大学文化
小学科里做大学问——记我校原校长 中国工程院院士段宝岩教授

从中学教师到中国工程院院士,从河北一个小镇到登上国际学术大舞台,30载岁月,他扎根电子机械交叉科做大学问,成果应用到了探月、神舟、深空探测等重大工程中,开辟了我国电子装备机电耦合技术研究的新领域。如今他正带领着一支年轻优秀的团队投身国家天线、雷达、射电望远镜、星载可展开天线等电子装备的研究之中。

电子机械工程,一个主要研究电子装备中机电耦合问题的交叉学科,对于大部分人来说,这是一个不太起眼、也不太知名的小学科;然而,正是这个小学科的研究成果,却应用到了我们熟知的探月、神舟系列飞船、国产主力战舰,以及脱离地球引力场、进入宇宙空间的深空探测等国家重大工程中。

段宝岩,这位高个头、文质彬彬,出生于1955年,看起来比实际年龄年轻许多的学者,过去的30年里,一直在著名天线结构专家叶尚辉教授指导下,致力于电子机械工程这个交叉学科——电子装备机电耦合技术的研究,最终开辟了我国电子装备机电耦合技术研究的新领域。

从中学教师到知名学者

从一名普通中学教师成长为知名学者,这中间的路有多长?段宝岩用他的亲身经历回答说:只要你付出汗水和智慧,成功就离你不远。

《中国青年报》在“纪念恢复高考30周年”的人物专访中,对段宝岩曾经有过这样一段描述:“与时代大背景相关,段宝岩早期的人生经历可谓跌宕起伏。1973年,念完高中的他赶上知青潮,在轰轰烈烈的‘上山下乡’运动中回到农村,修水利、种庄稼。”

“那时候心里的信念很清晰也很简单:高中所学的知识远远不够,我一心就想去上大学。”段宝岩如是说。1975年,他在河北省冀县北漳淮中学当了一名民办教师,主讲物理,兼带体育。他虚心求教,认真钻研业务,一年时间,就出任副校长,成为衡水地区教育界的先进工作者。

机遇总是青睐有准备的人,1977年12月11日,河北冀县下着大雪,段宝岩骑着自行车赶了20多公里,终于抵达期冀已久的高考考场。次年3月,他顺利被西北电讯工程学院(西安电子科技大学前身)录取。

跨入大学校门,坐在大学课堂上,段宝岩十分珍惜这来之不易的机会,如同一块缺水的海绵放入知识的海洋里,如饥似渴地吸吮着知识的琼浆。在西安电子科技大学,段宝岩读完了本科、硕士,毕业后留校任教,其间又师从著名天线结构专家叶尚辉教授攻读博士学位。

1991年10月,段宝岩被原国家教委公派赴英国利物浦大学做博士后研究。他的英国导师、著名结构优化专家汤普曼教授就给段宝岩出了难题,提出了3个难易程度差别较大的研究方向让段宝岩选择。

敢于啃硬骨头的段宝岩挑选了将极大熵原理应用于工程结构拓扑优化设计这一最难、也最有意义的课题作为主攻方向。为了尽快熟悉并深入课题,他废寝忘食,夜以继日地翻阅资料,创造性研究,提出了“应变能密度分布函数”这一新概念,巧妙地将极大熵理论与结构拓扑优化联系在一起,这一研究成果在国际力学界产生了积极的影响。

倡导研究与重大工程相结合

“做研究,只有和重大项目相结合,才有挑战,才能够不断前进。”段宝岩经常这样告诫自己的学生,也正是在这种精神的指引下,30年来,他乐此不疲地游弋于电子机械的海洋,不断发现新问题,破解新难题,以一种锲而不舍的精神,开拓着电子机械研究的新领域。

1994年11月,段宝岩刚回国不久,就碰到了我国要建造新一代大射电望远镜的重大国际合作项目。1995年10月,在贵州召开了一个国际会议,段宝岩提出一种全新的设计方案,即用六根大跨度柔索,牵引馈源舱做高精度三维扫描运动,与美国305m口径的天线相比,重量由1000吨降至20吨。这个设计新方案被国际同行们激动地称为“变革式的创新设计”。

因为这还只是方案与理论设计,实际工程中究竟行不行,其实他也没把握。后来,在国家自然科学基金面上项目与重点项目、北京天文台、中科院知识创新工程等项目的资助下,段宝岩带领的团队,先是建了大射电望远镜的5米模型,接着在沙井村建造50米试验天线。后来,又在西安电子科技大学南校区建造了可实现更多功能的50米试验天线。

如今,500米大射电望远镜项目得到了国家大科学装置项目的支持,正式在贵州启动。在馈源支撑方面,段宝岩及其团队的前期研究工作,为这一工程起到了重要支持作用,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。

“为这个口径500米,迄今为止世界上最大的单口径射电望远镜做的前期工作,只是我们结合实际工程开展研究的一个具体事例。我们的团队,很早就有重视硬件、重视项目和工程相结合的优良传统。”段宝岩说,“后来,我们又和南京14所搞雷达天线系统的CAD软件平台研发,以及和西安39所开展大型天线合作,直至最近应用到嫦娥一、二号卫星的40米口径天线,还有将用于4亿公里之外火星探测的位于佳木斯的65米口径天线,都是实实在在的具体工程,都必须出东西、见实物。”

在谈到做大工程、大项目的成功体会时,段宝岩说:“我们在科研上始终坚持两个面向:一是面向国家重大需求。没有需求、不结合应用,科研就没有生命力,也就没有了实际意义。二是面向国际学术前沿。团队中的每一个人,包括博士生,都必须确立出了校门就是国门的观念。学者的研究成果代表的不仅仅是个人,是要到国际学术界立足的。”

开辟电子装备机电耦合技术研究新领域

中国工程院院士、郭桂蓉中将曾经对电子机械学科说过一句话,“学科小意义大”。提到自己研究的领域,段宝岩反复提到郭桂蓉院士的这个评价,“在电子机械领域,低频段装备的机电耦合问题不严重,机与电的矛盾不突出。但随着电子装备向高频段、高增益、高密度、小型化,快响应、高指向精度的方向发展,机电耦合问题逐步突显出来了。”他介绍说,“在某种程度上,机械结构对电子装备电性能的实现往往起着制约的作用,已成为制约电子装备性能提高并影响下一代装备研制的一个长期悬而未决的瓶颈,我们的研究就是破解这一难题。”

在进行微波反射面天线结构的优化设计时,段宝岩意识到单单追求反射面的面型精度是不够的。因为副瓣够不够低、增益够不够高等电性能指标要求,需要在进行结构设计的时候,去考虑如何满足电性能要求的问题。

这就带来了两个问题:一是根据电性能要求,提出对结构设计的指标要求往往过高,有时工程上无法实现;二是即使结构设计的精度指标达到了,电性能却有时依然无法满足要求。

为破解这一矛盾,段宝岩及其团队把传统设计中分别单独进行的两个研究领域结合在一起,在电磁场和位移场的结合部,搞微波反射面天线的机电耦合问题,建立了电磁场与结构位移场的场耦合理论模型。

在对机电耦合问题研究中,段宝岩发现雷达天线伺服系统工作时,要求在保证稳定性约束的前提下,能够实现快速、准确地跟踪目标,这就对伺服系统提出了“稳”、“准”、“快”的要求。而机械结构不仅是伺服性能实现的载体,且往往制约着伺服性能的提高。对此,段宝岩及其团队又开始进行雷达天线伺服系统结构与控制集成设计的研究,提出了结构与控制集成设计的理论与方法,解决了同时实现结构高刚度与轻量化和控制稳准快的难题。

随着研究工作的不断深入,段宝岩对问题的认识也逐步加深,又遇到了高密度的机箱和组装系统问题在电子装备尤其是航空航天电子装备中,因为空间有限,组装密度越来越高,由二维组装向三维组装发展,原来只需考虑电磁场、结构位移场的问题,现在又增加了温度场,三场耦合问题自然就出现了。段宝岩提出了旨在解决这一关键基础问题的973项目并获批准。作为该973项目的首席科学家,段宝岩带领由高校、研究所技术人员组成的课题组进行了联合攻关,建立了针对典型电子装备的电磁场、结构位移场与温度场的场耦合理论模型,同时得出了机械结构因素对电性能的影响机理。项目验收时,得到了总装备部科技委的高度评价。段宝岩说,“电子装备机电耦合技术是一个新的研究领域,虽说取得了一些阶段性的成果,但还有更艰巨的任务、更难的问题等待我们去攻克、去解决。我们将继续努力,把研究不断引向深入,更好地服务于国家与国防发展需要。

睿智怀远 情系教育

“除了完成繁忙的行政工作外,他将时间都用在了学术研究上。”西安电子科技大学机电科学与技术研究所所长黄进教授这样说,“他仍旧亲自推导公式、撰写英文论文,为了一个项目专题经常一个人在科技楼实验室里通宵达旦。”

段宝岩的博士生王从思教授告诉记者一件小事。2011年夏天的一天,他和其他人正封闭在一个地方集体攻关一个项目,没想到导师和师母居然拉着一个小拖车,拖着几箱牛奶和水果,走了40多分钟,亲自给他们送了过来。“作为校长,他其实完全可以安排司机送一送,没必要自己走过来,但是段老师就是这样一个人,他爱自己的学生,把公事和私事分得很清,不愿意打扰和麻烦别人。”

王从思说,对于学生的论文,他也毫不马虎,他一概详细批阅,圈圈点点、批注得满篇都是,最后还通常会附上几页自己写的修改意见。正在撰写博士论文的博士生李娜说:“段老师给我写的论文修改意见,落款居然写有‘21:45’这样的字样。有时候他也会发短信通知我应该关注期刊上的哪篇论文,时间经常是晚上或大清早。”

这些令人动容的小插曲,在段宝岩看来是平常的:“白天忙完了行政上的事情就去实验室看看书,晚上时间多好,安静,不用就浪费了。”

2011年,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,对于这个荣耀,段宝岩更是将荣誉归功于整个团队,认为“这是电子机械学科团队多年共同努力的结果,这是国家对这个学科学术水平、科研实力的认可”。


(陕西日报2012年2月24日第10版 李龙飞 康传义 实习生 黄晓巍)

陕ICP备05016463号   

版权:西安电子科技大学        建设与运维:信息中心