首 页 综合新闻 学前教育 基础教育 高等教育 职业教育 家庭教育 国际教育 民族教育
首页>检索页>当前

挺进“无人区”

——探寻科研创新的“北航模式”

发布时间:2018-01-11 作者:本报记者 赵秀红 来源:中国教育报

■学习贯彻十九大精神 写好教育奋进之笔特别报道

1月8日,北京航空航天大学教授向锦武的团队凭借“长鹰高原型远程无人侦察机系统”项目捧回2017年度国家科技进步奖一等奖。至此,北航近13年已获得12项国家科技奖一等奖,创造并保持了一所大学连续获得国家高等级科技奖励的纪录。

面向国家重大战略,聚焦“关键瓶颈”技术,敢为人先挺进科学研究的“无人区”,以大团队、大平台、大项目,推动形成大成果,北航由此书写了科学研究的傲人成绩。

破解“关键瓶颈”技术

一个发动机叶盘,如果按传统工艺制造,属于“雕刻”,最后剩下来的只有7%。

打个比方,做一个5公斤的钛合金异型件,需要100公斤材料,剩下的95公斤,都是切屑,只能浪费。

制造型材需要设备。早期我国自主研制某型飞机,要做一种钛合金的型材,全机加在一起只要20公斤,但是光拉伸机的投入要5亿元,才能把这个型材拽出来。

相对于传统的减材制造,3D金属打印通过计算机控制,用激光将合金粉末熔化,一层层堆积起来,“生长”出一个合金部件,所以称之为增材制造。3D打印一个5公斤的异型件,可能只要6公斤材料,材料利用率超过80%。

世界各国都在蓄力进军智能制造,增材制造研究成为必争之地。美国是第一个掌握3D金属打印的国家,2002年就已经在飞机上使用该技术,但仅限于几百毫米的小件,大件非常难。

难在哪里?中国工程院院士、北航教授王华明在一间简朴的办公室,给记者讲解其技术瓶颈:3D金属打印温度剧烈变化,激光照到的地方高达3000℃,一扫过去,降为100℃,温度剧烈变化导致内应力非常大,进而变形、开裂,零件越大,越易开裂。另外,3D打印是一层层堆上去的,外观是好的,但是里面有没有裂缝、气孔?其金属晶粒是否可控,决定了内部品质、性能是否可控,特别是关键受力部件,比如,飞机的起落架、机翼。如果品质不可控,根本不行。另外,3D打印需要有大的系统和部件装备,新技术走向工程运用得有系列标准规范,涉及装备、软件、过程控制、激光冶金、金属材料热处理等多个学科。

“我们在实验中积累经验,试图用最简单、最可控的方法来解决复杂问题。”王华明举例说,比如,大型构件内应力大的问题,在尝试了力学的多种方法后,最终宣告失败,最后用最简单的物理学原理,先化整为零,再积零为整,实现内应力离散。

自2005年以来,王华明的技术已经在多型号飞机、卫星、航空发动机和燃气轮机等重点型号研制生产中应用并发挥关键作用。他主持的“飞机钛合金大型复杂整体构件激光成形技术”获2012年度国家技术发明奖一等奖。

“我们的技术主要用在关键受力大型部件。”王华明说,举例来说,重达上百吨的飞机在着陆瞬间,起落架要承受的载荷之巨大可想而知。再比如,某型飞机的起落架支撑框,尺寸大,结构复杂,传统方法难以整体成形制造,而利用激光增材制造的钛合金构件目前已经累计飞行起降1万余架次,工作正常。

一直以来,由于大型金属结构件制造技术有壁垒,我国无法自主生产许多大型装备的核心构件。在中国没有这项技术之前,中国在研的一款飞机所需的双曲面窗框只有欧洲一家公司能做,周期两年,得先付200万美元模具费。

这一历史被终结。几年前,王华明就说过:“我跟飞机总设计师聊天,我们快速设计飞机,都是整体的、大型的、超长的结构,两三个月就能把飞机造出来,不开一套模具,不打一个锻件,不做一个焊缝。也许有人认为这是个梦想,但实际上不是了。”

在很多军事迷的眼里,王华明的技术能像“变形金刚”一样,在激光的作用下,把金属变成想要的形状。

现在3D打印能打的最大构件有多大?王华明透露,某新型飞机外廓尺寸十几平方米,是世界上最大的钛合金关键受力部件。而传统的锻造机,最大只能做到4.5平方米,耗材达8吨,耗时两年。

在2005年时,我国还是继美国第二个掌握3D打印增材技术的国家,如今,我国已经远远领先,成为唯一掌握钛合金大型整体主承力结构件激光快速成形技术,并实现装机工程应用的国家。

这背后是王华明院士的团队科研攻关近20年的结果,是北航瞄准科技前沿,服务国家重大战略需求的一个突出代表。

服务国家重大战略需求,是很多高校的使命,并不鲜见,而北航把火力凝聚到一点上:着力突破关键瓶颈技术,挺进科研“无人区”,推动引领性、颠覆性创新。

中国科学院院士、北航主管科研的副校长房建成把北航比喻成国家科技创新人才培养的“先锋队”。“我们敢于攻克引不进、买不来的技术,‘卡脖子’的技术,敢为人先、敢于创新一直是北航的传统,从‘北京1号’到‘北京10号’,都是本科生的毕业设计。在1958年,师生们大干三个月,造出新中国第一架轻型旅客机‘北京1号’,还真的从上海飞到北京,搁现在,不可想象。”

这样的传统,在北航延续至今,就拿近一两年举例:

2017年10月,在山东东营机场,我国自主研发的北斗卫星导航系统首次在中国完全自主设计并制造的支线客机——ARJ21-700飞机103架机上进行了测试试飞,取得圆满成功!北航张军院士团队主持研制的北斗多模导航系统等,为试飞提供了多项关键核心技术。

2017年5月,上海浦东机场,国产大型客机C919翱翔蓝天,随同C919一同飞上蓝天的还有北航校旗。这份荣誉来之不易,从2003年开始,我国陆续成立国家重大专项论证组,“大飞机”专项是论证最为艰难的一个。“两次论证都依托北航开展,这是我国高校第一次从立项论证开始深度融入国家重大科技专项。”时任北航校长、论证组组长李未回忆。

2017年4月,“天舟一号”货运飞船发射,不仅总设计师白明生是北航校友,而且飞船上的多项关键技术,如羽流分析、智能压紧释放装置、空间微量泵控制系统等,都来自北航多个研究团队。

……

“空天报国、敢为人先”已内化为北航人的血脉基因,成为最鲜明的精神坐标。

“北航始终坚持国家战略立本、科技创新立功,强化基础性、前瞻性和战略高技术研究,引导创新要素向关键瓶颈技术汇聚,持续保持在尖端技术领域的领先地位。”据房建成介绍,学校2017年明确提出,实施科学研究“致真问天”计划,进一步改革体制机制,深化军民融合、学科交叉,瞄准制约国家安全和国民经济建设的前瞻性问题与颠覆性技术,铸就创新驱动发展“强引擎”。

新的征程已经开始。

论文写在产品上

徐向阳的科研项目启动后开的第一次大会是招商大会,主角不是教授们,而是几十家国内汽车零配件的供应商。这在大学校园里很少见。

这位北航教授的项目是“前置前驱8挡自动变速器(8AT)研发及产业化”。自动变速器是汽车的核心技术之一,如果说发动机是汽车的“心脏”,那么变速器就是汽车的“大脑”,是汽车行业公认的技术含量最高、研发投入最大、产业化最难、单件利润率最高的零部件之一。

2004年,徐向阳开始自动变速器的研发时,面临三大空白:国内自主自动变速器的市场、技术、标准均处于空白。中国虽然是世界汽车第一产销大国,但是自动变速器全部依赖进口。

“让中国汽车核心技术产业不再受制于人”,这是徐向阳最初的想法。

徐向阳可以走一条传统的路:去买一些配件,做出一个变速器的样机。但在他看来,“那是纯科研思维,我要做的不是样机,而是可以量产、可以卖的产品,科研成果的研发和产业化,都需要企业的加盟,如果没有配套的供应商,一切无从谈起”。

路并不好走。徐向阳跑遍了国内大大小小的汽车企业,因为投入巨大,风险高,加上“三个空白”,国外也才刚刚开始做6AT,整整半年都没有企业敢跟徐向阳合作,“都觉得是好东西,但是中国人没做过,不敢做”。

直到徐向阳碰见山东盛瑞传动股份有限公司董事长刘祥伍,事情才峰回路转。刘祥伍曾经是潍柴动力主管内贸的副总,素以果敢著称,人称“刘大胆”,他对中国汽车市场非常熟稔,知道国内自动变速器的市场空白存在巨大的机会。但投入变速器的研发,意味着企业要在10年里,每年投入几千万元全部利润,股东不分红。

两人都是背水一战。2007年5月,在研发项目签约仪式上,刘祥伍举着香槟说:“8AT只能成功不能失败,我的办公楼在17层,如果失败了,我从上面跳下去。”徐向阳说:“如果真的失败了,我就陪你一起跳下去。”

2007年9月,项目启动第一次大会,参会的20多家零部件供应商态度不一,有的跟着项目走下来,有的半道撤了。这并不难理解——一条生产线要投入几千万元,如果失败,白白浪费。徐向阳坚持每一个零部件都有国内供应商、外资供应商,慢慢带着国内供应商学会做原本不会做的“行星排”“阀板”“离合器毂”“油泵”等。“我们一开始就瞄准了一件事:同时解决整个产业链不完整的问题。”徐向阳说。

10年研发,挑战巨大:众多设计方案里,要找到最优;如何精准控制机电液,实现换挡平顺;变速器一年量产几十万台、生命周期30万公里,如何保证性能一致?

2012年,搭载8AT的陆风X5汽车上市销售;2016年,中国自主品牌前置前驱8挡自动变速器第10万台下线!

中国自主品牌自动变速器在2013年市场占有率为零,2015年为3%,2016年为6%,数字在高速增长,中国人可以做变速器了!

该产品打破美德日韩长期以来对我国的技术封锁和产品垄断,迫使国外自动变速器单台降价3000元以上,已为国内整车生产降低成本至少300亿元。该项目获得2016年国家科技进步奖一等奖。

科技部部长万钢在2016中国汽车创新论坛上,这样评价徐向阳的项目:这是汽车工业近年来数一数二的大事,它产学研用深度融合的创新模式值得全行业总结和推广。

在徐向阳自己看来,最大的贡献是培育了自动变速器的产业链,那些跟着走下来的企业不少已经成为行业的“隐形小巨人”,比如天津天海同步科技集团,“行星排”产值已经占企业产值的一半;无锡金润汽车传动公司,国内大部分“阀板”都是他们生产的;而盛瑞传动,2016年的自动变速器产值已经超过老产品……

“一个重大的科技创新,尤其民口的,需要科学家的创新,也需要企业家的创新。”徐向阳深有体会,非常感谢那些有魄力跟着走下来的企业。

“有人说,论文写在大地上,我们是把论文写在产品上。”徐向阳认为,自己走的这条路得益于在德国奔驰汽车公司做访问学者时,学习到的如何组织实施大规模的、涉及几百个零配件的复杂产品的正向开发经验,“从一开始,我有个明确目标:不是把它作为一个科研项目去做,而是要产业化”。

总有人说打通科研成果转化最后一公里,而像徐向阳这种产学研用深度融合模式让最后一公里的问题直接不存在。这样的案例并不是少数。据介绍,北航积极推动国防领域高精尖技术向民口转化,一方面改革科技成果转化机构,设立专职部门,与资产运营管理部门、校地合作管理部门等协同推进重大科研成果转化落地,并不断健全科技成果转化制度,提高职务成果完成人收益比重;另一方面积极探索成果股权形式的科技成果孵化模式,聚焦航空航天、电子信息、新材料等重点领域设立学科性公司。

“近10年北航牵头的国家级奖项就有六七十项,之前之所以不为人知,跟国防保密的要求有关。北航由8所高校的航空系合并,成立之初就肩负着重大而光荣的使命:空天报国。随着我国国防科技工业由弱变强和军民融合上升为国家战略,北航的发展也面临转型,仅仅航空航天是不够的,而应该有更高的使命:服务国家的经济转型,更多国防成果应该拿出来服务地方经济转型。”房建成认为,北航要打开大门,走出学院路,走出北京城,把论文写在祖国大地上——

这一步伐在加快:

2016年5月,北航与青岛市达成战略合作协议,成立了北航青岛研究院和北航虚拟现实国家重点实验室青岛分室,双方将在信息技术、海洋环境、智能制造三大重点方向布局和发力。2017年9月,北航青岛研究院开学招来首批125名研究生。

2016年7月,北航与合肥联手打造的“北航合肥科学城”揭牌,北航的量子传感、机器人、新材料、医工交叉、通航技术等优势领域落地合肥,目前6个研究中心及通航产业技术研究院的科研团队组建完毕并入驻。

2017年4月,北航与四川省人民政府“联姻”,拟投资114亿元的北航西部国际创新港开工,由6名院士带头的团队已落户成都的北航创新研究院,双方致力于军民融合高端人才培养,培育军民融合产业集群。

……

校地合作连番大动作,北航各种重磅消息令人目不暇接。推开校门,建设异地研究院,推动产学研用深度融合。“北京的发展空间有限,我们很多学科新的增长点都布置在外地,借人之力解决空间不足的难题,也为教师真正服务地方经济、转化科技成果提供更大的舞台,相当于把科研延伸,把学校的培养能力拓展,真正实现把论文写在祖国大地上。”房建成说。

“三代人”文化

观察北航这些年捧回的大奖,有个共性:一个大奖后面就是一个大团队,有的团队规模甚至在200人以上。除了带头人,其他人均默默无名。

这是一支支怎样的团队在作战?

据北航科研院院长王荣桥介绍,这样的团队在北航至少有十几个,一个团队里最少四五十名教师、上百名学生,张军院士的“空中交通管理团队”,房建成院士的“惯性技术团队”,苏东林老师的“电磁兼容团队”,而“无人机团队”已经是成建制的单位……

“团队持续攻关,技术不断更新,这样才能成就大项目、高显示度项目。”王荣桥解释说,从大平台来说,学校有国家级平台如国家重点实验室、国防科技重点实验室等共计10个,“这些大平台就是不动的营盘,有着很强的原发动力,三五年不产成果,每个人都会感觉后面有老虎跟着”。

数据显示,北航2000多名教师,人均科研经费达到120万元,在高校中几乎是常年居于第一。

北航多年来形成的以“大团队、大平台、大项目、大成果”为核心的“四大模式”,已经被社会誉为科技创新的“北航模式”。

万钢曾经评价过该校的科研:“拿得起、扛得住、信得过。”王荣桥认为,这是北航“四大模式”的注脚。

学校从制度上也有力保障了“四大模式”的发展,以引导创新要素向瓶颈技术、大团队、大项目汇集。比如,在科研项目与资金管理方面,进一步简政放权,调动科研人员的积极性和创造性,同时推动科研设施与重大仪器设备开放共享。在未来实施的科技创新“致真问天”计划中,瞄准制约国家安全和国民经济建设的前瞻性问题与颠覆性技术,持续打造“前沿科学技术创新研究院”“国际交叉科学研究院”“医工交叉创新研究院”等创新特区。

一个大奖后面,基本上都是集体获奖,是一个团队在奋斗,除了带头人,其他人默默无名。“一个大团队里,有当神枪手的,也有机枪排、小炮手,也有炊事员,少了谁都不行。”在房建成看来,学校的制度改革只是保障。

到底是什么使那么多人宁愿默默无闻地付出?

很多大学,都有其特有的科研文化,在北航,有个科研的“三代人”文化。

2017年1月9日,北航教授宫声凯凭借研究项目“高温/超高温涂层材料技术与装备”,以第一完成人的身份荣获2016年度国家技术发明奖一等奖。他深耕20多年的研究成果,应用于我国最新研制生产的多型号发动机,为自主打造“中国心”作出了突出贡献。

“我认为团队中每一个人的工作都像一颗漂亮的珍珠,我只是把每一颗珍珠串在了一起,离开我的团队,我什么也做不成。”宫声凯这样说。

这样的回答有谦逊,但也是实情。发动机被誉为“现代工业皇冠上的明珠”,在打造“中国心”上,北航屡创新功:承担4个国防“973”项目、10年三获国家技术发明二等奖、一项国家技术发明一等奖。这背后,是以徐惠彬院士、陶智教授、宫声凯教授等为代表的第三代北航人率领团队在作战。

事实上,从上世纪50年代北航组建我国第一个航空发动机专业起,第一代北航人如王绍曾教授、宁榥教授等白手起家,在国内率先启动航空发动机研制。

上世纪80年代起,以陈懋章院士、高歌教授等为代表的第二代北航人潜心钻研,相关成果获1984年国家技术发明一等奖和1993年国家科技进步一等奖,钱学森先生评价“长中国人志气”。

三代人不断传承,勠力打造“中国心”。这样的故事在北航还有很多,如“三代人的陀螺梦”“三代人的长鹰魂”“三代人的凌云志”等,每一个故事都是北航人团队文化、创新品格、传承精神的生动写照。

在房建成看来,之所以有这么多三代人的团队,根源在于北航的价值观,是从建校之初培养“红色工程师”传统延续至今,以国家利益至上的一种精神和文化,“支撑一代代科学家瞄准一个领域深耕,肯定不是靠短期利益能维系的,一定是一种强大的精神支撑着,为国防科技工业奉献青春和才智,这种使命担当深深扎根在北航人的心中”。这种隐性的、一脉相传的科研团队文化可能比单纯的科研制度和体制的改革更有影响力。

走出“舒适区”

北航还有一张人才的成绩单:2017年10月,当年国家杰青、优青出炉,北航获评4位杰青、8位优青,总数12位,位列全国高校第八;近8年自主产生了9位院士;近5年来,获得国家科技三大奖项的获奖人名单里,近50名学生名列其中。

这个成绩单是怎么得来的呢?

陈华伟,42岁,2017年获评杰青。他2007年回国,加入到北航,埋头10年,聚焦于多学科交叉前沿研究领域。2016年,他在《自然》杂志发表了《猪笼草口缘区表面液膜连续定向搬运机制》,这是我国高校机械工程领域在该杂志的首篇论文。

陈华伟的研究非常有趣。他所在的机械工程领域是非常传统的老学科,如何寻找自己的研究方向?他把目光投向学科交叉,因为“单一的学科研究很难出创新成果了”。他用纳米、仿生等新技术找到突破口,用他的话来说,就是向大自然“偷师学艺”。

猪笼草是一种热带植物,有着湿润的“嘴唇”,当昆虫在附近爬行时,常常会“失足”滑落进捕虫笼内。“通过深入表征分析猪笼草口缘区微观结构特征,惊奇地发现,液体在猪笼草口缘能够沿着单一方向快速搬运,从而首次发现液膜单方向搬运的神奇现象。也就是说,在猪笼草的口缘区,水可以从低处往高处流。”陈华伟说。

为什么水可以从低处往高处流?陈华伟和团队成员通过液体、气体在界面上微观流动的动态观测,揭示了自然生物原型体表表面单方向液体搬运新现象和基于此的仿生设计新方法,开创性地提出了“梯度泰勒毛细升”理论。

这一研究成果可直接用于很多领域,如医工结合方面,解决微创手术在高温环境下粘刀问题,进行无耗能“水膜”补充,实现“一把手术刀可以做完整台手术”,如今已经在湘雅医院微创手术中使用;工业方面,可以应用到无人机表面防冰等;农业方面,解决沙漠干旱植物滴灌供水,实现长距离搬运。

“学校给予我很大的自由度,鼓励年轻学者把目光瞄准科学前沿。坦白地说,10年里,我就出了一篇高水平论文,学校没有给我压力,而是自己有压力。在研究条件方面,学校鼎力支持,在寸土寸金的地方,学校北门那边开辟了一个实验室。”陈华伟说。

陈华伟的成长并不是孤立的,离不开一个计划——北航“青年拔尖创新人才支持计划”,他是首批入选者。

“学科建设的经费是有限的,但要花在刀刃上。”据王荣桥介绍,从2016年开始,北航实施“青年拔尖创新人才支持计划”,5年投入6亿元经费,面向青年教师,重点培育优青、杰青后备人才,鼓励他们面向国际学术前沿开展原创性基础研究。一年两批,一批选60人,给予人均合计100万至200万元经费支持,“5年内基本能把青年教师覆盖一个遍”。

“这是做一件为了北航10年、20年、30年后的事。”房建成说。该计划实行导师制,导师由院士、长江学者、杰青、千人计划专家等顶尖学者担任,践行“精育细导”的高端人才培育理念。

“有个数字的对比可以说明问题,2010年,学校当年获评的杰青数字是零。而2017年有12位杰青、优青,其中4个杰青都是第一批计划的入选者。2017年才是计划实施的第二年,未来的收获更可期待。”王荣桥说。

北航的青年科技人才计划跟“爬梯子”一样。拿到杰青、优青的学者,还有一个“青年科学家团队培育计划”,重点面向42岁以下优青、青年长江、青年拔尖人才等,培育未来领军人才,会聚3至5人中小规模研究团队,设立专项基金,每个团队每年大约50万至100万元不等。再往上,是“高端成果培育计划”,对获得国家奖、省部级奖等进行高额激励,目标是培育院士候选人。

“有组织地精准培养人才”,“有组织地科研”,关注青年教师就是关注学校未来,培育好“青椒”们,才能让他们成为学校未来的中流砥柱,房建成对此有个精炼的总结。

在高校里,当一代人脱颖而出,成为有学术影响力的“大树”时,也容易出现“大树底下不长草”的现象,如何克服人才队伍建设的这个“阿喀琉斯之踵”?

“走出‘舒适区’,延缓‘满足感’。”王荣桥用几个字来概括,学校从机制上设立了“三足鼎立”的科研生态,力克“大树底下不长草”。

何为“三足鼎立”?一足为国际交叉科学研究院。学校把青年千人计划学者、卓越百人教授放到这个特区里,为这部分学者提供约50万元年薪、300万元实验设备启动费,2012年成立,目前已会聚约200人,主要瞄准若干学科交叉方向,推动学校由技术创新为主向技术创新与原始创新并重转变。

一足为前沿科学技术创新研究院。主要依托北航的国家级科研基地,以体制机制改革为重点,以专职科研队伍建设为抓手,打造创新要素汇聚、创新活力迸发的科研特区,承担一批“科技创新—2030”等国家重大科技专项任务,产生一批国家科技一等奖等标志性成果,培养一批院士、长江、杰青、“四青”等杰出人才。

学校规定,进入前沿科学技术创新研究院的团队带头人必须是70岁以下的院士或者国家级创新平台负责人等知名学者,在资源配置上给予倾斜支持。

在高校里,有的学者当了院士之后反而没有成果了,对学校的贡献也变小了,其实是种人才浪费。“我们要持续调动院士等高端人才的积极性,让杰出人才走出‘舒适区’,例如院士可以培育院士候选人,可以发展新的方向,产生更长久的激励。”王荣桥坦言。

还有一足为医工交叉创新研究院。北航“无医”,能否用航空航天精密仪器去解决医学高端器械?北航近年来积极布局医工交叉,承接了北京市3个医学相关高精尖创新中心,形成了医工交叉高精尖创新群,对一个产值12万亿元的行业发起进攻。

有组织地培养人才,使得人才“分类卓越”。这种模式也同时让人才培养受惠。对于很多高校来说,学生的名字很难出现在国家科技三大奖的名单里,但在北航,统计显示,近5年来,有近50名研究生出现在国家科技三大奖的获奖人名单里。(本报记者 赵秀红)

《中国教育报》2018年01月11日第1版 

0 0 0
分享到:0

相关阅读

最新发布
热门标签
点击排行
热点推荐

工信部备案号:京ICP备05071141号

互联网新闻信息服务许可证 1012013005

中国教育新闻网版权所有,未经书面授权禁止下载使用

Copyright@2000-2018 www.jyb.cn All Rights Reserved.

京公网安备 11010802025840号