瞭望丨中國工程院院士段寶巖:讓國之重器“耳聰目明”

 

　　◇“看得遠”“聽得清”的同時還要求高精度、快響應(yīng)、低成本、小體積，讓國之重器變得“耳聰目明”是我們的使命所在

 

　　◇我國工業(yè)制造正經(jīng)歷著轉(zhuǎn)型升級、迭代發(fā)展、突破瓶頸的關(guān)鍵時期，面向“十四五”規(guī)劃和2035年遠景目標綱要的需求，科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)發(fā)展急需一大批工程科技拔尖人才，支撐科技自立自強

 

　　雷達、通信、導(dǎo)航、天線、射電望遠鏡……這些高精度、高性能復(fù)雜電子裝備的設(shè)計與制造水平，是國家整體科技水平與實力的重要體現(xiàn)。

 

　　中國工程院院士、西安電子科技大學(xué)教授段寶巖，長期從事電子機械工程學(xué)科的教學(xué)與科研工作，致力于高精度電子裝備機電耦合技術(shù)這一交叉學(xué)科研究，開辟了我國電子裝備機電耦合研究的新領(lǐng)域，其成果已成功應(yīng)用于探月工程、神舟飛船、深空探測等國家重大工程中，特別在“中國天眼”500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)的創(chuàng)新設(shè)計中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

 

　　在近日舉行的國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，段寶巖院士牽頭完成的“高密度柔性天線機電耦合技術(shù)與綜合設(shè)計平臺及應(yīng)用”項目榮獲2020年度國家科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎。

 

　　對于這項成果的鑒定意見是，“關(guān)鍵核心技術(shù)自主可控，項目成果總體居國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平，其中多場耦合理論模型、非線性結(jié)構(gòu)因素對電性能影響機理居國際領(lǐng)先”。

 

　　近日，圍繞機電一體化、工程科技拔尖人才培養(yǎng)、高性能復(fù)雜機電裝備創(chuàng)新發(fā)展問題，《瞭望》新聞周刊記者專訪了段寶巖。

 

　　開辟我國電子裝備機電耦合研究新領(lǐng)域

 

　　《瞭望》：請你介紹下什么是機電一體化。

 

　　段寶巖：機電一體化(Mechatronics)概念，最早出現(xiàn)于20世紀70年代，其英文是將Mechanical與Electronics兩個詞掐頭去尾組合而成的，體現(xiàn)了機械與電磁(氣)技術(shù)不斷融合的內(nèi)涵演進和發(fā)展趨勢。

 

　　高性能復(fù)雜機電裝備的機電一體化設(shè)計從出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了機電分離、機電綜合、機電耦合三個不同的發(fā)展階段。

 

　　從機電分離、機電綜合到機電耦合，機電一體化技術(shù)發(fā)生了鮮明的代際演進，為高端裝備設(shè)計與制造提供了理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐。而復(fù)雜裝備設(shè)計與制造中的機電耦合技術(shù)，則進一步體現(xiàn)為機械、電氣、電子、電磁、光學(xué)、熱學(xué)、控制等多學(xué)科的交叉融合，涉及多物理場、多介質(zhì)、多尺度、多元素的深入研究。顯然，以機電耦合為突破口的設(shè)計與制造技術(shù)必將迎來更大挑戰(zhàn)。

 

　　一般而言，復(fù)雜機電裝備主要包括兩大類：一類是以機械性能為主，電性能服務(wù)于機械性能的機電裝備，如大型數(shù)控機床等加工裝備，以及車輛、化工、船舶、農(nóng)業(yè)、能源、挖掘與掘進等行業(yè)重大裝備，主要是運用電子信息技術(shù)來改造、武裝、提升傳統(tǒng)裝備的機械性能;另一類則是以電性能為主，機械性能服務(wù)于電性能的電子裝備，如雷達、通信、計算機、導(dǎo)航、天線、射電望遠鏡等，其機械結(jié)構(gòu)主要用于保障特定電磁性能的實現(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于陸、海、空、天等各個關(guān)鍵領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。這兩大類裝備從廣義上講，均屬于機電結(jié)合的復(fù)雜裝備，是機電一體化技術(shù)重點應(yīng)用的典型代表。

 

　　伴隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了諸如機-電-液一體化、流-固-氣一體化、生物-電磁一體化等概念，雖然說法不同，但實質(zhì)上基本還是機電一體化，目的都是研究不同物理系統(tǒng)或物理場之間的相互關(guān)系，從而找到提高系統(tǒng)或設(shè)備整體性能的有效途徑。

 

　　《瞭望》：今天許多創(chuàng)新成果出現(xiàn)在交叉學(xué)科，請你介紹下電子機械工程這一交叉學(xué)科的特點和你們的成果創(chuàng)新點。

 

　　段寶巖：電子機械工程是學(xué)科交叉形成的一門小學(xué)科，但作用和意義重大。在電子機械工程領(lǐng)域，對低頻段裝備而言，機械與電磁(氣)間的矛盾沒那么尖銳，而隨著電子裝備向高頻段、高增益，高密度、小型化，快響應(yīng)、高精度的方向發(fā)展，機電之間相互影響、相互制約的問題日益嚴苛起來。

 

　　作為機電結(jié)合的電子裝備，其機械結(jié)構(gòu)不僅是電性能實現(xiàn)的載體和保障，且往往制約著電性能的實現(xiàn)與提高，故應(yīng)進行機電耦合設(shè)計。遺憾的是，傳統(tǒng)設(shè)計卻是機電相互分離的，這導(dǎo)致電子裝備研制的性能低、周期長、成本高、結(jié)構(gòu)笨重，已成為長期制約電子裝備性能提高的一個瓶頸，我們的研究旨在破解這一難題。

 

　　1994年11月，我剛回國不久，就碰到我國要建造新一代大射電望遠鏡的重大項目。這個項目就是2016年9月在貴州落成啟用、被譽為“中國天眼”的500米口徑球面射電望遠鏡，簡稱FAST。

 

　　我們團隊提出了光機電一體化創(chuàng)新設(shè)計，先后研制了一個5米、兩個50米口徑的縮比試驗驗證模型，重點突破了電性能與機械結(jié)構(gòu)間的機電耦合、靈巧結(jié)構(gòu)設(shè)計，饋源艙艙索柔性結(jié)構(gòu)的精確力學(xué)建模和求解、艙索柔性結(jié)構(gòu)系統(tǒng)控制，以及粗精兩級調(diào)整系統(tǒng)的動力學(xué)耦合與復(fù)合運動控制等關(guān)鍵技術(shù)，為500米口徑球面射電望遠鏡的工程實現(xiàn)奠定了堅實的技術(shù)與工程基礎(chǔ)。

 

　　這一創(chuàng)新設(shè)計以6根大跨度的柔索驅(qū)動設(shè)計方案代替美國阿雷西博望遠鏡的剛性背架支撐結(jié)構(gòu)方案，以軟件代替硬件，結(jié)構(gòu)形式大大簡化，不僅使饋源艙及其支撐驅(qū)動系統(tǒng)的自重由阿雷西博型的上萬噸降至30噸，且實現(xiàn)了饋源的毫米級動態(tài)定位精度。

 

　　輕型索拖動系統(tǒng)作為FAST三大自主創(chuàng)新中最為關(guān)鍵的一個，具有顛覆性，在世界同行眼里被譽為“變革式創(chuàng)新”。

 

　　進入新世紀以來，我們在長期致力于電子裝備多學(xué)科交叉融合研究的基礎(chǔ)上，開辟了我國電子裝備機電耦合研究的新領(lǐng)域。在這個嶄新領(lǐng)域里，先后建立了電磁場、結(jié)構(gòu)位移場與溫度場間的場耦合理論模型，揭示了非線性機械結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機理，提出了基于多場耦合理論模型與影響機理的機電耦合設(shè)計理論與方法，形成了一種初步的學(xué)科體系。

 

　　具體到此次獲得國家科學(xué)技術(shù)進步獎一等獎的項目“高密度柔性天線機電耦合技術(shù)與綜合設(shè)計平臺及應(yīng)用”，建立了高密度柔性天線機、電、熱多場耦合理論模型，探明了非線性機械結(jié)構(gòu)因素對其電磁性能的影響機理，突破了力電耦合、高效熱控、控形控性等關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了我國首個集電磁、結(jié)構(gòu)、熱于一體的高密度柔性天線綜合設(shè)計平臺，開辟了我國天線技術(shù)研究的新領(lǐng)域，引領(lǐng)了我國高性能電子裝備的跨越式發(fā)展。成果被成功應(yīng)用于我國火星探測與探月工程的地面測控大口徑天線、首部靜電成型薄膜天線、“中國天眼”等多部重大裝備與工程中，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟、社會與國防效益。

 

　　最近十年來，伴隨著國家加快發(fā)展航天事業(yè)、建設(shè)航天強國的腳步，我們團隊又進一步深化了機電耦合設(shè)計思想，為星載天線機電耦合設(shè)計的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。特別是提出的大型空間可展開天線的系統(tǒng)設(shè)計理論與方法，進一步拓寬了結(jié)構(gòu)與多學(xué)科優(yōu)化的范疇。

 

　　培養(yǎng)工程科技拔尖創(chuàng)新人才

 

　　《瞭望》：如何將科研與學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)有機結(jié)合?

 

　　段寶巖：人才培養(yǎng)、科學(xué)研究是大學(xué)的重要職能。通過科研提升學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)水平，為國家發(fā)展提供源源不斷的高水平人才，是大學(xué)尤其是研究型大學(xué)義不容辭的責(zé)任。而如何形成中國特色的電子機械工程學(xué)科人才培養(yǎng)體系與教師隊伍，則成為電子機械工程學(xué)科發(fā)展的根本性問題。

 

　　當前，隨著新型電子裝備快速發(fā)展，我國對電子機械工程的學(xué)科建設(shè)與人才培養(yǎng)提出了越來越高的要求。同時，新技術(shù)突破也在催生新的人才培養(yǎng)模式，其中兩個特點尤為突出，一是更加重視理論和工程實際結(jié)合，二是更加注重跨界融合與交叉滲透。

 

　　因此，我們要求學(xué)生走出象牙塔，走向工廠車間，走向項目工地，因為那里有多學(xué)科匯聚的案例，是人才成長最快的場域。這種系統(tǒng)化的思維方式能將教學(xué)與實踐、繼承與創(chuàng)新緊密地聯(lián)系在一起。

 

　　以此次獲獎項目為例，它涉及力學(xué)、機械學(xué)、電磁學(xué)、熱學(xué)以及控制科學(xué)與工程等多學(xué)科，構(gòu)成了15個研究專題，參與的校內(nèi)外單位達8家，大家集思廣益、協(xié)同作戰(zhàn)，最后達成了團隊成長和項目精進相得益彰的效果。

 

　　此外，在人才培養(yǎng)方面要注重傳承，在固守本體的基礎(chǔ)上再去創(chuàng)新。我從導(dǎo)師身上就學(xué)到很多終身受益的品質(zhì)，比如持之以恒，踏踏實實做事等。而且要把基礎(chǔ)打牢，只有打牢基礎(chǔ)才能不斷取得創(chuàng)新和突破。

 

　　我對學(xué)生做科研的要求是，要了解這一專業(yè)領(lǐng)域的最新動態(tài)，了解國際前沿，圍繞國家重大需求，和國家重大項目結(jié)合在一起，再去研究怎么攻克這些難題。

 

　　堅持人才培養(yǎng)和科研相結(jié)合的模式，西安電子科技大學(xué)機電工程學(xué)院電子機械學(xué)科已培養(yǎng)出一大批奮戰(zhàn)在一線的優(yōu)秀博士、碩士畢業(yè)生，絕大多數(shù)服務(wù)于國家重點領(lǐng)域、重要行業(yè)。畢業(yè)生中的60%成為中國電子科技集團有限公司、中國兵器工業(yè)集團有限公司、中國航天科技集團有限公司等大型國企的技術(shù)骨干，30%進入了華為、中興等行業(yè)知名企業(yè)。

 

　　《瞭望》：未來如何培養(yǎng)工程科技拔尖創(chuàng)新人才?

 

　　段寶巖：培養(yǎng)工程科技拔尖創(chuàng)新人才需要突破傳統(tǒng)范式，更加注重創(chuàng)新思維、工程能力、潛質(zhì)素養(yǎng)的培養(yǎng)。能力培養(yǎng)的重點在于突破常規(guī)、發(fā)現(xiàn)問題、迸發(fā)靈感、破解難題;素質(zhì)養(yǎng)成的重點在于具有廣博視野、縝密邏輯、強烈的好奇心、對探索新事物保持極大的興趣等。此外，還應(yīng)具備卓越的人文素養(yǎng)及突出的交流組織能力，以適應(yīng)人工智能發(fā)展趨勢下工程科技創(chuàng)新的新變化、新要求。

 

　　讓高端電子裝備“強筋壯骨”

 

　　《瞭望》：怎么看我國高端電子裝備的發(fā)展現(xiàn)狀?

 

　　段寶巖：高端電子裝備制造是前沿技術(shù)、新興產(chǎn)業(yè)、高端裝備制造業(yè)的深度交叉融合，在國民經(jīng)濟發(fā)展領(lǐng)域、國防軍事裝備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

 

　　我國高端電子裝備制造，在芯片、軟件、關(guān)鍵傳感器及控制器的部件上目前還受制于人、“缺芯少魂”，在材料、制造裝備、工藝、測試保障上與世界發(fā)達國家還有較大差距、“筋骨瘦弱”，因此，亟待整體提升高端電子裝備制造能力和水平。

 

　　首先，應(yīng)著眼長遠，高度重視高端電子裝備的集成攻堅，進一步突出其戰(zhàn)略意義。前沿、顛覆性技術(shù)發(fā)明，往往是工業(yè)革命的開端，而從技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)發(fā)展、生產(chǎn)力提升的關(guān)鍵就在于裝備制造。增強和提升數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化自主裝備制造實力，不僅是當下迫切需要而且事關(guān)長遠發(fā)展。

 

　　其次，在高端裝備制造業(yè)、戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展上需進一步突出高端電子裝備的支撐引領(lǐng)與輻射帶動作用。高端電子裝備，猶如裝備的“大腦”和“神經(jīng)系統(tǒng)”。集中力量解決好制約高端電子裝備制造能力提升的瓶頸問題，有利于整體提升我國裝備制造的信息化、智能化程度。

 

　　最后，應(yīng)采取多元化、多樣化發(fā)展模式，推進高端電子裝備制造在經(jīng)濟、科技等多領(lǐng)域的滲透與深度融合。一些關(guān)鍵共性技術(shù)的突破和系統(tǒng)制造能力的提升，既需要基礎(chǔ)理論支撐、重點研發(fā)支持，也需要大量資金投入、市場機制統(tǒng)籌。因此，以多元化、多樣化模式發(fā)展高端電子裝備制造，是融合經(jīng)濟、科技等多領(lǐng)域需求，促進系統(tǒng)化、協(xié)同化、多體系創(chuàng)新發(fā)展的必需，有利于解決我國高端裝備制造受制于人的瓶頸。

 

　　來源： 新華社-《瞭望》新聞周刊

 

標簽：

 

中國工程院院士　段寶巖　國之重器

 

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