１９８２年暑假，竺苗龙被调入合肥中国科技大学任教。他当时是第５届全国青联常委。第二年他光荣加入中国共产党。１９８３年起，竺苗龙当选第六至第八届全国政协委员，４３岁时被评为教授。
为了多多培养人才，加快山东和青岛的发展，１９８５年，上级正式批准山东省和青岛市关于创办青岛大学的报告，并决定从中国科大、南开大学、天津大学三所名牌大学，分别抽调师资和干部组建。
同年７月，竺苗龙教授被任命为青岛大学副校长，分管科研。竺苗龙回忆说，当创业者苦是苦了点，但是，在党委领导下能跟大家一起创出今天这么一个事业，还是深感欣慰：
想当年，青岛大学校址是荒地一片。建校当年，就因陋就简，招了数学、英语、企业管理三个本科班。英语班学生没有地方上课，只得在天津南开大学借读。学校教职员工临时挤在青岛市委给的一栋楼里办公、住宿。
１９９３年，青岛大学奉命与原在青岛的山东纺织工学院、青岛医学院和青岛师专等三所高校合并，校名还叫青岛大学，原来的青岛大学改名为青岛大学文理学院，竺苗龙升任青岛大学校长、兼任文理学院院长。如今，屹立在美丽的黄海之滨的青岛大学，星罗棋布地分布着办公楼、教学楼、实验楼、教工宿舍、学生宿舍等几十万平方米的漂亮建筑。一个占地两千亩的偌大校园，宛若四季如春的大花园。
如今，通过几任领导和大家的努力，青岛大学的教职员工，由几十人发展到近４０００人，莘莘学子已发展到２６０００多人，其中，包括在读硕士研究生和博士研究生。此外，还有发达国家的在校留学生几百名。近几年，青岛大学还引进了两名院士。一批重点学科和重点实验室也相继建立建成。青岛大学还是上级确定的２１１工程培养单位，目前正在为更大的发展而努力奋斗。应该说，短短十七年间，青岛大学已经初具规模、层次较高，今非昔比了。
青岛大学能有今天，是各级领导从政策、经费、人才等多方面关怀帮助的结果，是全校师生员工筚路蓝缕、艰苦创业的结果，其中，自然也包括竺苗龙---这个创业集体中的一员所耗费的大量心血。
卅年一剑
古人云：“十年磨一剑。”对于从６０年代中期受钱学森《星际航行概论》启蒙的竺苗龙而言，他从浙江大学的一名高材生，成长为“国家有突出贡献的中青年专家”、“山东省拔尖人才”等，最终在多级火箭和航天器的最佳轨道方面创建独树一帜的两个最优化理论体系，时间跨度长达三十多年。换句话说，竺苗龙磨《关于多级火箭结构参数的优化理论》和《关于航天器最佳发射轨道的理论》这两把“宝剑”，整整用了三个十年。
这位２０多年前曾被誉为“以钢铁意志从事科研的竺苗龙”出版专著近１０部，发表学术论文近１００篇，在航天力学领域取得一系列重要的研究成果，其中有些是开创性的研究成果，填补了航天力学领域的一些空白，为该学科的发展作出了重大贡献。
屈指数来，竺苗龙和他的合作者在航天力学方面的理论成果大致可分两大块。
在多级火箭结构参数这一大块，主要有如下十一个组成部分：
---关于多级火箭的极限速度
其中，对于质量不加限制的多级火箭的极限速度，国内外航天科学家都没有严格论证过。竺苗龙首次从理论上进行了严格的论证，其结论是：随着火箭级数的无限增加其特征速度单调上升且逼近于光速。其中对于质量加以限制的火箭的无穷分级问题，国外科学家只在喷气速度是定常的特定情况下，得到简洁的速度极限结果。竺苗龙通过深入研究，获得了一般情况下的火箭无穷分级的极限速度的简洁的结果。
---关于多级火箭的最佳质量比
早在五十年代初，维特里吉特和威廉斯两位学者提出了关于多级火箭最佳质量比的数学模型，并提出了一种计算方法。
竺苗龙对此提出挑战，他通过自己的科研成果，指出威廉斯方法的局限性和适用范围，并给出了当威廉斯方法无效时计算最佳质量比的新方法。
---关于对“（给火箭）加满推进剂可能不是最好”猜想的论证竺苗龙从理论上严格论证
了这个有关多级火箭的猜想。他不但证明了什么时候是加满最好，什么时候不是加满最好；并且在加满不是最好时求出了此时的最佳点。
---关于阿克来公式
阿克来已得到相对论中的单级火箭特征速度表达式，即阿克来公式。当速度较低时，阿克来公式退化为经典力学中单级火箭的齐氏公式。经多年潜心研究，竺苗龙得到了相对论中多级火箭特征速度表达式，并且用简洁方法证明了当速度较低时，它退化为经典力学中多级火箭的齐氏表达式。竺苗龙和他的合作者首次推导出与之间的关系式，其结果是简洁的。通过这个关系式，可将经典力学中的许多关于多级火箭研究结果推广到相对论力学之中。
---关于并联式多级火箭的最佳点火次序
在国外，航天科学家只对两级火箭的点火次序问题进行过探讨。竺苗龙在理论上成功地建立起一个数学模型，并且在理论上取得了一般情况下的解决方法，利用这种方法，二级、三级、四级等并联式多级火箭的最佳点火次序问题就很容易解决。
---解决了多级火箭最大速度问题
---解决了多级火箭最省推进剂问题
---提出并解决了多级火箭最大的最大速度方案问题
---提出并解决了多级火箭的最宜推进剂量方案问题
---解决了难度很大的多级火箭的最大速度值的一般变化规律问题
严格证明了PLCV在一般情况下与PLPM不等价，以及何时等价、何时不等价的问题等。
显然，上面这些理论也可应用到带有助推火箭的多级火箭（包括航天飞机）的有关问题上去。
在航天器的最佳轨道这一大块，主要有两个组成部分。如果仍像上面那样细写，文字又是很多。限于篇幅，也为了照顾非同行的读者，记者只好在这里略述如下：
---关于发射人造地球卫星的最佳轨道
早在六十年代后期，竺苗龙及其合作者从理论上建立了一个关于人造地球卫星的最佳发射轨道问题的新的数学模型，并在此模型的基础上取得了一系列研究成果。
关于发射人造地球卫星的最佳轨道问题，国内外学者已解决对某些γk且目标轨道是圆轨道时的最佳发射轨道问题。但是，人造地球卫星的目标轨道也有不少是椭圆轨道。竺苗龙等人成功地解决了目标轨道为椭圆轨道时，不论熄火点离开地心的距离γk为何值时的最佳发射轨道问题，并且指出了发射所需的能量跟γk及推力等有关，与此同时对γk及推力进行了优化，因而从理论上解决了最佳发射轨道问题。同时，他们也得到了最佳停泊轨道等等。显然，上面这个理论也可应用到发射人造行星和发射同步卫星及返回等等有关问题上。