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西安电子科技大学段宝岩团队项目获2020年度国家科学技术进步奖一等奖

让国之重器“耳聪目明”

来源:陕西科技报 | 日期:2021-11-23
2020年度国家科技奖陕西获奖项目系列报道①
编者按: 11月3日,2020年度国家科技奖揭晓,陕西26项科技成果获国家科技奖励,占2020年度获国家自然科学奖、国家技术发明奖、国家科技进步奖“三大奖”总数的9.85%。
这26项获奖成果中,通用项目21项,其中主持完成11项、参与完成10项;专用项目5项,均为主持完成。并且,主持完成的通用项目获奖数位居全国第四。
本报从本期开始,策划以“2020年度国家科技奖陕西获奖项目系列报道”为专题栏目,采访报道陕西获得该奖项的重要科技成果,深度解析获奖项目的创新亮点和取得的经济社会效益;主题鲜明地彰显陕西的科技力量,让广大公众更深切地感受科学家精神,感受他们为陕西创新驱动、高质量发展做出的巨大奉献。

(段宝岩院士做学术报告)
在2020年度国家科技奖榜单中,中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩牵头完成的“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,获得2020年度国家科技进步奖一等奖。
获奖理由是:建立了我国首个高密度柔性天线机、电、热耦合理论模型,探明非线性机械结构因素对其电磁性能的影响机理,突破机电耦合、高效热控、控型控性等关键技术,自主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,开辟出我国天线技术研究的新领域,引领我国高性能电子装备跨越式发展。
(段宝岩院士在FAST天线施工现场)
                   ■获奖成果应用于大国重器
该获奖项目成果已成功应用于我国第一部最大的GBR防空反导雷达、首部静电成形薄膜天线,以及“中国天眼”FAST等重大装备400余台套,实现产值34.4亿元。
国家一项又一项重大工程领域,都留下了段宝岩团队的身影,他们让这些大国重器变得“耳聪目明”,达到“看得远”“听得清”的同时,还展现了“高精度”“快响应”“低成本”和“小体积”等优势亮点。
我们普通大众最津津乐道的就是“中国天眼”FAST,这个世界上最大单口径球面射电望远镜,正是应用了该团队的机电耦合技术,让这一瞭望和接收宇宙信息的世界级先进设备,在建造和设计中不断优化方案,无论从精度、质量、性能等方面提升了巨大的数量级。
什么是机电耦合技术?“中国天眼”是如何完美诠释段宝岩团队获奖项目成果的?11月10日,段宝岩院士及其团队在西安电子科技大学接受了媒体采访。
据团队成员介绍,两个人在一起叫做“耦”,耦合就是交合的意思。机械与电性能的关系发展到今天,经历了从开始的机电分离到中间的机电综合,再到如今的新阶段——机电耦合。如何理解“机电耦合”?打个比方说:机械代表了可见的物理系统,电性能则代表了不能看见的物理场。前者“刚而实”像男性,后者“柔而虚”像女性。机电耦合就好比男女选择婚姻,步入家庭。在家里谁当家,男方当家则偏向机械,出路是以大型数控机床、船舶、兵器为代表的重大装备。如果是女方当家,出路是雷达、通信、导航、天线为代表的电子装备。
段宝岩团队研究的就是机电耦合的 高性能“柔性”电子装备。天文学研究需要大口径天线,因为口径越大看得越远,而口径越大重量越重,需要的支撑底座也就更重。全可动天线理论口径极限为100米到150米,FAST口径达500米,倘若采取刚性支撑,其馈源舱的重量将达万吨,无论是从造价还是稳定性,都是一件很难想象的事情。

(段宝岩院士在 FAST试验场向外国专家介绍试验)
       该项目最大的难点,就在馈源舱及其支撑结构系统上,段宝岩团队提出的轻型索拖动系统奠定了FAST能不能行、能不能往前推,这是建造的基础之一。
段宝岩院士介绍说,“中国天眼”的反射面相当于眼底,馈源相当于眼珠,“眼底”扫描宇宙的信号,接收汇聚到“眼珠”。我们团队研究的就是这个“眼珠”,要让它的重量更轻、定位精度更高,才能使FAST看得更辽远、看得更清楚。要实现这一目标,天线密度就要越大,单个天线辐射单元的能量就越大,而天线探测距离和单元数量成正比,一定空间范围内排的单元数量越多,天线就可以看得更远,这就是高密度。
团队研究的机电耦合技术成果,解决的就是有限空间里能量最大化的问题。团队用6根大跨度柔性索,来替代刚性支撑的创造性设想,将天眼馈源舱的重量由万吨降低到不可思议的30吨,成功破解了这一难题,解决了在设计和制造FAST过程中,庞大体量、重量及系统误差对设备电性能影响的问题,也就是“中国天眼”能否成功的关键一环。

(段宝岩院士介绍500米口径大射电望远镜缩比试验模型)
                    ■“变革式的创新设计”
段宝岩团队项目获奖语中,“机电耦合”“高效热控”“理论模型”“影响机理”“方法突破”等一个个关键词,不仅仅凝练着一项项科研成果内容,更记录着段宝岩团队永不言败的一段段艰辛探索历程。
1994年,段宝岩从英国利物浦大学教授汤普曼研究室完成博士后研究工作回国不久,接到在中国科学院北京天文台工作(现称“中国科学院国家天文台”)的师兄施浒立邀请,参加“中国天眼”FAST项目启动论证。
1995年,第三届国际大射电望远镜工作组会议在贵州召开。段宝岩所作的关于大射电望远镜馈源支撑的光机电一体化创新设计报告,受到了与会国内外专家高度关注。重点解决了舱索柔性结构的精确力学建模和仿真、舱索柔性结构的控制,以及粗精两级调整系统的动力学耦合与复合运动控制等问题,实现了毫米级的动态定位精度。这一新方案以光机电一体化技术代替了传统的纯机械技术,以软件代替了硬件,结构形式大大简化,降低了工程造价,使大射电望远镜阵工程的实现成为可能,被同行称为“变革式的创新设计”。
2005年,电子设备机电耦合基础问题研究立项启动,作为时任西安电子科技大学校长的段宝岩,白天忙学校事务,晚上继续搞科研。每周4个项目组排队开会,没有一周轮空。
2012年,段校长10年届满(2002年-2012年)回归段院士,在他的带领下,团队在科研路上的奔跑脚步比之前更快了。
2016年9月25日,“中国天眼”在贵州落成启用。这是我国具有自主知识产权、世界最大单口径、最灵敏的射电望远镜。但这还不是段宝岩团队最核心的工作。
段宝岩团队数十年持之以恒,围绕着“机电耦合”一直在不懈努力攻坚。最终以46项发明专利、14件软件著作权、70余篇Top期刊论文,以及2部出版著作构成了项目成果的骨架,涉及力学、机械学、电磁学、热学、控制等多学科领域15个研究专题,而“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”的总结,最为光彩亮眼,道出了团队成果的核心精华。

(段宝岩院士指导研究生)
                    ■探索科学高峰持之以恒
段宝岩,1955年3月生于河北省冀县。1978年,他顺利被西北电讯工程学院(现西安电子科技大学)录取。1981年、1984年与1989年,在西安电子科技大学先后获工学学士、硕士与博士学位。1991年至1994年,在英国利物浦大学做博士后研究,2000年在美国康奈尔大学访问。2011年12月,段宝岩当选中国工程院院士,成为我国电子机械学科的第一位院士。
30多年来,段宝岩一直从事电子机械工程的教学与科研实践工作,致力于交叉学科电子装备机电耦合技术研究与应用,开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域,并形成了初步的学科体系。系统建立了大型微波反射面天线结构位移场与电磁场的场耦合理论模型,提出反射面保型的系统优化设计方法;针对雷达天线伺服系统结构因素对波束指向等电性能的影响,系统提出了结构与控制集成设计方法;建立了典型电子装备结构位移场、电磁场、温度场的场耦合理论模型,得出机械结构因素对电性能的影响机理。
上述成果已成功应用于探月工程、载人航天、深空探测及主力战舰等国家重大工程。曾以第一完成人获国家科技进步二等奖2项,省部级科技进步一等奖3项,著书3部。以第一完成人申请国家发明专利20项。
科学出版社在2011年8月,出版了段宝岩所著的《电子装备机电耦合理论》一书,以高性能复杂电子装备研制的关键技术为主线,全面、系统地阐述了机电耦合技术的建模理论、求解策略与方法。成为高校电子机械工程专业教师、研究生及高年级本科生的教材和参考书,也为从事电子装备设计、生产、维修等工作的技术人员提供参考。
乐天而严谨的段宝岩院士,曾荣获陕西省“三五跨世纪人才”、电子工业部“有突出贡献的中青年科技专家”、2012年何梁何利科技进步奖等;被授予全国五一劳动奖章、全国师德先进个人、全国先进工作者、全国优秀科技工作者等称号。
高科技的探索路上,段宝岩院士破解了一个个科学难题,也越过一道道沟沟坎坎,如今他依然潜心科研,朝着最高峰攀登着。他说:“大学的科研工作以基础科研、应用基础研究为主,要做好有深度、有探索、有品位的研究,就要有高定位,要坚持‘四个面向’,要敢于挑重担、破难题;研究要实,要突破思维、解放思想;要沉得下心、静得住神,更要持之以恒!”

作者:周励 | 责任编辑 | 闻强
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