从交叉处求创新 自开放中图发展——记西安电子科技大学机电工程学院执行院长黄进.pdf
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1、16 科学中国人 2023年9月封面人物从交叉处求创新 自开放中图发展记西安电子科技大学机电工程学院执行院长黄进张方方 吴应清4月1日,珠海,2021和2022年度中国电子学会科学技术奖励大会隆重举行。由西安电子科技大学(简称“西电”)牵头研发的“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目,获得2022年度科技进步奖一等奖。这也是国内公认的电子信息领域的高规格奖项。“我们一直在围绕电子装备的机电耦合分析、设计和机电集成制造进行研究。到现在,虽然取得了一些成效,但距离我们的目标还很远。”获奖后,项目第一完成人、西电机电工程学院执行院长黄进诚恳地表示,他们希望在不久的将来做出一个广泛适用于高
2、频段、高增益、高密度、小型化、高精度、快响应电子装备研发的智能化设计平台,从而推动高性能电子装备的研制水平迈上一个新台阶。“任重而道远,希望我们能做好。”黄进说。冲破瓶颈,人有不如己有“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目的起源,可以追溯到十余年前。“那时,我国在新一代隐身战斗机研发上跟美国相差甚远,他们在航空电子方面的优势尤其明显。”黄进回忆道。当时,他负责的一个“973”课题的成果正在工程应用,在与工业部门交流时,他获悉了这样的信息:要想在航空电子领域取得长足进展,共形承载天馈系统是一个重要突破口。作为新型空中、海上和地面移动平台的“眼睛”,共形承载天馈系统有两个重要特征:其一
3、是功能综合化,即通信、导航、识别、探测、对抗等功能共用一套天馈系统,这要求高密度、小型化;其二是结构功能一体化,即承载、散热结构与微波电路、辐射阵面高度融合,这要求结构高精度、电路抗干扰、散热高效能。通俗地说,它不仅能够收发电磁信号,还能与飞行器、舰船、车辆等移动平台表面共形融合,保持载体的外形结构及空气动力学性能。但是采用传统的设计和制造方法,想要“共形”却不容易。“传统天线的外观大多像一口锅或者一个平板,但飞行器的机体是流线型的,如果需要兼顾隐身需求,那外形结构会更为特殊、复杂。这时候,如果还用传统的抛物面或平板天线,再加一个天线罩,很容易破坏飞行器的流线外形,而且会降低天线的性能。但要想
4、把天线做薄,且和飞行器外形一样,并不容易。”黄进认为,这是“高密度、小型化”带来的重要挑战。早在20世纪90年代,美国、法国等西方国家就开始研究飞行器蒙皮天线,将不同种类的复合材料制成薄片并嵌入机体表面,从而实现与飞行器表面共形。在它的加持下,天线对飞行器表面空气动力学性能的影响微乎其微。“我们也需要这样的东西,但早先不知道该怎么去做。从箱式到砖式不断进化,但就是没能做成一块蒙皮。”工业部门虽然为此下了大功夫,但由于高密度、小型化会导致多场-场路耦合效应突出,传统分析方法难以实现系统性能的准确分析,甚至会事倍功半。怎么办?黄进希望能从理论方法上有所创新。在国家自然科学基金、“973”等项目的支
5、持下,他和团队开始黄进2023年9月 科学中国人 17进行探索,逐渐建立起融合先验知识的多场-场路耦合模型,以实现机-电-热综合性能的精准分析。就在黄进及其团队对这一系列成果不断进行完善和验证时,一个新的问题又摆在了面前。一体化成形的制造过程和恶劣的服役环境,会导致共形承载天线的服役性能发生剧烈变化。以服役环境为例,当共形承载天线被应用到飞行器上,炎夏里,它在地面停机坪上要承受60的高温,但真正飞到万米高空时所处的温度可能直接“掉”到零下50。“不止如此,大过载机动飞行时,要承受很大的载荷;飞行速度很快时,还有来自气动加热的压力。”黄进说,如果处理不好,就容易出现“地面性能测试很好,上天之后不
6、行”的局面。而“一体化成形”,其初衷是将天线“做小”,但也会给它带来新的挑战。传统方法中的“零件组装”,可以对单个零件进行性能测试,也可以进行组装后的整体测试,一旦出现问题,更容易厘清源头。“但一体化成形,就像烧制一个碗,这个碗成形了就拆不开了。”黄进明白,工业部门担忧的是,如果制造过程中出现了偏差,比如材料均匀性、制造公差或微观缺陷等,这些问题到了恶劣的服役环境中肯定会导致共形承载天线的综合性能进一步发生变化,但何时变化、如何变化、变化到什么程度,没有人知道。为了摸清其中的规律,黄进团队开始探索其性能的不确定性传播机理。他们通过反演测试,最终引入区间数学理论建立起结构参数不确定性区间与最终电
7、性能变化范围的区间分析模型,对设计-制造-服役全过程功能特性及其变化范围进行定量分析。这样,在设计阶段可为稳健优化设计提供理论依据,在制造调试阶段可使技术人员采取更有针对性的应对措施。“把区间分析和优化设计用进来之后,还能解决研制效率低和性能受限的问题。”诚如黄进所言,共形承载天线的机电热性能及其与可制造性的耦合关系很复杂,“变量比较多”,如果还采用传统方法,即由电磁设计人员进行功能设计,给出理想的形状与精度要求,再由结构设计人员进行产品设计以实现相关要求,最后通过“试凑-样机研制-实测”反复迭代的方法逐步接近设计目标,不但效率低,而且很难实现精准设计。他认为,当标准不统一时,不同环节的设计余
8、量容易被放大,导致性能低、研制周期长。“产品也容易出现 傻大笨粗 的情况,不灵巧。”如今,再回忆起研发过程中所遭遇的瓶颈,黄进的讲述平实而鲜活。但当初摸着石头过河时,他们每走一步也是真的好艰难。黄进记得,步入项目之初,他们所建模型的分析误差“大到离谱”。就像“麻雀虽小五脏俱全”,他们所面临的实际系统也非常复杂,“如果直接从实际系统出发去验证理论模型的问题,可能一年半载都不会有进展”。经过一番灵感碰撞,黄进团队决定“解剖这只麻雀”,将其中的核心要素抽象出来。比如,针对射频电路的机电耦合问题,从典型传输线入手,建立其场路耦合模型。理论层面打通后,再以工程样件来验证实际结果和理论模型之间到底有多大差
9、距,并不断修正和完善理论模型,最终构建系统的多场-场路耦合模型,并结合实际工程,验证理论模型的准确性和综合设计的有效性。这只是黄进团队攻关过程中的一个缩影,对他们而言,其间经历的种种困扰或许并不足为外人道,他们更希望通过持续的努力逐步解决工业实践中不断涌现的新问题。事实上,当黄进团队一一克服瓶颈,提出一套完整的控形控性机电集成设计技术后,问题也的确没有结束。2015年前后,项目研究告一段落,开始走向工程化尝试,构建一个能够承载相关技术的全性能综合设计软件平台迫在眉睫。彼时,多物理场耦合仿真领域的一家国际知名公司找上门来,展示了他们的成黄进团队获得学校“三好三有”团队,查显友书记(二排左五)为团
10、队授牌并合影18 科学中国人 2023年9月封面人物功案例,并斩钉截铁地表示,他们的软件绝对能跟国内的需求匹配。一边是看起来成熟的高端软件,一边是正在钻研中、前景不明的软件平台,怎么看似乎都是前者更保险一点,但直到一个月后,那款“高端软件”也没能做出成功的仿真结果。“案例做得很漂亮,但其实方法根本走不通”,得知这样的结论,黄进并没有特别意外。他们在软件平台设计时,也走了相似的路线,同样也没能成功。“我们早先以为是其中包含不对中国开放的技术,所以才会失败。既然他们自己也走不通,那就证明的确存在一些没被突破的关键问题。”如此一来,黄进团队反而被激发了斗志。“人有不如己有”,哪怕做软件不是他们的特长
11、,为了让技术成果有一个更合适的软件平台去支撑,他们也要去寻求一条破局之路。“我们花了几年时间去优化”,黄进的执着之处在于,他想要在工程应用中实现“傻瓜”式操作,“导入模型之后,点几个按钮,就能按照步骤去做了”。就这样,当“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目完成时,一个重大亮点被呈现出来:他们完成了国内首个共形承载天馈系统全性能综合设计软件平台。此平台解决了国外商品化软件中存在的模型不通用、数据不匹配、结果不共享的难题,实现了共形承载天馈系统综合性能的精准分析、服役性能的准确预估和高效的稳健优化设计,为多个重点型号中共形承载天馈系统的研制提供了技术手段。从2012年正式立项算起,黄
12、进团队投入项目也已经11年了。依托项目,他们获国家发明专利授权29项、软件著作权5项,在国内外重要期刊发表论文56篇,主持起草国家标准1项(已颁布)。与中国航天科工二院二十五所、中国电子科技集团公司三十九所等合作,他们的相关成果也在国家重点工程、重点型号产品和设备的关键系统与部件中得到应用,取得了显著的经济和社会效益。在荣获“2022中国电子学会科学技术奖”之前,相关项目就得到了机载雷达专家陆军院士、多学科优化专家张卫红院士等专家的高度评价。尤其多场-场路耦合控形控性机电集成设计技术,更是被认为“达到国际领先水平”。对黄进而言,他更自豪于项目成果的“自主可控”,且在应用上取得了良好的效益。但他
13、并不满足于眼下“大家用得踏实”,一直关注前沿热点的他,也注意到了最近风口浪尖上的ChatGPT及其同类软件。在他看来,软件越用越“聪明”是一个重大趋势。“我们的软件中也嵌入了设计师和工程师要掌握的知识,下一步会想办法让它实现智能化更新,它越聪明,才会在工程应用中作出越大的贡献。”从相机到机电,把电子装备这件事做好如果要在黄进的研究生涯中提炼一个关键词,那一定是“机电耦合”。“长期以来,我们的研究就是针对电子装备展开的。而电子装备是机电紧密结合的系统,它的设计和传统的机械结构设计不太一样。”他说。在很长一段时间内,“机”“电”在设计层面上是分离的。这种情况下,工程实际中有时就会出现奇怪的现象:机
14、械结构技术人员费了九牛二虎之力制造出的产品,电性能时常出现不满足的情况。相反,机械制造精度未达要求的产品,有时候电性能又是满足的。矛盾的现象多了,原因又找不到,久而久之,就导致电子装备研制出现性能低、周期长、成本高、结构笨重等问题。而随着科技的飞速发展,现代电子装备的复杂性,使其对机械结构部件的设计与制造提出了更高的要求,有些要求甚至超出了机械加工能力。这意味着,“机电分离”已经成为制约现代电子装备发展的瓶颈,而“机电耦合”势在必行。黄进获得2022年度中国电子学会科学技术奖科技进步奖一等奖2023年9月 科学中国人 19黄进举了个简单的例子:当人们去评价一个数控机床是否好用时,一般会使用转速
15、、精度等机械性能参数来描述;但在雷达这样的电子装备面前,人们更追求它们的电性能。“所以,机械精度、机械结构和电性能之间究竟是什么关系,就需要我们研究其内在、本质的关系。我在西电读研究生的时候,就追随导师做这方面的工作。”他补充道。实际上,黄进对“机电”迸发兴趣,可以追溯到他的中学时代。20世纪80年代,中学生黄进迷上了摄影,不光是拍照,他还买来显影液和定影液,在家里的卫生间做实验,尝试冲洗照片,洗出的照片跟底片一样大。“我没有放大机”,找到原因后,他成天琢磨怎么能自己动手“捣鼓”出一个放大机来。就在黄进钻研得热火朝天时,一个偶然的机会,他接触到了一部日产尼康相机。当时,他哥哥是报社记者,这部相
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