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来源： 发布时间：2023-10-08
——记西安电子科技大学机电工程学院执行院长黄进
张方方 吴应清
4月1日，珠海，2021和2022年度中国电子学会科学技术奖励大会隆重举行。由西安电子科技大学（简称“西电”）牵头研发的“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目，获得2022年度科技进步奖一等奖。这也是国内公认的电子信息领域的高规格奖项。
“我们一直在围绕电子装备的机电耦合分析、设计和机电集成制造进行研究。到现在，虽然取得了一些成效，但距离我们的目标还很远。”获奖后，项目第一完成人、西电机电工程学院执行院长黄进诚恳地表示，他们希望在不久的将来做出一个广泛适用于高频段、高增益、高密度、小型化、高精度、快响应电子装备研发的智能化设计平台，从而推动高性能电子装备的研制水平迈上一个新台阶。“任重而道远，希望我们能做好。”黄进说。
冲破瓶颈，人有不如己有
“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目的起源，可以追溯到十余年前。“那时，我国在新一代隐身战斗机研发上跟美国相差甚远，他们在航空电子方面的优势尤其明显。”黄进回忆道。当时，他负责的一个“973”课题的成果正在工程应用，在与工业部门交流时，他获悉了这样的信息：要想在航空电子领域取得长足进展，共形承载天馈系统是一个重要突破口。
作为新型空中、海上和地面移动平台的“眼睛”，共形承载天馈系统有两个重要特征：其一是功能综合化，即通信、导航、识别、探测、对抗等功能共用一套天馈系统，这要求高密度、小型化；其二是结构功能一体化，即承载、散热结构与微波电路、辐射阵面高度融合，这要求结构高精度、电路抗干扰、散热高效能。通俗地说，它不仅能够收发电磁信号，还能与飞行器、舰船、车辆等移动平台表面共形融合，保持载体的外形结构及空气动力学性能。但是采用传统的设计和制造方法，想要“共形”却不容易。
“传统天线的外观大多像一口锅或者一个平板，但飞行器的机体是流线型的，如果需要兼顾隐身需求，那外形结构会更为特殊、复杂。这时候，如果还用传统的抛物面或‘平板’天线，再加一个天线罩，很容易破坏飞行器的流线外形，而且会降低天线的性能。但要想把天线做薄，且和飞行器外形一样，并不容易。”黄进认为，这是“高密度、小型化”带来的重要挑战。
早在20世纪90年代，美国、法国等西方国家就开始研究飞行器蒙皮天线，将不同种类的复合材料制成薄片并嵌入机体表面，从而实现与飞行器表面共形。在它的加持下，天线对飞行器表面空气动力学性能的影响微乎其微。“我们也需要这样的东西，但早先不知道该怎么去做。从‘箱式’到‘砖式’不断进化，但就是没能做成一块蒙皮。”工业部门虽然为此下了大功夫，但由于高密度、小型化会导致多场-场路耦合效应突出，传统分析方法难以实现系统性能的准确分析，甚至会事倍功半。怎么办？黄进希望能从理论方法上有所创新。在国家自然科学基金、“973”等项目的支持下，他和团队开始进行探索，逐渐建立起融合先验知识的多场-场路耦合模型，以实现机-电-热综合性能的精准分析。
就在黄进及其团队对这一系列成果不断进行完善和验证时，一个新的问题又摆在了面前。一体化成形的制造过程和恶劣的服役环境，会导致共形承载天线的服役性能发生剧烈变化。以服役环境为例，当共形承载天线被应用到飞行器上，炎夏里，它在地面停机坪上要承受60℃的高温，但真正飞到万米高空时所处的温度可能直接“掉”到零下50℃。“不止如此，大过载机动飞行时，要承受很大的载荷；飞行速度很快时，还有来自气动加热的压力。”黄进说，如果处理不好，就容易出现“地面性能测试很好，上天之后不行”的局面。
而“一体化成形”，其初衷是将天线“做小”，但也会给它带来新的挑战。传统方法中的“零件组装”，可以对单个零件进行性能测试，也可以进行组装后的整体测试，一旦出现问题，更容易厘清源头。“但一体化成形，就像烧制一个碗，这个碗成形了就拆不开了。”黄进明白，工业部门担忧的是，如果制造过程中出现了偏差，比如材料均匀性、制造公差或微观缺陷等，这些问题到了恶劣的服役环境中肯定会导致共形承载天线的综合性能进一步发生变化，但何时变化、如何变化、变化到什么程度，没有人知道。为了摸清其中的规律，黄进团队开始探索其性能的不确定性传播机理。他们通过反演测试，最终引入区间数学理论建立起结构参数不确定性区间与最终电性能变化范围的区间分析模型，对设计-制造-服役全过程功能特性及其变化范围进行定量分析。这样，在设计阶段可为稳健优化设计提供理论依据，在制造调试阶段可使技术人员采取更有针对性的应对措施。
“把区间分析和优化设计用进来之后，还能解决研制效率低和性能受限的问题。”诚如黄进所言，共形承载天线的机电热性能及其与可制造性的耦合关系很复杂，“变量比较多”，如果还采用传统方法，即由电磁设计人员进行功能设计，给出理想的形状与精度要求，再由结构设计人员进行产品设计以实现相关要求，最后通过“试凑-样机研制-实测”反复迭代的方法逐步接近设计目标，不但效率低，而且很难实现精准设计。他认为，当标准不统一时，不同环节的设计余量容易被放大，导致性能低、研制周期长。“产品也容易出现‘傻大笨粗’的情况，不灵巧。”
如今，再回忆起研发过程中所遭遇的瓶颈，黄进的讲述平实而鲜活。但当初摸着石头过河时，他们每走一步也是真的好艰难。
黄进记得，步入项目之初，他们所建模型的分析误差“大到离谱”。就像“麻雀虽小五脏俱全”，他们所面临的实际系统也非常复杂，“如果直接从实际系统出发去验证理论模型的问题，可能一年半载都不会有进展”。经过一番灵感碰撞，黄进团队决定“解剖这只麻雀”，将其中的核心要素抽象出来。比如，针对射频电路的机电耦合问题，从典型传输线入手，建立其场路耦合模型。理论层面打通后，再以工程样件来验证实际结果和理论模型之间到底有多大差距，并不断修正和完善理论模型，最终构建系统的多场-场路耦合模型，并结合实际工程，验证理论模型的准确性和综合设计的有效性。
这只是黄进团队攻关过程中的一个缩影，对他们而言，其间经历的种种困扰或许并不足为外人道，他们更希望通过持续的努力逐步解决工业实践中不断涌现的新问题。事实上，当黄进团队一一克服瓶颈，提出一套完整的控形控性机电集成设计技术后，问题也的确没有结束。
2015年前后，项目研究告一段落，开始走向工程化尝试，构建一个能够承载相关技术的全性能综合设计软件平台迫在眉睫。彼时，多物理场耦合仿真领域的一家国际知名公司找上门来，展示了他们的成功案例，并斩钉截铁地表示，他们的软件绝对能跟国内的需求匹配。
一边是看起来成熟的高端软件，一边是正在钻研中、前景不明的软件平台，怎么看似乎都是前者更保险一点，但直到一个月后，那款“高端软件”也没能做出成功的仿真结果。“案例做得很漂亮，但其实方法根本走不通”，得知这样的结论，黄进并没有特别意外。他们在软件平台设计时，也走了相似的路线，同样也没能成功。“我们早先以为是其中包含不对中国开放的技术，所以才会失败。既然他们自己也走不通，那就证明的确存在一些没被突破的关键问题。”
如此一来，黄进团队反而被激发了斗志。“人有不如己有”，哪怕做软件不是他们的特长，为了让技术成果有一个更合适的软件平台去支撑，他们也要去寻求一条破局之路。“我们花了几年时间去优化”，黄进的执着之处在于，他想要在工程应用中实现“傻瓜”式操作，“导入模型之后，点几个按钮，就能按照步骤去做了”。
就这样，当“共形承载天馈系统机电综合设计关键技术及应用”项目完成时，一个重大亮点被呈现出来：他们完成了国内首个共形承载天馈系统全性能综合设计软件平台。此平台解决了国外商品化软件中存在的模型不通用、数据不匹配、结果不共享的难题，实现了共形承载天馈系统综合性能的精准分析、服役性能的准确预估和高效的稳健优化设计，为多个重点型号中共形承载天馈系统的研制提供了技术手段。
从2012年正式立项算起，黄进团队投入项目也已经11年了。依托项目，他们获国家发明专利授权29项、软件著作权5项，在国内外重要期刊发表论文56篇，主持起草国家标准1项（已颁布）。与中国航天科工二院二十五所、中国电子科技集团公司三十九所等合作，他们的相关成果也在国家重点工程、重点型号产品和设备的关键系统与部件中得到应用，取得了显著的经济和社会效益。
在荣获“2022中国电子学会科学技术奖”之前，相关项目就得到了机载雷达专家陆军院士、多学科优化专家张卫红院士等专家的高度评价。尤其多场-场路耦合控形控性机电集成设计技术，更是被认为“达到国际领先水平”。
对黄进而言，他更自豪于项目成果的“自主可控”，且在应用上取得了良好的效益。但他并不满足于眼下“大家用得踏实”，一直关注前沿热点的他，也注意到了最近风口浪尖上的ChatGPT及其同类软件。在他看来，软件越用越“聪明”是一个重大趋势。“我们的软件中也嵌入了设计师和工程师要掌握的知识，下一步会想办法让它实现智能化更新，它越聪明，才会在工程应用中作出越大的贡献。”
从相机到机电，把电子装备这件事做好
如果要在黄进的研究生涯中提炼一个关键词，那一定是“机电耦合”。“长期以来，我们的研究就是针对电子装备展开的。而电子装备是机电紧密结合的系统，它的设计和传统的机械结构设计不太一样。”他说。
在很长一段时间内，“机”“电”在设计层面上是分离的。这种情况下，工程实际中有时就会出现奇怪的现象：机械结构技术人员费了九牛二虎之力制造出的产品，电性能时常出现不满足的情况。相反，机械制造精度未达要求的产品，有时候电性能又是满足的。矛盾的现象多了，原因又找不到，久而久之，就导致电子装备研制出现性能低、周期长、成本高、结构笨重等问题。而随着科技的飞速发展，现代电子装备的复杂性，使其对机械结构部件的设计与制造提出了更高的要求，有些要求甚至超出了机械加工能力。这意味着，“机电分离”已经成为制约现代电子装备发展的瓶颈，而“机电耦合”势在必行。
黄进举了个简单的例子：当人们去评价一个数控机床是否好用时，一般会使用转速、精度等机械性能参数来描述；但在雷达这样的电子装备面前，人们更追求它们的电性能。“所以，机械精度、机械结构和电性能之间究竟是什么关系，就需要我们研究其内在、本质的关系。我在西电读研究生的时候，就追随导师做这方面的工作。”他补充道。
实际上，黄进对“机电”迸发兴趣，可以追溯到他的中学时代。20世纪80年代，中学生黄进迷上了摄影，不光是拍照，他还买来显影液和定影液，在家里的卫生间做实验，尝试冲洗照片，洗出的照片跟底片一样大。“我没有放大机”，找到原因后，他成天琢磨怎么能自己动手“捣鼓”出一个放大机来。
就在黄进钻研得热火朝天时，一个偶然的机会，他接触到了一部日产尼康相机。当时，他哥哥是报社记者，这部相机是他采访拍摄时使用的。“它居然是自动的！测光能自动，曝光能自动，卷片也能自动。”少年黄进十分兴奋，他迫切地想要弄明白为什么人家能做得比国产相机还要好，就跑去图书馆翻阅与摄影器材相关的期刊，并萌生了一个念头——如果能把机械和电子结合到一起就好了。随着他的成长，这个念头逐渐生根发芽，高考时，他直接填报了西安理工大学精密仪器专业。“这个专业关系到光机电一体化”，黄进解释道。
本科毕业后，黄进被分配到一家工厂。“单位对我很重视，工作环境也很好，但跟我的专业不太对口。”黄进觉得，趁着年轻，就应该拼一把，不能耽于安逸。几年后，他考进了西电。“20世纪90年代，我国的传统机械已经比较成熟了，但我认为纯做机械在未来没有太多竞争力。”他看到的是，信息产业像一轮朝阳，正在国际上冉冉升起。“我一直都没放弃做机电的想法，也想看看当信息产业与机电交融之后，能够激起怎样的浪花。”
硕士期间，黄进作为主要研发人员参加了某军用计算机项目。项目完成后，他百感交集。他发现，我国在当时既没有独立研制的计算机外部设备，也没有自主可控的核心技术，甚至从国外买得到的商用机也总是与国内应用环境不适配。“当时有一个法子叫‘穿衣戴帽’，就是在买到的商用机外面‘套壳子’以满足抗恶劣环境的需求。”在黄进看来，这就是一种无奈之举，“穿衣戴帽”之后的机器显得很笨重，性能也会受到影响。“拿来主义”不是长久之计，何况核心技术，国外也不可能让我们“拿来”。那怎么把机器由大做小呢？他隐隐感觉到，自己此前想的没错，把机械、电子和控制结合到一起，将是一个重大的突破口。
1995年起，黄进师从我国著名电子机械专家、天线结构设计大师叶尚辉教授攻读博士学位，研究方向也从计算机外部设备转向天线伺服系统。到现在，黄进团队的研究始终围绕3个方向展开。
其一，面向航天和天文观测领域的重大需求，他们研究光机电一体化系统的建模与控制工作。“我们最开始做的也不是共形承载天线，而是传统的大天线。”在此方向上，黄进团队自主研发了开放式天线伺服控制系统、柔性天线控制平台和大型天线近场测试运动控制系统。相关工作得到了民用航天重点项目和国家重大仪器专项的支持。
其二，针对天线、馈线等典型电子系统和部件，他们研究其中的多场耦合及场路耦合问题、功能特性的动态演化机理，建立相应的功能特性演化模型，探索高性能电子装备机电集成设计方法、高密度共形承载天线设计技术。相关工作得到了“973”课题、国防基础科研重点项目和部委预研项目的支持。
其三，面向智能蒙皮和柔性电子，他们研究其建模方法、设计理论，探索高精度、高性能和高效率的增材制造方法，研制相应的智能化装备。“也就是共形电子及三维打印技术”，黄进特别强调道，“而且是曲面三维打印。”
“谈共形承载天线时，我们一直在说一体化成形，但一体化成形是怎么做出来的呢？”据黄进介绍，如果只是平面一体化成形，完全可以采用传统方法，但传统方法在曲面上并不好用。以共形承载天线为例，传统方法可以加工展开曲面的导电图形，比如采用柔性材料，将矩形、扇形“卷”成圆柱或圆锥。但飞机表面多是复杂的非展开曲面，这条路就不好走了。“有一种想法，是把复杂表面拆分成若干规则平面，再组装起来。”他摆摆手，“那复杂度太大，性能也难以保证。”
用黄进的话说，三维打印理论上可以做出复杂的、曲面的东西，但必须认清一点：当三维打印通过平面叠加使其逼近曲面时，更像“一块梯田”，“梯田有台阶没关系，但在要承载电路的曲面上，‘台阶’会导致电路不连续，传输性能、可靠性就可能严重受损”。正因为如此，“如何实现高精密复杂硬曲面随形电路”成为中国科协发布的2022十大工程技术难题之一。
为了解决这些问题，黄进团队将传统三维打印的三个方向轴（x,y,z），改进成五轴/六轴联动。在国家自然科学基金重点项目、教育部联合基金、陕西省重点产业链项目等支持下，他们自主研发了微滴喷射控制实验系统和异质异构功能件三维打印样机，探索出“一体化喷射成形”技术。相关成果在陆海空天等领域转化应用后，得到工业部门的高度认可。
“其实，我们的工作就是围绕电子装备的机电耦合展开的，从认识它的机理，到如何设计，再到如何制造。”黄进朗声笑着，“严格来说，我们就是做这一件事。”
传承红色基因，把论文写在祖国大地上
如果西电有颜色，那一定是浸润在根系中的红色。从江西到陕西，西电始终坚定不移跟党走，将井冈山精神、长征精神、延安精神及西迁精神深深地烙印在学校基因里，也流淌在机电工程学院的发展历程中。
从20世纪60年代起，以叶尚辉为首的老一辈科学家在西电建成了我国第一个无线电设备结构与工艺专业，从“以机为主、机电结合”开始，奠定了西电在电子机械学科上的发展基调。进入新世纪以来，以中国工程院院士段宝岩为代表的第二代电子机械学科领头人，开辟了我国电子装备机电耦合研究的新领域。如今，以李志武、黄进等中青年专家学者为主的第三代机电人已经成为中流砥柱，一批优秀青年教师也在西电这方沃土上扎根成长。
在西电学习工作30余载，黄进既是电子机械工程学科发展的见证者，也是创造者。2005年起，他历任电子机械系系主任、电子装备结构设计教育部重点实验室主任、机电工程学院副院长等职。2018年6月，他被任命为机电工程学院执行院长，2023年担任高性能电子装备机电集成制造国家级科研平台主任。肩上的责任越来越重，黄进接过“西迁精神”的接力棒，踏上时代新征程。
近年来，机电工程学院的成果被成功应用于世界最大的射电望远镜——“中国天眼”FAST、我国最大的地基全可动天线——火星探测S/X双频段、波束波导66米口径天线，以及我国首部大口径星载可展开天线“天通一号”、主力战舰近程反导武器系统等重大工程中。
有一个故事，黄进至今耿耿于怀。2008年汶川地震时，由于地面通信设施受损，外界难以得知重灾区茂县的情况。为开辟生命航道，15名空降兵在无气象资料、无地面标识、无指挥引导的情况下，从5000米高空跳下。这“惊天一跳”，是世界航空史上前所未有的壮举。黄进的关注点却在其间的“不得已”上。“类似的问题，国际上能不能解决？能，海事卫星就可以，但当时我国没有。我们想过付钱租用，但人家却关闭了对中国的服务。”对黄进来说，这样的被动局面，必须打破。这也是他和团队一心想要把研究成果应用到星载可展开天线上的重要原因。
“我们现在有上百项专利”，黄进说。这些年来，他不仅重视国家重大工程中的实践，也极为关心民用领域的成果落地问题。“飞机和高铁上都要有WiFi，智能驾驶或无人驾驶汽车里也会装毫米波雷达。如果能通过柔性电路集成技术，把可穿戴手表做成手套，冬天佩戴起来会不会更舒服？”黄进慢慢举着例子。最近，他还在关注全球最大的地基全可动天线——奇台射电望远镜建设，希望他们的成果能够为其早日建成贡献力量。
在黄进和团队心目中，“把论文写在祖国大地上”“把科技成果应用在实现现代化的伟大事业中”是不灭的追求。他不赞成把科学探索和产业应用的出发点对立起来。“科研更关注创新性，企业更追求可用性，这中间的差距是客观存在的。比如我们自己做了很得意的成果，到了企业，对方可能会委婉地表示有些不好用。我们应该虚心接受，去寻求解决之道。”他认为，科研成果必须接触实际，唯有如此，才能打通“最后一公里”；而“锐意进取，脚踏实地，勇于创新”，才是团队本色。
“在段宝岩院士的引领下，我们的电子装备机电耦合的大团队已经有50余位学者，其中共形电子机电集成制造团队也有了七八位核心骨干和几十名学生。”黄进表示，“我们是一个紧耦合的团队，一路走来，大家一起论证需求，一起攻坚克难，一起培育成果，一起培养人才。”
到现在，机电工程学院已经建设起一个机电结合、特色鲜明的学科群；黄进带领的“电子装备机电耦合”团队也入选陕西省重点科技创新团队。据不完全统计，黄进已经培养博士、硕士研究生110人，其中1人获国家杰出青年科学基金、9人在高校任教，80余人在世界500强企业和中国电科、航天科技等十大军工集团任职，受到用人单位的好评。
而对黄进来说，人才培养一直被他视作“第一要务”。当学生们直言“黄老师的点拨使我们少走弯路”时，黄进也想到了自己求学路上的导师。博士阶段，黄进曾经有两个多月陷入了迷茫中，看不清前路方向。“突然有一天，叶尚辉教授找到我，给了我一篇论文，让我用两周时间看完”，黄进回忆道，那篇论文复印出来足足145页，令他感动的是，其中的关键点都被细心标注了出来。“那时叶老师已经60多岁了，还这么仔细去阅读文献，我再不努力都对不起他。”被激发斗志后，黄进废寝忘食，提前一周形成了一份具有针对性的报告，并在与导师的深入讨论下很快明确了方向。这种言传身教的力量，黄进也在传递给学生。包括在加拿大访学期间，合作导师加拿大皇家科学院院士、美国工程院院士尤瑟夫·阿廷塔斯启发式、系统化的教育方法，都是他培养学生的灵感来源。
黄进认为科研与教学相辅相成，将科研经验和技术发展脉络等分享给学生，更能引发他们的学习热忱。“我不会轻易否定一种想法，但会批评一个没有想法的学生。”在黄进这里，保持开放的思维模式十分重要，他最怕学生“循规蹈矩”——创新思想在“套子”里是迸发不出来的。“2000年，我们对一个‘973计划’课题做论证，当时数据挖掘还没有火起来，但我们坚持要用这个方法。事实证明，我们没有走错。新世纪之后，技术发展非常快，进步速度甚至超乎想象。我认为，科研中最令人兴奋的就是有了新思想和新方法，哪怕它不成熟，也可能会给未来的研究指明方向。”
黄进的开放还体现在坚持了20多年的周会上。他不仅要提前详细阅读学生提交的进展报告，与之探讨其中存在的问题，还鼓励学生积极点评和辩论，从而达到互相启发、互相提高的效果。在他这里，分析问题能力、团队协作能力和表达能力等都要对学生着意锻炼。“有的学生毕业十几年了，遇到我还会说，这个过程对他们影响很深。”
“我一个人做不了什么事，科研一定得有个团队。”黄进说。不论是对学生，还是对团队同事，黄进尤其擅长“放手”。准确说，是在就目标方向达成共识的情况下，由他把握关键节点，让大家冲到前线，大胆推进工作。“如果我总是不放心，什么都自己来，就锻炼不到年轻人。哪怕刚开始会有一些执行不到位也没关系，我们可以分析问题并解决，迭代几次，效率就提高了。”
从科研探索上的“机电耦合”到传承建设中的“团队耦合”，他们将立足国家需求、开展交叉创新贯彻始终。一路风雨同舟，黄进团队的整体气质走向了脚踏实地、开门见山。“人的精力是有限的。我们不愿意把精力耗在不着边际、拐弯抹角上。”黄进诚恳地说。
专家简介
黄进，高性能电子装备机电集成制造国家级科研平台负责人、西安电子科技大学机电工程学院执行院长、二级教授、博士生导师，入选中国电子学会会士、陕西省特支计划—科技创新领军人才，是电子装备机电耦合陕西省重点科技创新团队负责人。兼任中国宇航学会空间太阳能电站专委会副主任、中国机械工程学会机械工业自动化分会常委、中国计算机学会计算机工程与工艺专委会常委，是《电子机械工程》编委会副主任，《冲击与振动》（Shock and Vibration）、《西安电子科技大学学报》、《电讯技术》和《机械设计与制造工程》编委会委员。
