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挺进“无人区”——探寻科研创新的“北航模式”

时间:2018-01-11 17:32     来源:中国教育报     作者:赵秀红      点击: 次    
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导语: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。

挺进“无人区”——探寻科研创新的“北航模式”
【图语:北京航空航天大学】

  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。

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