王 辉

　　
　　
　　飞行器智能结构就是一项改变未来先进飞行器发展的革命性技术，该技术通过将传感器、驱动器等与飞行器主体结构一体化集成，使得飞行器结构不仅具有承受载荷的能力，还具有自感知、自诊断、自学习、自适应、自修复等能力，从而提升飞行器整体性能。相对传统飞行器结构，飞行器智能结构可以根据自身实际的服役状态去调控自身的性能，可以像人体一样实现健康状态的自我监测甚至是损伤的自我修复，可以根据实际飞行环境和空气流场特性改变机翼的形状实现自适应飞行，等等。
　　30年前，在“没钱、没人、没设备”的“三没”境地下，南京航空航天大学的陶宝祺院士率先开创了国内航空航天领域研究飞行器智能结构技术的先河。而在30年后的今天，仍有众多南航人秉承“航空报国”初心和院士遗志，为我国飞行器智能结构技术的发展添砖加瓦。其中，机械结构力学及控制国家重点实验室，智能材料与结构学术部的邱雷教授就是青年一代中的代表之一。多年来，这位“土生土长”的南航人一直专注于飞行器智能结构健康监测技术的研究，并在结构健康监测的原理与方法、复杂条件下结构的可靠诊断、飞行器应用装备3个方面取得了多项创新成果。
　　
开启科研之窗 立志智能监测
　　从最初的“科研小白”成长为一名航空航天科学技术领域的科研工作者，邱雷这一路走来并不轻松。2002年，他从重庆南开中学考入南京航空航天大学航空宇航学院飞行器设计专业，并被自动分配到“不被看好”的航空结构测试这一个小的专业方向。据邱雷回忆：“当时同班很多同学都对自己被分配到这个方向很有意见，同学们考入南航是为了以后能成为飞机设计师的，是搞飞机设计的，但现在被分配到这个非主机专业的方向，未来肯定被边缘化了。”虽然邱雷刚进入大学，对这个方向还一无所知，但他并没有被这种意见所羁绊，他知道这个专业方向是南航第一位院士——陶宝祺院士开创的，任何事物的存在都有内在的道理，所以他并没有丝毫懈怠，对本科阶段的学习和实践投入了极大的热情。随着本科阶段对这一专业方向认识的逐渐深入，他发现这是一个典型的力学、机械、电子、材料等多学科交叉方向，并笃定这一专业方向的未来必定“星光璀璨”。邱雷自己援引了金一南少将的一句话，就是“做有心人，干困难事，立大格局”，他本科阶段的学习就是这样过来的。
　　邱雷通过本科3年的努力，以优异的成绩确定了硕博的资格，并在大三下学期，2005年春天，提前加入到了袁慎芳教授的团队，正式开启了他的科研生涯，开始从事飞行器智能结构健康与监测技术的研究。作为陶宝祺院士的嫡传弟子之一，袁慎芳教授长期深入研究飞行器智能结构与健康监测技术，是南航巾帼不让须眉的“科研女杰”。能够遇见袁老师，是邱雷人生的一大幸事，袁老师对待科研和指导学生的认真及做事的热情一直感染着他。
　　刚进入袁老师团队的邱雷对智能结构与健康监测这一研究方向十分陌生。袁老师交代给他的第一个任务是复现实验室原有的基于压电传感器和导波的结构健康监测演示系统，“袁老师当时只是简单地给我讲了一下她的想法和希望达到的目标，我听完袁老师的指示以后整个人完全是懵的”，但是，邱雷凭借他本科阶段锻炼的学习能力和对科研工作的极大热情，每周工作80个小时以上，通过查阅整理大量的文献、与相关的老师和师兄交流讨论，逐渐对智能结构与健康监测及自己承担的任务有了更深刻的认识，并且通过对电路设计、嵌入式和应用软件编程、信号处理等多个方面的学习，在一年半的时间里圆满完成了袁老师交给的任务，在此基础上还进一步研发了团队第一代导波集成结构健康监测扫查系统工程原理样机。正是由于在短短的一年多时间里完成了系统的研制，正好赶上了2007年团队与中航工业601所、623所和625所合作开展的国内首次在真实飞机部件级结构上的结构健康监测技术验证。通过这次机会，邱雷一方面验证了自己研制的系统的性能并帮助团队在行业内提升了影响；另一方也接触到了实际的飞机结构和工程应用，且与行业主要研究机构建立了联系。这些经历激发了邱雷的科研兴趣，帮助他开启了科研之窗，打开了学术视野，他立志在飞行器结构健康监测技术的科研工作中坚定前行下去。
　　
坚定脚下之路 突破瓶颈难题
　　“一条路走到底”，这句话用来形容邱雷对飞行器结构健康监测技术的坚持甚为贴切。实干兴邦，16年的科研生涯中，他一直坚定踏实地走在飞行器结构健康监测技术及其工程应用的科研道路上。
　　据邱雷回忆，2006年至2007年是国内飞行器智能结构健康监测技术研究的低谷，这项技术的重要性还没有被广泛地接受。这个时期也是团队最困难的时候，科研经费仅依靠一个航空科学基金在支撑。但正是这个时候，袁老师带领邱雷和团队潜心搞好自己的研究，并完成了国内首部航空结构健康监测技术的专著《结构健康监控》。依靠2007年开展的国内首次真实飞机结构的验证，以及这本专著等标志性成果，团队在国内的影响力逐渐提升，之后团队连续拿到了国防基础项目、国家原“863”项目、国家自然科学基金重点项目的支持，并且团队至今已经跟中航工业611所、601所、603所、中国商飞、623所、空军装备研究院等主机厂所和应用厂所在国家重点型号技术攻关、民机专项等支持下开展了10余年合作，目前这项技术的重要性已经被广泛地接受。这个时期的经历让邱雷明白，在科研的道路上遇到低谷不用怕，因为低谷之后就是上坡路、成功的路，所以越是低谷越应该砥砺前行。只有下坡路才是好走的路。
　　在这条科研的道路上，其实面临的抉择很多，因为不仅仅是航空航天领域，在高铁、风电、能源、化工和土木领域，结构健康监测技术也是大有可为，具有很广阔的应用前景。据邱雷讲：“在近10年，很多其他领域的机构都来找袁老师，想跟她的团队合作，推广结构健康监测技术，但最后袁老师却毅然选择只聚焦于航空航天领域的技术发展。她时常教导我们，每个人精力有限，应该专注于一个重要方向，我们不能只追求方向多、项目多，我们要把精力放在踏踏实实地干一件事上，做出让同行认可的成绩来。”正是凭借这种做事的精神和态度，邱雷所在的团队在领域内树立起了良好的口碑，影响力也越来越大。
　　结构健康监测技术经过近30年的发展，已经逐渐从基础研究转向应用研究，很多飞机的型号研制都迫切需要该技术的工程应用。邱雷说：“航空航天领域的应用不同于其他领域，对传感器、监测系统的可靠性、轻量化、低功耗、使用寿命等要求十分苛刻，这还不是最困难的，最难的是如何在飞行器复杂的服役条件下，实现结构健康状态的可靠监测，这已经成为阻碍结构健康监测技术应用的瓶颈难题。”邱雷从2007年参加我国首次在真实飞机部件级结构上的结构健康监测技术验证以来，一直在围绕这个难题开展研究。在不断跨越阻碍的前进道路上，他从实践中深刻体会问题的根源，然后上升到基础理论和方法层面深入探求解决问题之法，又回到实践中去，扎根于我国飞行器重要试验和使用维护基地，在团队中负责和参与了外厂大量的飞机型号部件和全机结构试验验证及应用，通过反复研究-验证迭代，在屡次失败中终于悟出了些许破解难题之道。
　　在这个过程中，邱雷也得到了国家和相关省部委项目的大力支持，其中一个典型项目，就是他主持的国家自然科学基金面上项目“时变环境下航空结构损伤的波动概率统计成像方法研究”。这个项目是在他剖析问题根源，回归科学问题及结合当今国内外针对该问题的研究现状的基础上，原创性地提出了将阵列成像和动态概率相结合的弹性波波动概率统计成像方法。通过该项目的研究，他们初步理清服役条件对监测可靠性的影响规律，提出了时变因素影响的监测特征动态概率建模表征方法，建立了时变因素影响下的结构损伤波动概率统计成像机制，提升了航空飞行器结构复杂条件下损伤诊断可靠性，成果被应用于主力战机、大型军民用飞机等8个型号。基于该项目的研究工作，他在Mech Syst Signal Proc、Struct Health Monit、Chinese J Aeronaut等领域内的重要期刊上发表了多篇文章，并且还在结构健康监测领域的顶级国际会议The 8th European Workshop on Structural Health Monitoring上获得了年度全球唯一最佳论文奖，这是中国学者在该系列会议上首次获奖。由于他和他所在的团队对结构健康监测技术在航空领域的突出贡献，他们还获得了2019年江苏省科学技术奖一等奖。
　　
面向国家战略 展望智能未来
　　在国家“十四五”已经立项的重要型号中，将结构健康监测技术作为核心技术列入了型号研制任务。目前，邱雷和他所在的团队正在紧密围绕新型号研制的需求，开展应用技术攻关工作，并扎实已有技术积累，提升技术成熟度，力争为装备了结构健康监测系统的重要型号飞机早日翱翔蓝天贡献力量。
　　此外，我国正在大力发展可重复往返的高超声速飞行器。相对于常规的航空飞行器，这类飞行器服役条件更加苛刻，在往返大气层时会遭遇冲击、振动、强噪声、强辐射及上千摄氏度的高温环境。因此，这类飞行器对结构健康监测技术也提出了迫切的应用需求。近几年，邱雷和他所在的团队也在与主要的航天院所合作，开展高超声速飞行器结构健康监测技术的基础科学问题研究及工程应用研究。目前，他们与某研究所合作，已经在某型验证机上装备了结构健康监测传感器和系统，近期将开展飞行试验。这将是结构健康监测技术在航天领域的首次飞行验证。
　　“‘智能’是这个时代科学技术发展的主题之一，只要围绕这个主题走，那道路基本不会错。”邱雷说道。在参与型号任务的同时，邱雷也在基于自身的研究基础，围绕“智能”主题积极探索前沿交叉研究方向“基于柔性电子的飞行器智能蒙皮”。邱雷补充说道：“飞行器智能蒙皮是飞行器智能结构的一个具体化方向，就是让飞机的表皮类似于人的表皮具有智能性。”目前柔性电子在人体表皮研究领域蓬勃发展，能不能把柔性电子技术也引入到飞行器蒙皮上及如何引入进来，这正是邱雷思考的问题。不同于人体表皮，飞行器蒙皮面积大，再加上飞行器的应用对重量、功耗要求苛刻，发展基于柔性电子的飞行器智能蒙皮，面临很多基础科学问题和技术问题。针对这些问题，邱雷承担了“飞行器大面积、轻量化、传感-监测—体化结构健康监测智能蒙皮”这一项目，他首先确定研究基础，明确了飞行器结构健康监测智能蒙皮在航空航天领域应用中的需求，并以此作为牵引，进一步围绕结构-电子-功能一体化如何实现，即大规模传感器件和功能器件及其引线的大面积、轻量化、一体化、高可靠实现等相关难题开展深入研究。目前，他在这方面的研究已经取得了一定的进展，成果发表在IEEE T Ind Electron、Mech Syst Signal Proc等重要期刊上。近期，他们将面向大型民机或无人机这种大型整体复合材料机翼蒙皮，制造出智能蒙皮原理样机，实现功能演示验证。
　　漫漫科研路，在邱雷看来难的不是科研本身，而是如何紧跟科学前沿，了解和掌握学术动态，做出突破性的成果。此外，扎实基础，还要做出实事，这是加入袁慎芳老师团队后，邱雷一直都坚持的信念，他也在默默为把相关技术向工程应用推广而努力着。围绕航空特色，深耕智能结构和健康监测前沿方向。现在的科研小舟只是刚刚扬帆起航，未来尚有更大的舞台等着他去乘风破浪。
　　
专家简介
　　邱雷，南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室教授、博士生导师，智能材料与结构研究所副所长、结构监测与预测研究中心副主任。曾任德国洪堡学者、香港香江学者，入选中国科协首批“青年人才托举工程”、江苏省“六大人才高峰”高层次人才A类和“青蓝工程”优秀青年骨干教师。现任民航飞机健康监测与智能维护工信部重点实验室副主任、中国航空学会青年工作委员会委员、3个国内外学术期刊编委、The symposium on NDT in Aerospace系列国际会议科学委员会委员等。
　　他专注于飞行器智能结构健康监测技术的研究，承担国家/省部委等项目25项，在结构健康监测的原理与方法、复杂条件下结构的可靠诊断、飞行器应用装备、型号验证与应用等方面取得了创新成果。已发表SCI/EI收录等论文120篇，授权国际/国家发明专利50项、软件著作权20项，研究成果已经应用于我国10余个重要军民用飞机型号的研制、试验、运维和延寿，获江苏省科学技术奖一等奖、国防技术发明奖二等奖等省部级科技奖励4项。