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、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

 

　　◇我國工業制造正經歷著轉型升級、迭代發展、突破瓶頸的關鍵時期，面向“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要的需求，科技創新與產業發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、導航、天線、射電望遠鏡……這些高精度、高性能復雜電子裝備的設計與制造水平，是國家整體科技水平與實力的重要體現。

 

　　中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶巖，長期從事電子機械工程學科的教學與科研工作，致力于高精度電子裝備機電耦合技術這一交叉學科研究，開辟了我國電子裝備機電耦合研究的新領域，其成果已成功應用于探月工程、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)的創新設計中發揮了關鍵作用。

 

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

 

　　對于這項成果的鑒定意見是，“關鍵核心技術自主可控，項目成果總體居國內領先、國際先進水平，其中多場耦合理論模型、非線性結構因素對電性能影響機理居國際領先”。

 

　　近日，圍繞機電一體化、工程科技拔尖人才培養、高性能復雜機電裝備創新發展問題，《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，體現了機械與電磁(氣)技術不斷融合的內涵演進和發展趨勢。

 

　　高性能復雜機電裝備的機電一體化設計從出現至今，經歷了機電分離、機電綜合、機電耦合三個不同的發展階段。

 

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

 

　　一般而言，復雜機電裝備主要包括兩大類：一類是以機械性能為主，電性能服務于機械性能的機電裝備，如大型數控機床等加工裝備，以及車輛、化工、船舶、農業、能源、挖掘與掘進等行業重大裝備，主要是運用電子信息技術來改造、武裝、提升傳統裝備的機械性能;另一類則是以電性能為主，機械性能服務于電性能的電子裝備，如雷達、通信、計算機、導航、天線、射電望遠鏡等，其機械結構主要用于保障特定電磁性能的實現，被廣泛應用于陸、海、空、天等各個關鍵領域，發揮著不可替代的作用。這兩大類裝備從廣義上講，均屬于機電結合的復雜裝備，是機電一體化技術重點應用的典型代表。

 

　　伴隨著機電一體化技術的發展，相繼出現了諸如機-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，但實質上基本還是機電一體化，目的都是研究不同物理系統或物理場之間的相互關系，從而找到提高系統或設備整體性能的有效途徑。

 

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

 

　　段寶巖：電子機械工程是學科交叉形成的一門小學科，但作用和意義重大。在電子機械工程領域，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、高精度的方向發展，機電之間相互影響、相互制約的問題日益嚴苛起來。

 

　　作為機電結合的電子裝備，其機械結構不僅是電性能實現的載體和保障，且往往制約著電性能的實現與提高，故應進行機電耦合設計。遺憾的是，傳統設計卻是機電相互分離的，這導致電子裝備研制的性能低、周期長、成本高、結構笨重，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新設計，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構間的機電耦合、靈巧結構設計，饋源艙艙索柔性結構的精確力學建模和求解、艙索柔性結構系統控制，以及粗精兩級調整系統的動力學耦合與復合運動控制等關鍵技術，為500米口徑球面射電望遠鏡的工程實現奠定了堅實的技術與工程基礎。

 

　　這一創新設計以6根大跨度的柔索驅動設計方案代替美國阿雷西博望遠鏡的剛性背架支撐結構方案，以軟件代替硬件，結構形式大大簡化，不僅使饋源艙及其支撐驅動系統的自重由阿雷西博型的上萬噸降至30噸，且實現了饋源的毫米級動態定位精度。

 

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

 

　　進入新世紀以來，我們在長期致力于電子裝備多學科交叉融合研究的基礎上，開辟了我國電子裝備機電耦合研究的新領域。在這個嶄新領域里，先后建立了電磁場、結構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構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計理論與方法，形成了一種初步的學科體系。

 

　　具體到此次獲得國家科學技術進步獎一等獎的項目“高密度柔性天線機電耦合技術與綜合設計平臺及應用”，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構因素對其電磁性能的影響機理，突破了力電耦合、高效熱控、控形控性等關鍵技術，研發了我國首個集電磁、結構、熱于一體的高密度柔性天線綜合設計平臺，開辟了我國天線技術研究的新領域，引領了我國高性能電子裝備的跨越式發展。成果被成功應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，產生了顯著的經濟、社會與國防效益。

 

　　最近十年來，伴隨著國家加快發展航天事業、建設航天強國的腳步，我們團隊又進一步深化了機電耦合設計思想，為星載天線機電耦合設計的工程應用奠定了理論基礎。特別是提出的大型空間可展開天線的系統設計理論與方法，進一步拓寬了結構與多學科優化的范疇。

 

　　培養工程科技拔尖創新人才

 

　　《瞭望》：如何將科研與學科建設和人才培養有機結合?

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

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

 

　　堅持人才培養和科研相結合的模式，西安電子科技大學機電工程學院電子機械學科已培養出一大批奮戰在一線的優秀博士、碩士畢業生，絕大多數服務于國家重點領域、重要行業。畢業生中的60%成為中國電子科技集團有限公司、中國兵器工業集團有限公司、中國航天科技集團有限公司等大型國企的技術骨干，30%進入了華為、中興等行業知名企業。

 

　　《瞭望》：未來如何培養工程科技拔尖創新人才?

 

　　段寶巖：培養工程科技拔尖創新人才需要突破傳統范式，更加注重創新思維、工程能力、潛質素養的培養。能力培養的重點在于突破常規、發現問題、迸發靈感、破解難題;素質養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，還應具備卓越的人文素養及突出的交流組織能力，以適應人工智能發展趨勢下工程科技創新的新變化、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展現狀?

 

　　段寶巖：高端電子裝備制造是前沿技術、新興產業、高端裝備制造業的深度交叉融合，在國民經濟發展領域、國防軍事裝備領域具有廣闊的應用前景。

 

　　我國高端電子裝備制造，在芯片、軟件、關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，進一步突出其戰略意義。前沿、顛覆性技術發明，往往是工業革命的開端，而從技術應用到產業發展、生產力提升的關鍵就在于裝備制造。增強和提升數字化、網絡化、智能化自主裝備制造實力，不僅是當下迫切需要而且事關長遠發展。

 

　　其次，在高端裝備制造業、戰略性新興產業發展上需進一步突出高端電子裝備的支撐引領與輻射帶動作用。高端電子裝備，猶如裝備的“大腦”和“神經系統”。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，應采取多元化、多樣化發展模式，推進高端電子裝備制造在經濟、科技等多領域的滲透與深度融合。一些關鍵共性技術的突破和系統制造能力的提升，既需要基礎理論支撐、重點研發支持，也需要大量資金投入、市場機制統籌。因此，以多元化、多樣化模式發展高端電子裝備制造，是融合經濟、科技等多領域需求，促進系統化、協同化、多體系創新發展的必需，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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