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国家科技进步一等奖获得者段宝岩:给国之重器装上“千里眼”和“顺风耳”

  • 2021-11-16 18:24:19
  • 来源:西安电子科技大学
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2021年11月3日,北京,人民大会堂,2020年度国家科学技术奖励大会帷幕轻启。这一天是9100万中国科技工作者的盛会,也是大国复兴道路上的年度阅兵。23个项目荣膺国家科学技术奖励一等奖,西安电子科技大学实现一等奖零突破。111.jpeg

小学科,大视野,一个人带领一支队伍,在学科交叉的无人区拓出一片理论和实践的新途。这深具影响的改变还得从44年前的一个雪天讲起……

怀初心,迈上科技新长征

1977年12月11日,冀中平原大雪纷飞,冀县徐家庄,一个青年骑着自行车行进在风雪中,目标是20华里外的冀县徐家庄公社考点,他要去那里改变自己的命运。彼时,全中国有着同样想法的青年超过570万。冬去春来,其中仅有27.8万人迎来人生转折,这其中就包括22岁的段宝岩。他将去往西安徐家庄,那里的赫赫有名的军工院校——西北电讯工程学院将成为他人生新的起点。12年后,西电多了一个博士,专业电子机械。此为序曲,他将成为这个领域走出的第一个院士。

1978年春,全国科学技术大会召开,万物复苏,中国的科技新长征开始了。

这一年对于年过半百的段宝岩导师叶尚辉而言,心情是异常激动的。30年前,还是学生的他在清华参加革命。1950年的朝鲜战争让他提前结束学业,成为西电第一代学人中的一员。多年以后,叶尚辉总结自己在西电一生的事业仅用了“做了一些简单的基础工作”来概括。但在更多人眼里,他被定义为电子机械大师,天线结构设计泰斗。时至今日,他的著作《天线结构设计》依然是从业者的案头必备书。

叶尚辉的性格是低调的,这也是西电学人共同的DNA。他眼里的“简单的基础工作”分量一点也不简单,这个“基础”包括了两个重要内容:1963年,电子机械专业的前身——无线电设备结构设计与工艺专业作为我国第一个机电结合专业出现在西军电的专业目录里,叶尚辉是重要的创建者。更为重要的是他以毕生心血培养出的十几个博士日后都成为行业中的佼佼者。

叶尚辉对于学生的爱护犹如父子。1991年,他毅然作为担保人为段宝岩赴欧洲留学之路扫清路障。他相信,他一定会回来。段宝岩登上了去往英国的飞机,等待他的导师是国际著名结构优化专家——利物浦大学教授汤普曼,他将在那里展开博士后研究工作。

段宝岩从导师抛给他的三个研究方向中选择了最难啃的硬骨头——将极大熵原理应用于天线结构拓扑优化设计课题作为主攻方向,敢啃硬骨头是他从恩师叶尚辉那里耳濡目染的学术品质,这也是西电学人重要的学术底色。最终其以“应变能密度分布函数”这一崭新概念破茧而出,巧妙地将极大熵理论和天线结构拓扑优化联系在一起,出色地完成了研究。

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卓越的工作成绩引来英国和日本的橄榄枝,君有盛情,我有归意。对此,启程前的段宝岩留下了这样一段话:论工作环境、个人待遇,我的母校同英国利物浦大学确实无法相比。但我的根在中国,我的亲人在中国,我的事业在中国。当我在国外学习期间,母校已破格给我评聘了教授,这说明母校非常重视我,祖国建设迫切需要我,我怎能辜负祖国亲人的一片苦心呢?

他回来了!旅英三年,他带回来了一个科技领军人才最重要的一样东西:眼界。同时,他在英国的研究实践为日后在机电耦合理论上的创建完成了哲学方法上的准备,他需要一个机遇在非常规的实践中让理论的种子落地生根。

逢机遇,十五年创新奔跑

机遇总是给有准备的人。

1994年,就在段宝岩回国不久,今日中国一个标志性的世纪工程——FAST天眼项目启动论证。在北京天文台工作的师兄施浒立发来邀请。就这样,段宝岩团队开始了与FAST的不解之缘。

很难想象,如果没有段宝岩的出现,我们今天看到的天眼会是一个什么样子,甚至还会不会有中国天眼的诞生都是一个问题。

“FAST项目最大的难点就在那个馈源舱及其支撑结构系统上,段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,这是最初的一个基础。”FAST测量与控制系统总工程师朱立春如是说。

500米口径大射电望远镜缩比试验模型

多年后,轻型索拖动系统被总结成FAST三大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”。这种颠覆性是相对于人类二十世纪十大工程之首的美国阿雷西博射电望远镜而言的。 普罗大众更多的是在好莱坞电影中见到过这个庞然大物。 同为地球上凝视宇宙仅有的两只眼睛,中国天眼以500米的口径突破了前者300米的量级,倘若继续采取刚性支撑,馈源舱的重量将由前者的千顿级上升到逾万吨的境地,这是一件很难想象的事情,无论是从造价还是稳定性。 段宝岩用六根大跨度柔性索来替代前者刚性支撑的创造性设想将馈源舱的重量由万吨降低到不可思议的30吨。 当被追问这样创造性构想是如何诞生的时,他讲不出漂亮的故事。这个过程可以形容为长期专注造就了理论水平和动手实践能力都来到了一个高度之后的“妙手偶得”。用他爱人赵玉珍的话来讲,段宝岩最大的特点就六个字: 勤奋、执着、肯干。

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FAST试验场接待外国专家参观

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Fast落成仪式

2020年12月1日,阿雷西博望远镜轰然倒塌,中国的FAST成为今天“人类之眸”的硕果仅存。段宝岩之于中国天眼的前瞻性设计更显弥足珍贵。而这只是段宝岩机电耦合理论与实践中一个显眼的案例,神州飞船、探月工程,一项又一项的国家重大工程领域都留下了其团队的身影,“看得远”“听得清”的同时还要求“高精度”“快响应”“低成本”“小体积”,段宝岩团队的存在让这些大国重器变得“耳聪目明”。但这些结晶依然不是段宝岩团队最核心的工作,严格上讲只是其理论实践的重大现场。在实践的基础上形成模型,并对机理研究推进到理论创新从而构建出可堪大用的应用平台,这才是团队的历史使命。2005年,一场持续15年的创新奔跑开始了。

数十年,持之以恒创佳绩

2005年,“973”项目中《电子装备机电耦合基础问题研究》立项启动。“973”计划是彼时中国继“863”计划之后的中国科学技术界呼应国家战略的时代之音。作为“973”项目首席科学家的段宝岩将率领一支队伍出征。彼时的他处于其10年校长任期的第3年,西电3000亩的新校区正在这位颇具胆识的校长的努力下如卷轴一样渐次打开。段宝岩白天忙学校事务,晚上继续搞科研。一周七天,四个分项目组排队开会,没有一周轮空。如此高强度的运转,也让段宝岩的休息方法与众不同。人们很容易在西电的校园里识别出他:傍晚时分,那个散步的人群里像小跑的一定是他。下雨的日子就听京剧,一个简单的插卡小音箱就能满足他的愿望。十年届满,段校长回归段院士,团队的奔跑比之前更快了。

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电子装备结构设计教育部重点实验室 指导FAST5m模型实验

段宝岩团队数十年持之以恒围绕着一个关键词:机电耦合。普通读者应该如何理解这个关键词呢?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结合再到如今的新阶段——机电耦合。对于普通大众来讲,机电耦合的理解可以从一个比方开始。机械代表了可见的物理系统,电性能则代表了不看见的物理场。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。接下来一个问题是男女谁当家,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。段团队就活动在第二条线路上。解决了谁当家的问题,接下来就是夫妻双方的相处方式了。这个世界上有一些难题是世界性的,这其中就包括夫妻的相处方式。夫妻协力的目标是建设一个和谐美满的家庭,过程是彼此配合的高度默契,机电耦合的实质就是在毫米甚至更精确的单位刻度上追求这样的“和谐美满”。这是一个在毫米级的方向上生存的团队,“毫厘”和“千里”构成了他们的平素。

2021年,当题为“高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”的项目出现在国家科技进步一等奖的名单中时,没有人知道这背后融入了多少人的心血。这23个字凝练在一起花费了一个团队十余年的光阴。其中的“理论模型”、“影响机理”、“方法突破”等任何一个关键词,打开它看到的都是一个艰辛的求索过程。最终46项发明专利、14件软件著作权、70余篇Top期刊论文以及两部出版著作构成了项目成果的骨架。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”则成为点睛之笔。这不是一个人能完成的事业,段宝岩背后的团队引人注目!

永前行,西电精神从未止步

翻开项目团队名单,统计学的数字很快出现,一个50后,两个60后和四个70后之外,80后占比超过50%,而其中的80%都是段宝岩培养出的学生。

这组数字毫无疑问地指向了一个事实:80后成为了项目团队的中坚力量。

这群伴随着改革开放成长起来的一代人身上到底有着怎样的特质呢?当我们将目光投向他们仔细打量的时候,一个叫王从思的年青人出现在了视野里,他是新一代西电学人中普通的一个,但这种普通的背后却透着新一代西电学人所具有的精气神。

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段宝岩在实验室指导研究生

1997年,17岁的王从思以优异的成绩考取西电。选择西电的理由有两个,一个是自己喜欢电子,另一个是谈到电子,西电是行业翘楚。来到西电的王从思被为期一月的新生军训深深地震撼,在煤渣铺就的军训场上雨中匍匐,满裤管黑煤灰的经历久久地留在了他的记忆里。这是远去的“西军电”留下来的文化遗产。对此,后来成为他导师的段宝岩同样记忆深刻:早上6点随着军号起床,5分钟集合完毕,晚上10点半准时熄灯。

王从思本科四年里保持了专业第一的记录。西电的自习室是必须用抢来形容的,抢不上的同学就在校园的石凳上学习,不舍光阴。王从思就有在大雪之后,拂去石凳上的落雪,展开书本学习的经历。正是这样的经历的锻造,十几年后,当他在野外戈壁极端环境下,专注调试设备的时候,全身上下被蚊子叮了百十个包竟也不觉得苦。他负责的这台设备服务的是4亿公里外的火星探测器,因为遮挡的存在,同一台设备遮挡面和直射面温差能达到20度,这造成了设备内部的一种微小的结构扭转形变,他要在现场用学到的真本领解决这个问题。这一刻,他是一个战士。从本科毕业论文开始,段宝岩就成为他的导师,一直到博士毕业。

给本科生指导毕业论文是段宝岩保持多年的习惯,发现科研苗子很早就开始培养。本科生的毕业论文他是按照研究生的要求来指导的。这让一个又一个的青年才俊在很早的时候就开始了专业成长。王从思的成长速度见证了西电的培养实力。博士毕业一年后成为副教授,又两年后的2010年,成为西电首批具有博导资格的副教授,又一年后破格晋升教授。此后十年,三级、二级拾阶而上,一路破格。39岁成为二级教授的王从思作为西电80后科技工作者的一个缩影,仅他发表的SCI论文就超过了一百篇。

做段宝岩的博士生会是一种什么体验?辛苦以至于痛苦是很多人共同的感受。段宝岩对学生的严格在业内是出了名的。“博士论文如果没有几个月的煎熬时间,那就是白开水,没有意义”,段宝岩如是说。他给博士生的论文指导中留下最多的话是这样的:创新点不明显,工作意义高度不够,成果显现度不好。他鼓励学生一定要用实验数据来佐证,并且敢于和国际同行对比。每一个从段宝岩手里毕业的博士都会经历人生中这样的“至暗时刻”。严师高徒,段宝岩只是继续了西电的传统,曾经他的恩师是这样要求他的,他爱他的学生一如他的老师爱他,严是学术之爱的本色。卿本良玉,痛琢成器。

战场锻造将士。重视项目和工程相结合是段宝岩培养学生和团队的根本遵旨。他鼓励学生走出象牙塔,走向工厂车间,走向项目工地,那里是一个学术人才成长最快的场域。这种系统化的思维方式将教学与实践,继承与创新紧密地联系在一起。以此次获奖的项目为例,项目涉及的力学、机械学、电磁学、热学以及控制等在内的多学科领域构成了15个研究专题,参与的单位校内外共计8家,作为统帅的段宝岩运筹自如,团队成长和项目精进相得益彰。陕西是科研大省,高校及科研院所星罗棋布,23个国家科技进步一等奖花落陕西2个,西电成为陕西唯一一个普通获奖项目。荣誉的背后是学生理论基础扎实、工程能力突出、创新意识显著的西电现象,在八零后成为中坚力量的同时,项目组也开始出现90后的身影,现象的背后是艰苦奋斗、自强不息,求真务实、爱国为民的西电精神的赓续。红专并进,科技报国,这座坐落在秦岭北麓的中国电子科技高地从未止步。

在当今科技这场硬仗中,你每占领一个制高点,对手就多一分敬畏,所谓不战而屈人之兵,自主自强是最可靠的防火墙。段宝岩院士团队是西电学人中的一个缩影,围绕电子科技的学科群,这里形成了一个庞大的团队群落,他们是国家脊梁的一部分。脊梁远不及容颜那样引人注目,但脊梁无论对于一个人还是一个国家而言,都是存续的底线。那首总会在西电校园里每一个庄重的日子和场合响起的校歌也许最能唱出心曲,她的名字叫与《与共和国同行》……