追求超聲電機的“中國夢”

白玉磊+翟國慶

2015年7月16日，由江蘇省科協、江蘇省教育廳共同主辦，南京大學、東南大學、南京航空航天大學、南京理工大學、中科院南京土壤研究所共同承辦的2015年青少年高?？茖W營江蘇科學營活動在南京航空航天大學隆重開營。

在南航學生自制的飛行器“遨游”于會場上空之際，中國科學院院士趙淳生教授為現場的學子們帶來了一場拓展視野、激動人心的專家報告。趙淳生院士不僅在報告中講述了自己與超聲電機“邂逅”的趣事，以及在超聲電機領域的研究經歷和最新研究成果，還對參加科學營的學子們提出了“開拓創新，追求中國夢”的希冀。

從應用科學到純科學的“蛻變”

在報告的一開始，趙淳生院士就回憶起一段往事：多年前，他去中國兵器集團204研究所參觀，看到那里有一塊標語牌上寫著這樣一段話，“我時常被問及這樣的問題，純科學與應用科學究竟哪個對世界更重要。為了應用科學，科學本身必須存在，假如我們停止科學的進步而只留意科學的應用，我們很快就會退化成中國人那樣。多少代人以來，他們在科學上都沒有什么進步，因為他們只滿足于科學的應用，卻從來沒問過他們所做事情中的原理，這些原理就構成了純科學。中國人知道火藥的應用已經若干世紀，如果他們用正確的方法探索其特殊應用的原理，他們就會在獲得這些應用科學帶來的成果的同時發展出化學，甚至物理學。因為只滿足于火藥能爆炸的事實，而沒有尋根問底，中國人已經遠遠落后于世界的進步，我們現在只是將這個所有民族中最古老的民族當成野蠻人?！边@段話是美國著名物理學家、美國物理學會第一任會長亨利·奧古斯特·羅蘭在1883年美國科學促進會年會上演講的節選，讓趙院士感觸頗深。

但趙院士相信，大家跟他有一樣的感覺，即使科學落后，我們也不承認自己是野蠻人，真正的野蠻人是那些發動侵略戰爭、燒殺搶掠的人。但是，我們也不能不承認，在最近一兩百年來，我國的科學發展得很慢。歷史上，我們的祖先曾經有四大發明，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明的，我們僅僅是應用而已，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家深深的思考。新中國成立后，在科教興國方針的指導下，我們的科學研究有了顯著的發展，我們再也不是“野蠻人”了。

其實，中國人是很聰明的。上世紀50年代中后期，出于對國際環境的考慮，毛主席提出我國要研制出自己的核武器。結果，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，我國在科學領域更是有了質的飛躍。因此，趙淳生院士覺得我們應該看到自己身上的優勢和閃光點，樹立自信、自強、自立的意識。但面對當下復雜多變的國際形勢、日新月異的科學技術，我們不能沉醉于過去的成績，而應該進一步地開拓創新，追求我們的“中國夢”。

半路出家，做出“大文章”

中國人有著實現祖國偉大復興的共同的“中國夢”，而每一個中國人心中又有自己的“中國夢”。趙淳生院士的“中國夢”，便是讓中國在超聲電機的技術上領先世界。

2013年12月15日晚，“嫦娥三號”在萬眾矚目中登上月球。“嫦娥三號”成功在月球著陸，“玉兔號”巡視器所載的五星紅旗出現在“嫦娥三號”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”著一個小小的超聲電機，這項新技術的應用順利推進了我國此次的探月活動。而這臺型號為“TRUM-30A”的超聲電機，正是由趙淳生院士領銜研發的。

談及自己的超聲電機研究之路，趙院士不禁感慨萬千。其實，他自認為只不過是一個“半路出家的和尚”。五十幾歲，是一個做科研的人“生命力”最旺盛的年紀，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院航天航空系做訪問學者，無意中參加了一場該系舉辦的關于超聲電機技術的專題報告會?！拔揖褪菑哪菚r起開始接觸超聲電機的，我原本是做‘飛機智能結構和健康診斷的振動學研究的，雖然超聲電機在航空航天、軍事等多個領域都有十分重要的作用，和我本來的研究方向有聯系，但全新的領域還是充滿著未知數?！壁w院士說。

超聲電機在諸多領域的重要作用，使趙院士萌發了對超聲電機的追求。面對國內超聲電機領域的空白，當時趙院士起家的全部“家當”是：20平方米的研究室、一個博士一個碩士、向學校借來的1.5萬元科研經費、一臺計算機和一臺簡易激光打印機。功夫不負有心人，在將近一年超負荷的技術攻關后，1994年，中國自主研發的第一臺原型行波超聲電機就在這個簡陋的研究室里，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，憑借堅強的意志和對超聲電機的執著追求，他戰勝了病魔。2005年，他成功當選為中國科學院院士。2013年，他領銜研制的“TRUM-30A”型超聲電機在飄揚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領域做出“大文章”。

關于超聲電機的“中國夢”

據趙院士介紹，超聲電機是上世紀80年代在日本率先發展起來的一種全新概念的電機，在軍事、航空航天等諸多領域有著重要的作用。傳統意義上的電機，就是我們常說的馬達，它是依據電磁感應實現電能轉換或傳遞的一種電磁裝置。超聲電機卻不同于傳統意義上的電機，傳統電機利用電磁感應獲得運動和力矩，這實質上是一種“壓電效應”，而超聲電機則是利用“逆壓電效應”和超聲振動來獲得運動和力矩的。

“什么是壓電效應和逆壓電效應？”趙院士解釋，“一個電介質受到外力的作用發生變形，就會發生極化現象，產生電荷，這就是壓電效應；而逆壓電效應恰恰相反，它是先對晶體施加交變電場，使晶體產生機械變形的過程。”那么，相比傳統的電機，以逆壓電效應為基礎的超聲電機有哪些優勢呢？談及此處，趙院士不禁流露出對超聲電機的鐘情：“在同等質量的條件下，超聲電機能比傳統的電磁電機獲得更大的扭矩。我們行內流傳著這樣一句話，叫‘寸重寸金，在電機的使用上，還是以質量較輕為佳?！壁w院士接著又說，“超聲電機比電磁電機的響應速度快，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境下工作的優良特性。”

上世紀90年代，在與超聲電機“邂逅”并了解它的發展前景和意義之后，趙淳生院士便迫不及待地回到南航，在母校扎根這項新技術。20余年來，南航在超聲電機領域有了巨大的突破：2001年南航制造的環形超聲電機應用于某武器系統；應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裝置的超聲電機提供了樣機；研制出“TRUM40”型超聲電機應用于衛星飛輪鎖緊裝置等。直到2013年，在趙淳生院士的領銜下，由南航研制的“TRUM-30A”型超聲電機乘著“嫦娥三號”登上月球。這臺超聲電機的重要“職責”是負責紅外成像光譜儀內定標板的驅動與控制，為“玉兔號”在月球上留下清晰影像作出了關鍵性的貢獻。

如今，已經“奔八”的趙淳生院士并沒有因為這些驕人的成績而停止探索的腳步。他對在場的科學營學子提出了自己的希望：“希望大家像我追求超聲電機的‘中國夢一樣，去追求你們科學上的‘中國夢！”