追求超聲電機(jī)的“中國夢(mèng)”

白玉磊+翟國慶

2015年7月16日，由江蘇省科協(xié)、江蘇省教育廳共同主辦，南京大學(xué)、東南大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、南京理工大學(xué)、中科院南京土壤研究所共同承辦的2015年青少年高校科學(xué)營(yíng)江蘇科學(xué)營(yíng)活動(dòng)在南京航空航天大學(xué)隆重開營(yíng)。

在南航學(xué)生自制的飛行器“遨游”于會(huì)場(chǎng)上空之際，中國科學(xué)院院士趙淳生教授為現(xiàn)場(chǎng)的學(xué)子們帶來了一場(chǎng)拓展視野、激動(dòng)人心的專家報(bào)告。趙淳生院士不僅在報(bào)告中講述了自己與超聲電機(jī)“邂逅”的趣事，以及在超聲電機(jī)領(lǐng)域的研究經(jīng)歷和最新研究成果，還對(duì)參加科學(xué)營(yíng)的學(xué)子們提出了“開拓創(chuàng)新，追求中國夢(mèng)”的希冀。

從應(yīng)用科學(xué)到純科學(xué)的“蛻變”

在報(bào)告的一開始，趙淳生院士就回憶起一段往事：多年前，他去中國兵器集團(tuán)204研究所參觀，看到那里有一塊標(biāo)語牌上寫著這樣一段話，“我時(shí)常被問及這樣的問題，純科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)究竟哪個(gè)對(duì)世界更重要。為了應(yīng)用科學(xué)，科學(xué)本身必須存在，假如我們停止科學(xué)的進(jìn)步而只留意科學(xué)的應(yīng)用，我們很快就會(huì)退化成中國人那樣。多少代人以來，他們?cè)诳茖W(xué)上都沒有什么進(jìn)步，因?yàn)樗麄冎粷M足于科學(xué)的應(yīng)用，卻從來沒問過他們所做事情中的原理，這些原理就構(gòu)成了純科學(xué)。中國人知道火藥的應(yīng)用已經(jīng)若干世紀(jì)，如果他們用正確的方法探索其特殊應(yīng)用的原理，他們就會(huì)在獲得這些應(yīng)用科學(xué)帶來的成果的同時(shí)發(fā)展出化學(xué)，甚至物理學(xué)。因?yàn)橹粷M足于火藥能爆炸的事實(shí)，而沒有尋根問底，中國人已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于世界的進(jìn)步，我們現(xiàn)在只是將這個(gè)所有民族中最古老的民族當(dāng)成野蠻人。”這段話是美國著名物理學(xué)家、美國物理學(xué)會(huì)第一任會(huì)長(zhǎng)亨利·奧古斯特·羅蘭在1883年美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)年會(huì)上演講的節(jié)選，讓趙院士感觸頗深。

但趙院士相信，大家跟他有一樣的感覺，即使科學(xué)落后，我們也不承認(rèn)自己是野蠻人，真正的野蠻人是那些發(fā)動(dòng)侵略戰(zhàn)爭(zhēng)、燒殺搶掠的人。但是，我們也不能不承認(rèn)，在最近一兩百年來，我國的科學(xué)發(fā)展得很慢。歷史上，我們的祖先曾經(jīng)有四大發(fā)明，但我們的科研卻未能緊緊跟上去，所以，原子彈、氫彈都是西方國家最先發(fā)明的，我們僅僅是應(yīng)用而已，卻沒有去深入地研究其中的原理。因此，這段話引起了中國科學(xué)家深深的思考。新中國成立后，在科教興國方針的指導(dǎo)下，我們的科學(xué)研究有了顯著的發(fā)展，我們?cè)僖膊皇恰耙靶U人”了。

其實(shí)，中國人是很聰明的。上世紀(jì)50年代中后期，出于對(duì)國際環(huán)境的考慮，毛主席提出我國要研制出自己的核武器。結(jié)果，在1964年我國便成功研制并爆炸了第一顆原子彈。緊接著，在1967年我國又成功研制并爆炸了第一顆氫彈，這其間僅僅用了3年。改革開放30多年以來，我國在科學(xué)領(lǐng)域更是有了質(zhì)的飛躍。因此，趙淳生院士覺得我們應(yīng)該看到自己身上的優(yōu)勢(shì)和閃光點(diǎn)，樹立自信、自強(qiáng)、自立的意識(shí)。但面對(duì)當(dāng)下復(fù)雜多變的國際形勢(shì)、日新月異的科學(xué)技術(shù)，我們不能沉醉于過去的成績(jī)，而應(yīng)該進(jìn)一步地開拓創(chuàng)新，追求我們的“中國夢(mèng)”。

半路出家，做出“大文章”

中國人有著實(shí)現(xiàn)祖國偉大復(fù)興的共同的“中國夢(mèng)”，而每一個(gè)中國人心中又有自己的“中國夢(mèng)”。趙淳生院士的“中國夢(mèng)”，便是讓中國在超聲電機(jī)的技術(shù)上領(lǐng)先世界。

2013年12月15日晚，“嫦娥三號(hào)”在萬眾矚目中登上月球。“嫦娥三號(hào)”成功在月球著陸，“玉兔號(hào)”巡視器所載的五星紅旗出現(xiàn)在“嫦娥三號(hào)”的拍攝畫面中……這是中國國旗首次在地球以外的天體上“留影”。但被大家忽略的是，在五星紅旗的正下方，“隱匿”著一個(gè)小小的超聲電機(jī)，這項(xiàng)新技術(shù)的應(yīng)用順利推進(jìn)了我國此次的探月活動(dòng)。而這臺(tái)型號(hào)為“TRUM-30A”的超聲電機(jī)，正是由趙淳生院士領(lǐng)銜研發(fā)的。

談及自己的超聲電機(jī)研究之路，趙院士不禁感慨萬千。其實(shí)，他自認(rèn)為只不過是一個(gè)“半路出家的和尚”。五十幾歲，是一個(gè)做科研的人“生命力”最旺盛的年紀(jì)，就在1993年，年過半百的趙院士開啟了一段新的科研之路。那年，他正在美國麻省理工學(xué)院航天航空系做訪問學(xué)者，無意中參加了一場(chǎng)該系舉辦的關(guān)于超聲電機(jī)技術(shù)的專題報(bào)告會(huì)。“我就是從那時(shí)起開始接觸超聲電機(jī)的，我原本是做‘飛機(jī)智能結(jié)構(gòu)和健康診斷的振動(dòng)學(xué)研究的，雖然超聲電機(jī)在航空航天、軍事等多個(gè)領(lǐng)域都有十分重要的作用，和我本來的研究方向有聯(lián)系，但全新的領(lǐng)域還是充滿著未知數(shù)。”趙院士說。

超聲電機(jī)在諸多領(lǐng)域的重要作用，使趙院士萌發(fā)了對(duì)超聲電機(jī)的追求。面對(duì)國內(nèi)超聲電機(jī)領(lǐng)域的空白，當(dāng)時(shí)趙院士起家的全部“家當(dāng)”是：20平方米的研究室、一個(gè)博士一個(gè)碩士、向?qū)W校借來的1.5萬元科研經(jīng)費(fèi)、一臺(tái)計(jì)算機(jī)和一臺(tái)簡(jiǎn)易激光打印機(jī)。功夫不負(fù)有心人，在將近一年超負(fù)荷的技術(shù)攻關(guān)后，1994年，中國自主研發(fā)的第一臺(tái)原型行波超聲電機(jī)就在這個(gè)簡(jiǎn)陋的研究室里，在以趙淳生院士為首的科研小組的手中誕生了。

但是，常年的高強(qiáng)度工作，也一度讓趙院士處于死亡線的邊緣。2000年以后，他先后兩次罹患癌癥，不過，憑借堅(jiān)強(qiáng)的意志和對(duì)超聲電機(jī)的執(zhí)著追求，他戰(zhàn)勝了病魔。2005年，他成功當(dāng)選為中國科學(xué)院院士。2013年，他領(lǐng)銜研制的“TRUM-30A”型超聲電機(jī)在飄揚(yáng)的五星紅旗下登上月球。雖是半路出家，趙院士卻在超聲電機(jī)領(lǐng)域做出“大文章”。

關(guān)于超聲電機(jī)的“中國夢(mèng)”

據(jù)趙院士介紹，超聲電機(jī)是上世紀(jì)80年代在日本率先發(fā)展起來的一種全新概念的電機(jī)，在軍事、航空航天等諸多領(lǐng)域有著重要的作用。傳統(tǒng)意義上的電機(jī)，就是我們常說的馬達(dá)，它是依據(jù)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置。超聲電機(jī)卻不同于傳統(tǒng)意義上的電機(jī)，傳統(tǒng)電機(jī)利用電磁感應(yīng)獲得運(yùn)動(dòng)和力矩，這實(shí)質(zhì)上是一種“壓電效應(yīng)”，而超聲電機(jī)則是利用“逆壓電效應(yīng)”和超聲振動(dòng)來獲得運(yùn)動(dòng)和力矩的。

“什么是壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)？”趙院士解釋，“一個(gè)電介質(zhì)受到外力的作用發(fā)生變形，就會(huì)發(fā)生極化現(xiàn)象，產(chǎn)生電荷，這就是壓電效應(yīng)；而逆壓電效應(yīng)恰恰相反，它是先對(duì)晶體施加交變電場(chǎng)，使晶體產(chǎn)生機(jī)械變形的過程。”那么，相比傳統(tǒng)的電機(jī)，以逆壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)的超聲電機(jī)有哪些優(yōu)勢(shì)呢？談及此處，趙院士不禁流露出對(duì)超聲電機(jī)的鐘情：“在同等質(zhì)量的條件下，超聲電機(jī)能比傳統(tǒng)的電磁電機(jī)獲得更大的扭矩。我們行內(nèi)流傳著這樣一句話，叫‘寸重寸金，在電機(jī)的使用上，還是以質(zhì)量較輕為佳。”趙院士接著又說，“超聲電機(jī)比電磁電機(jī)的響應(yīng)速度快，而且易于控制，能夠減少在使用方面的不少麻煩。另外，它還有噪聲小、能在真空或高低溫等特殊環(huán)境下工作的優(yōu)良特性。”

上世紀(jì)90年代，在與超聲電機(jī)“邂逅”并了解它的發(fā)展前景和意義之后，趙淳生院士便迫不及待地回到南航，在母校扎根這項(xiàng)新技術(shù)。20余年來，南航在超聲電機(jī)領(lǐng)域有了巨大的突破：2001年南航制造的環(huán)形超聲電機(jī)應(yīng)用于某武器系統(tǒng)；應(yīng)中國工程物理研究院電子工程研究所的要求，為用于核彈頭的安全保護(hù)裝置的超聲電機(jī)提供了樣機(jī)；研制出“TRUM40”型超聲電機(jī)應(yīng)用于衛(wèi)星飛輪鎖緊裝置等。直到2013年，在趙淳生院士的領(lǐng)銜下，由南航研制的“TRUM-30A”型超聲電機(jī)乘著“嫦娥三號(hào)”登上月球。這臺(tái)超聲電機(jī)的重要“職責(zé)”是負(fù)責(zé)紅外成像光譜儀內(nèi)定標(biāo)板的驅(qū)動(dòng)與控制，為“玉兔號(hào)”在月球上留下清晰影像作出了關(guān)鍵性的貢獻(xiàn)。

如今，已經(jīng)“奔八”的趙淳生院士并沒有因?yàn)檫@些驕人的成績(jī)而停止探索的腳步。他對(duì)在場(chǎng)的科學(xué)營(yíng)學(xué)子提出了自己的希望：“希望大家像我追求超聲電機(jī)的‘中國夢(mèng)一樣，去追求你們科學(xué)上的‘中國夢(mèng)！”