瞭望丨中国工程院院士段宝岩:让国之重器“耳聪目明”

 

　　◇“看得远”“听得清”的同时还要求高精度、快响应、低成本、小体积，让国之重器变得“耳聪目明”是我们的使命所在

 

　　◇我国工业制造正经历着转型升级、迭代发展、突破瓶颈的关键时期，面向“十四五”规划和2035年远景目标纲要的需求，科技创新与产业发展急需一大批工程科技拔尖人才，支撑科技自立自强

 

　　雷达、通信、导航、天线、射电望远镜……这些高精度、高性能复杂电子装备的设计与制造水平，是国家整体科技水平与实力的重要体现。

 

　　中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩，长期从事电子机械工程学科的教学与科研工作，致力于高精度电子装备机电耦合技术这一交叉学科研究，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域，其成果已成功应用于探月工程、神舟飞船、深空探测等国家重大工程中，特别在“中国天眼”500米口径球面射电望远镜(FAST)的创新设计中发挥了关键作用。

 

　　在近日举行的国家科学技术奖励大会上，段宝岩院士牵头完成的“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”项目荣获2020年度国家科学技术进步奖一等奖。

 

　　对于这项成果的鉴定意见是，“关键核心技术自主可控，项目成果总体居国内领先、国际先进水平，其中多场耦合理论模型、非线性结构因素对电性能影响机理居国际领先”。

 

　　近日，围绕机电一体化、工程科技拔尖人才培养、高性能复杂机电装备创新发展问题，《瞭望》新闻周刊记者专访了段宝岩。

 

　　开辟我国电子装备机电耦合研究新领域

 

　　《瞭望》：请你介绍下什么是机电一体化。

 

　　段宝岩：机电一体化(Mechatronics)概念，最早出现于20世纪70年代，其英文是将Mechanical与Electronics两个词掐头去尾组合而成的，体现了机械与电磁(气)技术不断融合的内涵演进和发展趋势。

 

　　高性能复杂机电装备的机电一体化设计从出现至今，经历了机电分离、机电综合、机电耦合三个不同的发展阶段。

 

　　从机电分离、机电综合到机电耦合，机电一体化技术发生了鲜明的代际演进，为高端装备设计与制造提供了理论与关键技术支撑。而复杂装备设计与制造中的机电耦合技术，则进一步体现为机械、电气、电子、电磁、光学、热学、控制等多学科的交叉融合，涉及多物理场、多介质、多尺度、多元素的深入研究。显然，以机电耦合为突破口的设计与制造技术必将迎来更大挑战。

 

　　一般而言，复杂机电装备主要包括两大类：一类是以机械性能为主，电性能服务于机械性能的机电装备，如大型数控机床等加工装备，以及车辆、化工、船舶、农业、能源、挖掘与掘进等行业重大装备，主要是运用电子信息技术来改造、武装、提升传统装备的机械性能;另一类则是以电性能为主，机械性能服务于电性能的电子装备，如雷达、通信、计算机、导航、天线、射电望远镜等，其机械结构主要用于保障特定电磁性能的实现，被广泛应用于陆、海、空、天等各个关键领域，发挥着不可替代的作用。这两大类装备从广义上讲，均属于机电结合的复杂装备，是机电一体化技术重点应用的典型代表。

 

　　伴随着机电一体化技术的发展，相继出现了诸如机-电-液一体化、流-固-气一体化、生物-电磁一体化等概念，虽然说法不同，但实质上基本还是机电一体化，目的都是研究不同物理系统或物理场之间的相互关系，从而找到提高系统或设备整体性能的有效途径。

 

　　《瞭望》：今天许多创新成果出现在交叉学科，请你介绍下电子机械工程这一交叉学科的特点和你们的成果创新点。

 

　　段宝岩：电子机械工程是学科交叉形成的一门小学科，但作用和意义重大。在电子机械工程领域，对低频段装备而言，机械与电磁(气)间的矛盾没那么尖锐，而随着电子装备向高频段、高增益，高密度、小型化，快响应、高精度的方向发展，机电之间相互影响、相互制约的问题日益严苛起来。

 

　　作为机电结合的电子装备，其机械结构不仅是电性能实现的载体和保障，且往往制约着电性能的实现与提高，故应进行机电耦合设计。遗憾的是，传统设计却是机电相互分离的，这导致电子装备研制的性能低、周期长、成本高、结构笨重，已成为长期制约电子装备性能提高的一个瓶颈，我们的研究旨在破解这一难题。

 

　　1994年11月，我刚回国不久，就碰到我国要建造新一代大射电望远镜的重大项目。这个项目就是2016年9月在贵州落成启用、被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜，简称FAST。

 

　　我们团队提出了光机电一体化创新设计，先后研制了一个5米、两个50米口径的缩比试验验证模型，重点突破了电性能与机械结构间的机电耦合、灵巧结构设计，馈源舱舱索柔性结构的精确力学建模和求解、舱索柔性结构系统控制，以及粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等关键技术，为500米口径球面射电望远镜的工程实现奠定了坚实的技术与工程基础。

 

　　这一创新设计以6根大跨度的柔索驱动设计方案代替美国阿雷西博望远镜的刚性背架支撑结构方案，以软件代替硬件，结构形式大大简化，不仅使馈源舱及其支撑驱动系统的自重由阿雷西博型的上万吨降至30吨，且实现了馈源的毫米级动态定位精度。

 

　　轻型索拖动系统作为FAST三大自主创新中最为关键的一个，具有颠覆性，在世界同行眼里被誉为“变革式创新”。

 

　　进入新世纪以来，我们在长期致力于电子装备多学科交叉融合研究的基础上，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。在这个崭新领域里，先后建立了电磁场、结构位移场与温度场间的场耦合理论模型，揭示了非线性机械结构因素对电性能的影响机理，提出了基于多场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法，形成了一种初步的学科体系。

 

　　具体到此次获得国家科学技术进步奖一等奖的项目“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”，建立了高密度柔性天线机、电、热多场耦合理论模型，探明了非线性机械结构因素对其电磁性能的影响机理，突破了力电耦合、高效热控、控形控性等关键技术，研发了我国首个集电磁、结构、热于一体的高密度柔性天线综合设计平台，开辟了我国天线技术研究的新领域，引领了我国高性能电子装备的跨越式发展。成果被成功应用于我国火星探测与探月工程的地面测控大口径天线、首部静电成型薄膜天线、“中国天眼”等多部重大装备与工程中，产生了显著的经济、社会与国防效益。

 

　　最近十年来，伴随着国家加快发展航天事业、建设航天强国的脚步，我们团队又进一步深化了机电耦合设计思想，为星载天线机电耦合设计的工程应用奠定了理论基础。特别是提出的大型空间可展开天线的系统设计理论与方法，进一步拓宽了结构与多学科优化的范畴。

 

　　培养工程科技拔尖创新人才

 

　　《瞭望》：如何将科研与学科建设和人才培养有机结合?

 

　　段宝岩：人才培养、科学研究是大学的重要职能。通过科研提升学科建设和人才培养水平，为国家发展提供源源不断的高水平人才，是大学尤其是研究型大学义不容辞的责任。而如何形成中国特色的电子机械工程学科人才培养体系与教师队伍，则成为电子机械工程学科发展的根本性问题。

 

　　当前，随着新型电子装备快速发展，我国对电子机械工程的学科建设与人才培养提出了越来越高的要求。同时，新技术突破也在催生新的人才培养模式，其中两个特点尤为突出，一是更加重视理论和工程实际结合，二是更加注重跨界融合与交叉渗透。

 

　　因此，我们要求学生走出象牙塔，走向工厂车间，走向项目工地，因为那里有多学科汇聚的案例，是人才成长最快的场域。这种系统化的思维方式能将教学与实践、继承与创新紧密地联系在一起。

 

　　以此次获奖项目为例，它涉及力学、机械学、电磁学、热学以及控制科学与工程等多学科，构成了15个研究专题，参与的校内外单位达8家，大家集思广益、协同作战，最后达成了团队成长和项目精进相得益彰的效果。

 

　　此外，在人才培养方面要注重传承，在固守本体的基础上再去创新。我从导师身上就学到很多终身受益的品质，比如持之以恒，踏踏实实做事等。而且要把基础打牢，只有打牢基础才能不断取得创新和突破。

 

　　我对学生做科研的要求是，要了解这一专业领域的最新动态，了解国际前沿，围绕国家重大需求，和国家重大项目结合在一起，再去研究怎么攻克这些难题。

 

　　坚持人才培养和科研相结合的模式，西安电子科技大学机电工程学院电子机械学科已培养出一大批奋战在一线的优秀博士、硕士毕业生，绝大多数服务于国家重点领域、重要行业。毕业生中的60%成为中国电子科技集团有限公司、中国兵器工业集团有限公司、中国航天科技集团有限公司等大型国企的技术骨干，30%进入了华为、中兴等行业知名企业。

 

　　《瞭望》：未来如何培养工程科技拔尖创新人才?

 

　　段宝岩：培养工程科技拔尖创新人才需要突破传统范式，更加注重创新思维、工程能力、潜质素养的培养。能力培养的重点在于突破常规、发现问题、迸发灵感、破解难题;素质养成的重点在于具有广博视野、缜密逻辑、强烈的好奇心、对探索新事物保持极大的兴趣等。此外，还应具备卓越的人文素养及突出的交流组织能力，以适应人工智能发展趋势下工程科技创新的新变化、新要求。

 

　　让高端电子装备“强筋壮骨”

 

　　《瞭望》：怎么看我国高端电子装备的发展现状?

 

　　段宝岩：高端电子装备制造是前沿技术、新兴产业、高端装备制造业的深度交叉融合，在国民经济发展领域、国防军事装备领域具有广阔的应用前景。

 

　　我国高端电子装备制造，在芯片、软件、关键传感器及控制器的部件上目前还受制于人、“缺芯少魂”，在材料、制造装备、工艺、测试保障上与世界发达国家还有较大差距、“筋骨瘦弱”，因此，亟待整体提升高端电子装备制造能力和水平。

 

　　首先，应着眼长远，高度重视高端电子装备的集成攻坚，进一步突出其战略意义。前沿、颠覆性技术发明，往往是工业革命的开端，而从技术应用到产业发展、生产力提升的关键就在于装备制造。增强和提升数字化、网络化、智能化自主装备制造实力，不仅是当下迫切需要而且事关长远发展。

 

　　其次，在高端装备制造业、战略性新兴产业发展上需进一步突出高端电子装备的支撑引领与辐射带动作用。高端电子装备，犹如装备的“大脑”和“神经系统”。集中力量解决好制约高端电子装备制造能力提升的瓶颈问题，有利于整体提升我国装备制造的信息化、智能化程度。

 

　　最后，应采取多元化、多样化发展模式，推进高端电子装备制造在经济、科技等多领域的渗透与深度融合。一些关键共性技术的突破和系统制造能力的提升，既需要基础理论支撑、重点研发支持，也需要大量资金投入、市场机制统筹。因此，以多元化、多样化模式发展高端电子装备制造，是融合经济、科技等多领域需求，促进系统化、协同化、多体系创新发展的必需，有利于解决我国高端装备制造受制于人的瓶颈。

 

　　来源： 新华社-《瞭望》新闻周刊

 

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