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航空观察:西行逐梦走进一线--兼谈对两个专业发展的认识
2018-12-26 15:18

  3月26日出京,奔赴古都西安和航空圣城阎良。参加中国航空学会和《航空学报》《航空知识》两刊编辑部共同组织的“科技创新与科学普及双翼齐飞--走进航空科研生产一线”专题学习调研考察交流团。前半程,学会组织部周竞赛部长和北航出版社俞敏副社长带队,后半程,学会新任秘书长姚俊臣自上海赴西安,亲率此次活动。

  中国航空学会(CSAA)是中国航空界唯一的全国性、学术性、非营利性法人社会团体,是全中国航空科技工作者之家。《航空知识》《航空学报》是中国航空学会主办的两份刊物。《航空知识》创刊于1958年;60年来,这本科普杂志启蒙和激励了一代代在科学道路和航空领域奋进的人们,形成了巨大的社会影响。《航空学报》有中英文两种版本(英文版名为《Chinese Journal of Aeronautics 》),中文版创刊于1965年,英文版创刊于1988年,已分别走过53年和30年发展历程,现都成为在国内外具有重要影响、我国同类刊物中声望最高的学术刊物。

  为了做好新时代的学会工作,把航空刊物办得更好,我们需要了解火热的科研生产实践,需要从一线科技工作者那里学习知识、汲取营养。我虽已在航空战线奋斗了半个世纪,但仍需继续学习。而学会和期刊社的同人更是使命使然,渴望走进科研院所与工厂,以弥补工程知识与实际经验之不足;其情殷殷,其愿切切。

  从27日到31日,五天里,我们先后走进航空工业计算所(631所)、中国航发西航公司(430厂)、航空工业强度所(623所)、中国试飞院(亦称630所)和航空工业第一飞机研究设计院(亦称603所)等五个单位。承蒙热情接待,所见所闻,深受教育和鼓舞--为航空工业的新成就而感奋,为航空科技的新进步而自豪;感触多多,收获满满。

  我们也为这些单位送去了数场科技交流与专题讲座。《航空知识》主编王亚男和《航空学报》《CJA》编辑室主任蔡斐老师分别作“航空的另一副面孔”、和“如何向科技期刊成功投稿--从编辑的视角”的报告,内容紧贴实际,视角独特,受到热烈欢迎;我也做了“关于颠覆性技术与航空创新发展”的讲座。期间,我们还同五个单位分别讨论了加强合作、开辟前路的多种方式与具体工作任务。

  试飞院赠送给我们的珍贵礼品:四位试飞英雄--王昂、滑俊、黄炳新、李中华亲笔签名的飞行员头盔

  此次活动收到了很好的效果。我们直击一线,在五个厂所,亲眼目睹航空科技与产品的最新发展与进步,亲身感受航空人报国图强、大干快上的精神风貌。亲抚战机,走进“大运”机体内,为其震惊,大呼过瘾。“追星族”们与大运总设计师唐长红院士亲密攀谈,留下一张张珍贵的合影。

  在631所,面对超高集成度的处理机和电子模板,领悟了“金块银块不如电子模块”的线等先进装备内里的高科技含量。在430厂,高效柔性的发动机关键件智能生产线,让人大开眼界,昭示着中国航空动力即将获得新突破的光明未来。在623所,宏伟壮观的十数座实验室里,同时展开的多型整机与部件强度试验,使我们深感震撼。在一飞院,研制大型军民机的既往成就,令人热血沸腾,而对更新一代装备的研制部署和起步,更让人充满期待。在试飞院宽阔的机场和跑道上,数十型先进新机,此升彼降,科研试飞和鉴定试飞的节奏从未像今天这样密集。

  火热的科研生产一线是创新热浪奔涌的主战场,是我们学习和获取知识的大课堂,也是学会做好服务工作、编辑部办好刊物的灵感与激情的不竭源泉。

  按照学习交流活动的安排,也应几个厂所的要求,我做了《关于颠覆性技术与航空创新发展》的讲座。为满足不同单位的个性化需要,我分别就不同专业发展的现状与方向,汇报了自己的学习心得。在这篇微文里,把对计算机和强度技术发展的粗浅认识整理发布,希望得到批评指正。其中个别问题、如量子计算和量子计算机,太过深奥,纯为初学。抛砖引玉,希望引发大家的兴趣与探究。

  第一代为电子管计算机(1946-1957),采用电子管元件作基本器件,用光屏管或汞延时电路作存储器,输入输出采用穿孔卡片或纸带;使用机器语言或汇编语言编写应用程序。

  第二代为晶体管计算机(1958-1964),由晶体管代替电子管作为计算机基础器件,用磁芯或磁鼓作存储器;使用如Fortran、Cobol、Algo160等高级语言。

  第三代为中小规模集成电路计算机(1965-1971),中小规模集成电路为基础器件,主存储器采用半导体存储器;有了标准化的程序设计语言和人机会话式的Basic语言。

  第四代为大规模和超大规模集成电路计算机(1971-2014),大规模集成电路成为基础器件,大容量半导体存储器为内存储器,发展了并行技术和多机系统,出现了精简指令集计算机(RISC),软件系统工程化、理论化,程序设计自动化。

  第五代计算机应是具有人工智能的新一代计算机,应具有推理、联想、判断、决策、学习等功能。目前正在发展进程中。

  第五代计算机将把人从重复、枯燥的信息处理中解脱出来,从而改变我们的工作、生活和学习方式,给人类社会拓展更大的发展空间。

  第五代计算机的发展路径已经开启。能够模拟人脑神经元、突触功能以及其他脑功能的微芯片,已研制成功。

  传统的计算机关注语言和分析思考,而神经突触核心能够感知和识别形状,形成新的“整体计算智能”。

  新一代计算机将在模式识别、语言处理、句式分析和语义分析的综合处理能力上获得重大突破。应能识别孤立单词、连续单词、连续语言和特定或非特定对象的自然语言(包括口语);键盘和鼠标的时代将告结束。

  第六代计算机应该是基于生物计算的神经元计算机,或称生物计算机,拥有类脑的智慧和灵活性,具有体积小、运算速度快、存储容量大、低阻抗、低能耗等优点。

  根据生物分子材料对信息的传输、处理、存储机理而设计的生物计算机,是计算机世界最年轻的分支与前沿,有可能成为21世纪人类的伟大科技工程之一。

  以往的信息处理系统只能处理条理清晰、脉络分明的数据,而人的大脑活动具有能处理零碎、含糊不清信息的灵活性。

  与以逻辑处理为主的第五代计算机不同,第六代计算机可以判断对象的性质与状态,能采取相应的行动,可同时并行处理实时变化的大量数据。

  其基础器件是生物芯片--以借助生物工程技术生产的蛋白质分子为材料,所生产的生物集成电路。由蛋白质构成的集成电路,其大小只相当于同样功能硅片集成电路的十万分之一,其运行速度达10的-11次方秒,可超过人脑的思维速度。

  在生物芯片中,信息以波的形式传递。当波沿着蛋白质分子链传播时,会引起蛋白质分子链的键结构顺序改变。采用生物芯片代替硅芯片,可利用生物细胞间的互相联系,构建人工智能(而不像硅芯片计算机那样只能建立程序规定的任务能力)。

  生物芯片尚在研制中,但生物传感器已获重大突破。其主要研究方向:一是研制分子计算机,制造有机分子元件以取代半导体器件;二是研究人脑结构与思维规律,构建生物计算机架构。

  微系统--以微电子技术、射频和无线电技术、光学和光电子学技术、微机电技术等为主,以微纳米量级的设计/制造技术为基础,包括微传感器、微作动器、微处理器(控制、信息等)、微小型器件/装置等组成的系统或综合系统;该类系统的出现和应用,对于嵌入式计算机的物理形态可能产生重大影响。

  超导计算机--基于超导效应的计算机,其典型特征是能耗极低。理论计算,超导计算机的耗电仅为半导体器件计算机的几千分之一,它执行一条指令只需十亿分之一秒,比半导体元件快数十倍。

  光计算机--利用光信号表示信息,使用光学器件完成对光信号的操作,以致计算全过程,称光计算机。其特征为采用光强度、频率、偏振等特性表示信息,以透镜、面镜、光学薄膜、晶体或光纤等光学器件为基础器件。光信号区别于电信号的特质是:多束光在传播中发生路径重叠或交叉时互不干扰,传输损耗低,传输带宽高;较磁介质,光学材料质量轻,成本低,易实现高密度信息存储。光计算的核心问题是,光学逻辑的实现,即实现光对光的控制。大规模集成全光器件在研制中,工程应用还需漫长路程。

  量子力学证明,个体光子通常不相互作用,但当它们与光学谐腔内的原子聚在一起时,相互间会产生强烈影响。

  光子的这种特性可用来发展量子力学效应的信息处理器件-光学量子逻辑门,进而制造量子计算机。

  二进制比特有两种状态:“0”和“1”,而量子比特(qubit)可同时存在两种可能的状态,即“叠加态”。

  “叠加”极大地增加可进行信息编码的态的数量,“纠缠”则允许多运算平行进行;但必须确保所有的量子比特处于相干态中。

  传统计算机的运算能力随比特位增加呈线性增长,而量子计算机的运算能力随量子比特位的增加呈指数增长。

  2017年10月9日我和四位同事,赴上海,学习考察中科院潘建伟院士团队,受到潘院士的热情接待。涉及量子通信等的内容,另文介绍。但关于量子计算方面,我们得知该团队目前水平在10量子比特位,正向12量子比特位进军。

  在量子计算真正实现其巨大潜力前,需要克服许多基础性难题。诸如确保量子比特处于“相干态”、抑制噪声干扰和解决量子编码纠错等。

  基本判断:量子计算和量子计算机的工程实用还有极远距离,我国未处于该领域世界领先地位。航空科技界需密切关注其进展,但尚不具有独立或参与自主研制的内在需求与条件。

  机载/弹载计算机,即航空器/航空武器用计算机,多为嵌入式计算机系统(Embedded Computer System),指计算机的软硬件均嵌入相应应用系统,融为一体,不可分割。

  在现代航空器上,嵌入式计算机数量居多,使用环境严苛,对体积、重量、功耗等物理指标及安全性要求高。

  嵌入式计算机本质上是专用计算机,是针对某个特定的应用而设计制造的。以嵌入式计算机为基础、且软硬件可裁剪的应用系统,就成为嵌入式系统。

  嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成。

  631所由原中科院西北计算所沿革而来,在传统而扎实的计算技术基础上,构建了独有的嵌入式计算机系统的研发与生产能力,已走出了属于自己、但又是大系统所需要的发展道路。

  依托设在631所的航空专用集成电路重点实验室,已开发出一批急需的航空专用芯片。631所的科技人员埋头耕耘,自主研发出具有独立知识产权的“嵌入式操作系统”,发展出通用实时类和综合化支持类两款操作系统和与之配套的开发环境。这是一项填补空白的重要成果,已获国家定型,并用于多型航空装备,正向航天、兵器、轨道交通、工业控制等领域推广应用。意义重大,可喜可贺!

  沿着自己的道路,坚定前行,进一步解决航空计算机系统的自主配套问题,确保航空装备的健康发展,是我们的神圣使命。

  由此说开去,以战略定力和国家意志,持续解决国产计算机及电子信息系统“缺心少魂”(“心”指以高端芯片为主的基础元器件,“魂”指以操作系统为基础的软件)问题,时不我待。正确路径:先解决有无问题,即使性能稍差;进而提升性能,步入世界先进水平。

  在谈到关于飞机强度专业发展的认知问题时,我必须说,我的新知几乎都源自年轻睿智的623所所长王彬文。

  2017年11月4日,在由中国航空研究院、中国航空学会、中国力学学会联合主办,623所承办的“第五届中国航空强度技术发展高峰论坛”上,举行了《飞机强度技术丛书》首批专著发布式。王彬文所长在仪式上发表了一篇哲思深邃、文采飞扬的讲话,对强度专业的属性、内涵和发展方向作了创新性的阐释。

  强度专业从力学衍生而来,深耕于工程技术。鉴于飞机强度专业的输入正从狭义的机械力演进为广义的自然力,现代飞机强度专业具有广义力学和航空技术的双重领域属性。它既是科学的,又是技术的。随着飞机由传统机械系统演变到由现代飞控系统使能的半自动化系统,进而向人机协同和智能系统方向发展,强度专业将面临科学与技术的双面挑战,在回应这些挑战的同时也将被赋予更多新的内涵。

  以下一大段文字(蓝字部分)是我的基本认识,未在讲座中涉及,对彬文所长的基本观点也无根本性影响。阐述于此,只是为了引起大家注意,通过讨论,形成共识。】

  科学按其固有含义,包括自然科学(Natural Science)、社会科学(Social Science)和形式科学(Formal Science)三类。自然科学研究物质世界。社会科学研究人与社会。形式科学研究逻辑与数学等,通过提供用于描述世界的结构的信息以及可能对其进行推论的方式,来帮助自然科学和社会科学。“

  自然科学”指人类研究物质世界的全部理论与方法。其任务是研究和解释自然现象,寻找事物间的关系。自然科学由基础科学(Basic Science)和应用科学(Applied Sciences)两大类组成。

  基础科学也被视为纯科学,主要包括物理学、化学、生物学、天文学、地球科学等基础学科,以及由基础学科发展出的交叉、边缘学科。把基础理论转化为实际运用的科学,被称为应用科学,其研究的方向性强,目的性明确,与实践活动的关系密切,直接体现人的需求,但仍保留科学的属性,不与特定的应用相捆绑。应用科学的主要内容是工程科学(包括力学、运动学、电磁学、工程物理学、设计学、制造学、材料学等)和医学科学(如医学微生物学、临床病毒学、生物医学等)及其他门类。技术与科学具有明显不同的性质。

  一般说来,科学的任务是认识世界,有所发现,从而增加人类的知识财富;技术的任务是发现世界,有所发明,以促进创造物质财富,丰富人类社会的精神文化生活。科学回答“是什么”和“为什么”,技术则回答“做什么”和“怎么做”。技术必须满足诸如效用、可用性和安全性等要求,技术不是科学的自然产物。技术的发展可以借鉴许多知识领域,但必须通过具有明确目标的创造性劳动,才能获得可实际应用的技术成果。

  科学和技术的成果形式也不同。科学成果一般表现为概念、定律、论文等形式;技术成果一般以工艺流程、设计方案、操作方法等形式出现。科学产品一般不具有商业性,而技术成果具有强烈的功利性和商业色彩。

  值得注意的发展趋势是,技术与应用科学的界限日渐模糊。初时,人们强调科学和技术的差异,称科学是创造知识,而技术是运用知识。如果说基础科学中的传统学科,如天、地、生、物、化等,尚符合上述认定的话,作为基础科学新兴部分的交叉、边缘学科以及广阔领域的应用科学,它们的任务和成果,已经同技术难以明晰划分了。应用科学是科学,也可以看作先期技术,因为其成果也能直接作用于物质形态;而技术自身也同样创造知识。

  工业领域的科技工作者主要从事工程科技的研究与应用。工程科技可以认为是应用科学里的工程科学与用于工程的技术的总称。其基本任务是解决工程问题,但需顺应学科融合之趋势,注重科学知识的学习积累,使工程技术具有更坚实的科学基础,并揭示与提升工程技术的科学本质,使其理论化和体系化。

  源于力学的强度专业具有很强的基础性和广泛的应用性。随着飞行速度越来越高,使用环境和操控形式越来越复杂,强度专业面临一系列新问题,促使强度专业的内涵深耕广拓。

  强度的研究对象从较为单一的结构,演进为涵盖材料、结构、设备、系统、全状态飞机的大范畴,称之为大强度。

  强度的研究方向从较为单一的安全性,演进为安全性、稳定性、可靠性、舒适性、适应性等相互交融的宽领域,称之为新强度。

  强度的研究手段从最初的解析法,发展到工程法,再到数值法,21世纪以来,正进入基于模型的数字化阶段,称之为数字强度。

  基于上述演进,强度的广义内涵应是:研究对象在设计状态下保持其目标品质的能力。

  在航空发展进程中,强度专业的发展一直伴随着飞机(结构)设计准则的变迁,如静强度设计、安全寿命设计、破损安全设计、损伤容限设计、广布疲劳损伤设计等。在大强度、新强度、数字强度的发展推进下,伺服稳定性、结构适坠性、系统可靠性、乘员舒适性、气候适应性、战伤生存性等,将成为飞机设计不可或缺的重要元素,进入设计准则。这些元素呈现融合和交叉的特点,多学科综合与优化既是强度专业不断拓展的新内容,又是发展演进的新特征。

  强度研究所的使命--强度理论的探索者,强度技术的创造者,强度工具的提供者,强度设计的验证者。

  走进型号主战场,夯实强度研究与试验的科技基础。从上世纪末以来20年间,是强度专业发展的黄金时段。在参与研制歼-10、歼-15、歼-20、运-20和C919等新型号中,攻克了一大批强度关键技术,构建了完备的积木式验证体系,形成了系统的强度专业能力。强度专业的研究深度与广度也进一步拓展,专业体系进一步完善,突破了振动疲劳、空腔噪声、虚拟试验等一批基础瓶颈,攻克了多物理场耦合、飞发一体化、振动主动控制等一批交叉学科研究难题,填补了气候适应性、结构冲击、结构/机构可靠性等一批新兴专业的建设空白。

  强度工程师的科技素养--宽广纵深的知识结构,丰富的力学与有限元知识,强大的建模和软件使用能力,对材料、制造、控制、隐身等技术的深刻理解。

  我极喜欢彬文所长讲话的最后一段,是哲学思考,又是专业智慧。我抄录于此,也作为我这篇微文的结束:

  强度是最符合东方哲学中庸之道、和谐统一的专业,强而有度,张弛有道,从狭义的机械力到广义的自然力,强度专业的发展始终充满着生命力。《礼记·中庸》中讲“中立而不倚,强哉矫!”,《道德经》中讲“知人者智,自知者明。胜人者有力,自胜者强。”这些都给予我们专业发展无尽的智慧。

  科学是一门艺术,强度专业更具韵味,从哲学意义上讲,度是万物之灵魂,对强度而言,度是永恒之追求,过之一分显拙,欠之一分则险!从艺术与灵魂、韵与恒的角度诠释强度,是专业的最高境界,“强之韵,度之恒”是强度人永恒的追求,飞机强度技术将在这种追求的历程中继往开来,飞机强度专业发展将日新月异。

  衷心祝愿风雨艰辛后迎来大发展的强度所,薪火相传,百尺竿头再进步!也祝愿我们走进的这五家厂所,以及航空全线,都能有更大发展,捷报频传,创造出无愧于新时代的辉煌业绩!

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