追求超声电机的“中国梦”

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  2015年7月16日,由江苏省科协、江苏省教育厅共同主办,南京大学、东南大学、南京航空航天大学、南京理工大学、中科院南京土壤研究所共同承办的2015年青少年高校科学营江苏科学营活动在南京航空航天大学隆重开营。
  在南航学生自制的飞行器“遨游”于会场上空之际,中国科学院院士赵淳生教授为现场的学子们带来了一场拓展视野、激动人心的专家报告。赵淳生院士不仅在报告中讲述了自己与超声电机“邂逅”的趣事,以及在超声电机领域的研究经历和最新研究成果,还对参加科学营的学子们提出了“开拓创新,追求中国梦”的希冀。
  从应用科学到纯科学的“蜕变”
  在报告的一开始,赵淳生院士就回忆起一段往事:多年前,他去中国兵器集团204研究所参观,看到那里有一块标语牌上写着这样一段话,“我时常被问及这样的问题,纯科学与应用科学究竟哪个对世界更重要。为了应用科学,科学本身必须存在,假如我们停止科学的进步而只留意科学的应用,我们很快就会退化成中国人那样。多少代人以来,他们在科学上都没有什么进步,因为他们只满足于科学的应用,却从来没问过他们所做事情中的原理,这些原理就构成了纯科学。中国人知道火药的应用已经若干世纪,如果他们用正确的方法探索其特殊应用的原理,他们就会在获得这些应用科学带来的成果的同时发展出化学,甚至物理学。因为只满足于火药能爆炸的事实,而没有寻根问底,中国人已经远远落后于世界的进步,我们现在只是将这个所有民族中最古老的民族当成野蛮人。”这段话是美国著名物理学家、美国物理学会第一任会长亨利·奥古斯特·罗兰在1883年美国科学促进会年会上演讲的节选,让赵院士感触颇深。
  但赵院士相信,大家跟他有一样的感觉,即使科学落后,我们也不承认自己是野蛮人,真正的野蛮人是那些发动侵略战争、烧杀抢掠的人。但是,我们也不能不承认,在最近一两百年来,我国的科学发展得很慢。历史上,我们的祖先曾经有四大发明,但我们的科研却未能紧紧跟上去,所以,原子弹、氢弹都是西方国家最先发明的,我们仅仅是应用而已,却没有去深入地研究其中的原理。因此,这段话引起了中国科学家深深的思考。新中国成立后,在科教兴国方针的指导下,我们的科学研究有了显著的发展,我们再也不是“野蛮人”了。
  其实,中国人是很聪明的。上世纪50年代中后期,出于对国际环境的考虑,毛主席提出我国要研制出自己的核武器。结果,在1964年我国便成功研制并爆炸了第一颗原子弹。紧接着,在1967年我国又成功研制并爆炸了第一颗氢弹,这其间仅仅用了3年。改革开放30多年以来,我国在科学领域更是有了质的飞跃。因此,赵淳生院士觉得我们应该看到自己身上的优势和闪光点,树立自信、自强、自立的意识。但面对当下复杂多变的国际形势、日新月异的科学技术,我们不能沉醉于过去的成绩,而应该进一步地开拓创新,追求我们的“中国梦”。
  半路出家,做出“大文章”
  中国人有着实现祖国伟大复兴的共同的“中国梦”,而每一个中国人心中又有自己的“中国梦”。赵淳生院士的“中国梦”,便是让中国在超声电机的技术上领先世界。
  2013年12月15日晚,“嫦娥三号”在万众瞩目中登上月球。“嫦娥三号”成功在月球着陆,“玉兔号”巡视器所载的五星红旗出现在“嫦娥三号”的拍摄画面中……这是中国国旗首次在地球以外的天体上“留影”。但被大家忽略的是,在五星红旗的正下方,“隐匿”着一个小小的超声电机,这项新技术的应用顺利推进了我国此次的探月活动。而这台型号为“TRUM-30A”的超声电机,正是由赵淳生院士领衔研发的。
  谈及自己的超声电机研究之路,赵院士不禁感慨万千。其实,他自认为只不过是一个“半路出家的和尚”。五十几岁,是一个做科研的人“生命力”最旺盛的年纪,就在1993年,年过半百的赵院士开启了一段新的科研之路。那年,他正在美国麻省理工学院航天航空系做访问学者,无意中参加了一场该系举办的关于超声电机技术的专题报告会。“我就是从那时起开始接触超声电机的,我原本是做‘飞机智能结构和健康诊断的振动学’研究的,虽然超声电机在航空航天、军事等多个领域都有十分重要的作用,和我本来的研究方向有联系,但全新的领域还是充满着未知数。”赵院士说。
  超声电机在诸多领域的重要作用,使赵院士萌发了对超声电机的追求。面对国内超声电机领域的空白,当时赵院士起家的全部“家当”是:20平方米的研究室、一个博士一个硕士、向学校借来的1.5万元科研经费、一台计算机和一台简易激光打印机。功夫不负有心人,在将近一年超负荷的技术攻关后,1994年,中国自主研发的第一台原型行波超声电机就在这个简陋的研究室里,在以赵淳生院士为首的科研小组的手中诞生了。
  但是,常年的高强度工作,也一度让赵院士处于死亡线的边缘。2000年以后,他先后两次罹患癌症,不过,凭借坚强的意志和对超声电机的执着追求,他战胜了病魔。2005年,他成功当选为中国科学院院士。2013年,他领衔研制的“TRUM-30A”型超声电机在飘扬的五星红旗下登上月球。虽是半路出家,赵院士却在超声电机领域做出“大文章”。
  关于超声电机的“中国梦”
  据赵院士介绍,超声电机是上世纪80年代在日本率先发展起来的一种全新概念的电机,在军事、航空航天等诸多领域有着重要的作用。传统意义上的电机,就是我们常说的马达,它是依据电磁感应实现电能转换或传递的一种电磁装置。超声电机却不同于传统意义上的电机,传统电机利用电磁感应获得运动和力矩,这实质上是一种“压电效应”,而超声电机则是利用“逆压电效应”和超声振动来获得运动和力矩的。
  “什么是压电效应和逆压电效应?”赵院士解释,“一个电介质受到外力的作用发生变形,就会发生极化现象,产生电荷,这就是压电效应;而逆压电效应恰恰相反,它是先对晶体施加交变电场,使晶体产生机械变形的过程。”那么,相比传统的电机,以逆压电效应为基础的超声电机有哪些优势呢?谈及此处,赵院士不禁流露出对超声电机的钟情:“在同等质量的条件下,超声电机能比传统的电磁电机获得更大的扭矩。我们行内流传着这样一句话,叫‘寸重寸金’,在电机的使用上,还是以质量较轻为佳。”赵院士接着又说,“超声电机比电磁电机的响应速度快,而且易于控制,能够减少在使用方面的不少麻烦。另外,它还有噪声小、能在真空或高低温等特殊环境下工作的优良特性。”
  上世纪90年代,在与超声电机“邂逅”并了解它的发展前景和意义之后,赵淳生院士便迫不及待地回到南航,在母校扎根这项新技术。20余年来,南航在超声电机领域有了巨大的突破:2001年南航制造的环形超声电机应用于某武器系统;应中国工程物理研究院电子工程研究所的要求,为用于核弹头的安全保护装置的超声电机提供了样机;研制出“TRUM40”型超声电机应用于卫星飞轮锁紧装置等。直到2013年,在赵淳生院士的领衔下,由南航研制的“TRUM-30A”型超声电机乘着“嫦娥三号”登上月球。这台超声电机的重要“职责”是负责红外成像光谱仪内定标板的驱动与控制,为“玉兔号”在月球上留下清晰影像作出了关键性的贡献。
  如今,已经“奔八”的赵淳生院士并没有因为这些骄人的成绩而停止探索的脚步。他对在场的科学营学子提出了自己的希望:“希望大家像我追求超声电机的‘中国梦’一样,去追求你们科学上的‘中国梦’!”
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