邱雷：為飛行器智能結(jié)構(gòu)添磚加瓦

王 輝

邱雷在中國航空青年科學(xué)家論壇作邀請報告

飛行器智能結(jié)構(gòu)就是一項改變未來先進(jìn)飛行器發(fā)展的革命性技術(shù)，該技術(shù)通過將傳感器、驅(qū)動器等與飛行器主體結(jié)構(gòu)一體化集成，使得飛行器結(jié)構(gòu)不僅具有承受載荷的能力，還具有自感知、自診斷、自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自修復(fù)等能力，從而提升飛行器整體性能。相對傳統(tǒng)飛行器結(jié)構(gòu)，飛行器智能結(jié)構(gòu)可以根據(jù)自身實際的服役狀態(tài)去調(diào)控自身的性能，可以像人體一樣實現(xiàn)健康狀態(tài)的自我監(jiān)測甚至是損傷的自我修復(fù)，可以根據(jù)實際飛行環(huán)境和空氣流場特性改變機(jī)翼的形狀實現(xiàn)自適應(yīng)飛行，等等。

30年前，在“沒錢、沒人、沒設(shè)備”的“三沒”境地下，南京航空航天大學(xué)的陶寶祺院士率先開創(chuàng)了國內(nèi)航空航天領(lǐng)域研究飛行器智能結(jié)構(gòu)技術(shù)的先河。而在30年后的今天，仍有眾多南航人秉承“航空報國”初心和院士遺志，為我國飛行器智能結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展添磚加瓦。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實驗室，智能材料與結(jié)構(gòu)學(xué)術(shù)部的邱雷教授就是青年一代中的代表之一。多年來，這位“土生土長”的南航人一直專注于飛行器智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的研究，并在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的原理與方法、復(fù)雜條件下結(jié)構(gòu)的可靠診斷、飛行器應(yīng)用裝備3個方面取得了多項創(chuàng)新成果。

開啟科研之窗 立志智能監(jiān)測

從最初的“科研小白”成長為一名航空航天科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的科研工作者，邱雷這一路走來并不輕松。2002年，他從重慶南開中學(xué)考入南京航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院飛行器設(shè)計專業(yè)，并被自動分配到“不被看好”的航空結(jié)構(gòu)測試這一個小的專業(yè)方向。據(jù)邱雷回憶：“當(dāng)時同班很多同學(xué)都對自己被分配到這個方向很有意見，同學(xué)們考入南航是為了以后能成為飛機(jī)設(shè)計師的，是搞飛機(jī)設(shè)計的，但現(xiàn)在被分配到這個非主機(jī)專業(yè)的方向，未來肯定被邊緣化了?！彪m然邱雷剛進(jìn)入大學(xué)，對這個方向還一無所知，但他并沒有被這種意見所羈絆，他知道這個專業(yè)方向是南航第一位院士——陶寶祺院士開創(chuàng)的，任何事物的存在都有內(nèi)在的道理，所以他并沒有絲毫懈怠，對本科階段的學(xué)習(xí)和實踐投入了極大的熱情。隨著本科階段對這一專業(yè)方向認(rèn)識的逐漸深入，他發(fā)現(xiàn)這是一個典型的力學(xué)、機(jī)械、電子、材料等多學(xué)科交叉方向，并篤定這一專業(yè)方向的未來必定“星光璀璨”。邱雷自己援引了金一南少將的一句話，就是“做有心人，干困難事，立大格局”，他本科階段的學(xué)習(xí)就是這樣過來的。

邱雷通過本科3年的努力，以優(yōu)異的成績確定了碩博的資格，并在大三下學(xué)期，2005年春天，提前加入到了袁慎芳教授的團(tuán)隊，正式開啟了他的科研生涯，開始從事飛行器智能結(jié)構(gòu)健康與監(jiān)測技術(shù)的研究。作為陶寶祺院士的嫡傳弟子之一，袁慎芳教授長期深入研究飛行器智能結(jié)構(gòu)與健康監(jiān)測技術(shù)，是南航巾幗不讓須眉的“科研女杰”。能夠遇見袁老師，是邱雷人生的一大幸事，袁老師對待科研和指導(dǎo)學(xué)生的認(rèn)真及做事的熱情一直感染著他。

剛進(jìn)入袁老師團(tuán)隊的邱雷對智能結(jié)構(gòu)與健康監(jiān)測這一研究方向十分陌生。袁老師交代給他的第一個任務(wù)是復(fù)現(xiàn)實驗室原有的基于壓電傳感器和導(dǎo)波的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測演示系統(tǒng)，“袁老師當(dāng)時只是簡單地給我講了一下她的想法和希望達(dá)到的目標(biāo)，我聽完袁老師的指示以后整個人完全是懵的”，但是，邱雷憑借他本科階段鍛煉的學(xué)習(xí)能力和對科研工作的極大熱情，每周工作80個小時以上，通過查閱整理大量的文獻(xiàn)、與相關(guān)的老師和師兄交流討論，逐漸對智能結(jié)構(gòu)與健康監(jiān)測及自己承擔(dān)的任務(wù)有了更深刻的認(rèn)識，并且通過對電路設(shè)計、嵌入式和應(yīng)用軟件編程、信號處理等多個方面的學(xué)習(xí)，在一年半的時間里圓滿完成了袁老師交給的任務(wù)，在此基礎(chǔ)上還進(jìn)一步研發(fā)了團(tuán)隊第一代導(dǎo)波集成結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測掃查系統(tǒng)工程原理樣機(jī)。正是由于在短短的一年多時間里完成了系統(tǒng)的研制，正好趕上了2007年團(tuán)隊與中航工業(yè)601所、623所和625所合作開展的國內(nèi)首次在真實飛機(jī)部件級結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)驗證。通過這次機(jī)會，邱雷一方面驗證了自己研制的系統(tǒng)的性能并幫助團(tuán)隊在行業(yè)內(nèi)提升了影響；另一方也接觸到了實際的飛機(jī)結(jié)構(gòu)和工程應(yīng)用，且與行業(yè)主要研究機(jī)構(gòu)建立了聯(lián)系。這些經(jīng)歷激發(fā)了邱雷的科研興趣，幫助他開啟了科研之窗，打開了學(xué)術(shù)視野，他立志在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的科研工作中堅定前行下去。

堅定腳下之路 突破瓶頸難題

“一條路走到底”，這句話用來形容邱雷對飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的堅持甚為貼切。實干興邦，16年的科研生涯中，他一直堅定踏實地走在飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)及其工程應(yīng)用的科研道路上。

據(jù)邱雷回憶，2006年至2007年是國內(nèi)飛行器智能結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)研究的低谷，這項技術(shù)的重要性還沒有被廣泛地接受。這個時期也是團(tuán)隊最困難的時候，科研經(jīng)費(fèi)僅依靠一個航空科學(xué)基金在支撐。但正是這個時候，袁老師帶領(lǐng)邱雷和團(tuán)隊潛心搞好自己的研究，并完成了國內(nèi)首部航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的專著《結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控》。依靠2007年開展的國內(nèi)首次真實飛機(jī)結(jié)構(gòu)的驗證，以及這本專著等標(biāo)志性成果，團(tuán)隊在國內(nèi)的影響力逐漸提升，之后團(tuán)隊連續(xù)拿到了國防基礎(chǔ)項目、國家原“863”項目、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目的支持，并且團(tuán)隊至今已經(jīng)跟中航工業(yè)611所、601所、603所、中國商飛、623所、空軍裝備研究院等主機(jī)廠所和應(yīng)用廠所在國家重點(diǎn)型號技術(shù)攻關(guān)、民機(jī)專項等支持下開展了10余年合作，目前這項技術(shù)的重要性已經(jīng)被廣泛地接受。這個時期的經(jīng)歷讓邱雷明白，在科研的道路上遇到低谷不用怕，因為低谷之后就是上坡路、成功的路，所以越是低谷越應(yīng)該砥礪前行。只有下坡路才是好走的路。

在這條科研的道路上，其實面臨的抉擇很多，因為不僅僅是航空航天領(lǐng)域，在高鐵、風(fēng)電、能源、化工和土木領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)也是大有可為，具有很廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)邱雷講：“在近10年，很多其他領(lǐng)域的機(jī)構(gòu)都來找袁老師，想跟她的團(tuán)隊合作，推廣結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)，但最后袁老師卻毅然選擇只聚焦于航空航天領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展。她時常教導(dǎo)我們，每個人精力有限，應(yīng)該專注于一個重要方向，我們不能只追求方向多、項目多，我們要把精力放在踏踏實實地干一件事上，做出讓同行認(rèn)可的成績來?！闭菓{借這種做事的精神和態(tài)度，邱雷所在的團(tuán)隊在領(lǐng)域內(nèi)樹立起了良好的口碑，影響力也越來越大。

結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)經(jīng)過近30年的發(fā)展，已經(jīng)逐漸從基礎(chǔ)研究轉(zhuǎn)向應(yīng)用研究，很多飛機(jī)的型號研制都迫切需要該技術(shù)的工程應(yīng)用。邱雷說：“航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用不同于其他領(lǐng)域，對傳感器、監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性、輕量化、低功耗、使用壽命等要求十分苛刻，這還不是最困難的，最難的是如何在飛行器復(fù)雜的服役條件下，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的可靠監(jiān)測，這已經(jīng)成為阻礙結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的瓶頸難題?！鼻窭讖?007年參加我國首次在真實飛機(jī)部件級結(jié)構(gòu)上的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)驗證以來，一直在圍繞這個難題開展研究。在不斷跨越阻礙的前進(jìn)道路上，他從實踐中深刻體會問題的根源，然后上升到基礎(chǔ)理論和方法層面深入探求解決問題之法，又回到實踐中去，扎根于我國飛行器重要試驗和使用維護(hù)基地，在團(tuán)隊中負(fù)責(zé)和參與了外廠大量的飛機(jī)型號部件和全機(jī)結(jié)構(gòu)試驗驗證及應(yīng)用，通過反復(fù)研究-驗證迭代，在屢次失敗中終于悟出了些許破解難題之道。

在這個過程中，邱雷也得到了國家和相關(guān)省部委項目的大力支持，其中一個典型項目，就是他主持的國家自然科學(xué)基金面上項目“時變環(huán)境下航空結(jié)構(gòu)損傷的波動概率統(tǒng)計成像方法研究”。這個項目是在他剖析問題根源，回歸科學(xué)問題及結(jié)合當(dāng)今國內(nèi)外針對該問題的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，原創(chuàng)性地提出了將陣列成像和動態(tài)概率相結(jié)合的彈性波波動概率統(tǒng)計成像方法。通過該項目的研究，他們初步理清服役條件對監(jiān)測可靠性的影響規(guī)律，提出了時變因素影響的監(jiān)測特征動態(tài)概率建模表征方法，建立了時變因素影響下的結(jié)構(gòu)損傷波動概率統(tǒng)計成像機(jī)制，提升了航空飛行器結(jié)構(gòu)復(fù)雜條件下?lián)p傷診斷可靠性，成果被應(yīng)用于主力戰(zhàn)機(jī)、大型軍民用飛機(jī)等8個型號?；谠擁椖康难芯抗ぷ?，他在Mech Syst Signal Proc、Struct Health Monit、Chinese J Aeronaut等領(lǐng)域內(nèi)的重要期刊上發(fā)表了多篇文章，并且還在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的頂級國際會議The 8th European Workshop on Structural Health Monitoring上獲得了年度全球唯一最佳論文獎，這是中國學(xué)者在該系列會議上首次獲獎。由于他和他所在的團(tuán)隊對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在航空領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)，他們還獲得了2019年江蘇省科學(xué)技術(shù)獎一等獎。

面向國家戰(zhàn)略 展望智能未來

在國家“十四五”已經(jīng)立項的重要型號中，將結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)作為核心技術(shù)列入了型號研制任務(wù)。目前，邱雷和他所在的團(tuán)隊正在緊密圍繞新型號研制的需求，開展應(yīng)用技術(shù)攻關(guān)工作，并扎實已有技術(shù)積累，提升技術(shù)成熟度，力爭為裝備了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)的重要型號飛機(jī)早日翱翔藍(lán)天貢獻(xiàn)力量。

此外，我國正在大力發(fā)展可重復(fù)往返的高超聲速飛行器。相對于常規(guī)的航空飛行器，這類飛行器服役條件更加苛刻，在往返大氣層時會遭遇沖擊、振動、強(qiáng)噪聲、強(qiáng)輻射及上千攝氏度的高溫環(huán)境。因此，這類飛行器對結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)也提出了迫切的應(yīng)用需求。近幾年，邱雷和他所在的團(tuán)隊也在與主要的航天院所合作，開展高超聲速飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)科學(xué)問題研究及工程應(yīng)用研究。目前，他們與某研究所合作，已經(jīng)在某型驗證機(jī)上裝備了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測傳感器和系統(tǒng)，近期將開展飛行試驗。這將是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)在航天領(lǐng)域的首次飛行驗證。

“‘智能’是這個時代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的主題之一，只要圍繞這個主題走，那道路基本不會錯?！鼻窭渍f道。在參與型號任務(wù)的同時，邱雷也在基于自身的研究基礎(chǔ)，圍繞“智能”主題積極探索前沿交叉研究方向“基于柔性電子的飛行器智能蒙皮”。邱雷補(bǔ)充說道：“飛行器智能蒙皮是飛行器智能結(jié)構(gòu)的一個具體化方向，就是讓飛機(jī)的表皮類似于人的表皮具有智能性。”目前柔性電子在人體表皮研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，能不能把柔性電子技術(shù)也引入到飛行器蒙皮上及如何引入進(jìn)來，這正是邱雷思考的問題。不同于人體表皮，飛行器蒙皮面積大，再加上飛行器的應(yīng)用對重量、功耗要求苛刻，發(fā)展基于柔性電子的飛行器智能蒙皮，面臨很多基礎(chǔ)科學(xué)問題和技術(shù)問題。針對這些問題，邱雷承擔(dān)了“飛行器大面積、輕量化、傳感-監(jiān)測—體化結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能蒙皮”這一項目，他首先確定研究基礎(chǔ)，明確了飛行器結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測智能蒙皮在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用中的需求，并以此作為牽引，進(jìn)一步圍繞結(jié)構(gòu)-電子-功能一體化如何實現(xiàn)，即大規(guī)模傳感器件和功能器件及其引線的大面積、輕量化、一體化、高可靠實現(xiàn)等相關(guān)難題開展深入研究。目前，他在這方面的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，成果發(fā)表在IEEE T Ind Electron、Mech Syst Signal Proc等重要期刊上。近期，他們將面向大型民機(jī)或無人機(jī)這種大型整體復(fù)合材料機(jī)翼蒙皮，制造出智能蒙皮原理樣機(jī)，實現(xiàn)功能演示驗證。

漫漫科研路，在邱雷看來難的不是科研本身，而是如何緊跟科學(xué)前沿，了解和掌握學(xué)術(shù)動態(tài)，做出突破性的成果。此外，扎實基礎(chǔ)，還要做出實事，這是加入袁慎芳老師團(tuán)隊后，邱雷一直都堅持的信念，他也在默默為把相關(guān)技術(shù)向工程應(yīng)用推廣而努力著。圍繞航空特色，深耕智能結(jié)構(gòu)和健康監(jiān)測前沿方向?，F(xiàn)在的科研小舟只是剛剛揚(yáng)帆起航，未來尚有更大的舞臺等著他去乘風(fēng)破浪。