邱雷：為飛行器智能結構添磚加瓦

王 輝

邱雷在中國航空青年科學家論壇作邀請報告

飛行器智能結構就是一項改變未來先進飛行器發展的革命性技術，該技術通過將傳感器、驅動器等與飛行器主體結構一體化集成，使得飛行器結構不僅具有承受載荷的能力，還具有自感知、自診斷、自學習、自適應、自修復等能力，從而提升飛行器整體性能。相對傳統飛行器結構，飛行器智能結構可以根據自身實際的服役狀態去調控自身的性能，可以像人體一樣實現健康狀態的自我監測甚至是損傷的自我修復，可以根據實際飛行環境和空氣流場特性改變機翼的形狀實現自適應飛行，等等。

30年前，在“沒錢、沒人、沒設備”的“三沒”境地下，南京航空航天大學的陶寶祺院士率先開創了國內航空航天領域研究飛行器智能結構技術的先河。而在30年后的今天，仍有眾多南航人秉承“航空報國”初心和院士遺志，為我國飛行器智能結構技術的發展添磚加瓦。其中，機械結構力學及控制國家重點實驗室，智能材料與結構學術部的邱雷教授就是青年一代中的代表之一。多年來，這位“土生土長”的南航人一直專注于飛行器智能結構健康監測技術的研究，并在結構健康監測的原理與方法、復雜條件下結構的可靠診斷、飛行器應用裝備3個方面取得了多項創新成果。

開啟科研之窗 立志智能監測

從最初的“科研小白”成長為一名航空航天科學技術領域的科研工作者，邱雷這一路走來并不輕松。2002年，他從重慶南開中學考入南京航空航天大學航空宇航學院飛行器設計專業，并被自動分配到“不被看好”的航空結構測試這一個小的專業方向。據邱雷回憶：“當時同班很多同學都對自己被分配到這個方向很有意見，同學們考入南航是為了以后能成為飛機設計師的，是搞飛機設計的，但現在被分配到這個非主機專業的方向，未來肯定被邊緣化了。”雖然邱雷剛進入大學，對這個方向還一無所知，但他并沒有被這種意見所羈絆，他知道這個專業方向是南航第一位院士——陶寶祺院士開創的，任何事物的存在都有內在的道理，所以他并沒有絲毫懈怠，對本科階段的學習和實踐投入了極大的熱情。隨著本科階段對這一專業方向認識的逐漸深入，他發現這是一個典型的力學、機械、電子、材料等多學科交叉方向，并篤定這一專業方向的未來必定“星光璀璨”。邱雷自己援引了金一南少將的一句話，就是“做有心人，干困難事，立大格局”，他本科階段的學習就是這樣過來的。

邱雷通過本科3年的努力，以優異的成績確定了碩博的資格，并在大三下學期，2005年春天，提前加入到了袁慎芳教授的團隊，正式開啟了他的科研生涯，開始從事飛行器智能結構健康與監測技術的研究。作為陶寶祺院士的嫡傳弟子之一，袁慎芳教授長期深入研究飛行器智能結構與健康監測技術，是南航巾幗不讓須眉的“科研女杰”。能夠遇見袁老師，是邱雷人生的一大幸事，袁老師對待科研和指導學生的認真及做事的熱情一直感染著他。

剛進入袁老師團隊的邱雷對智能結構與健康監測這一研究方向十分陌生。袁老師交代給他的第一個任務是復現實驗室原有的基于壓電傳感器和導波的結構健康監測演示系統，“袁老師當時只是簡單地給我講了一下她的想法和希望達到的目標，我聽完袁老師的指示以后整個人完全是懵的”，但是，邱雷憑借他本科階段鍛煉的學習能力和對科研工作的極大熱情，每周工作80個小時以上，通過查閱整理大量的文獻、與相關的老師和師兄交流討論，逐漸對智能結構與健康監測及自己承擔的任務有了更深刻的認識，并且通過對電路設計、嵌入式和應用軟件編程、信號處理等多個方面的學習，在一年半的時間里圓滿完成了袁老師交給的任務，在此基礎上還進一步研發了團隊第一代導波集成結構健康監測掃查系統工程原理樣機。正是由于在短短的一年多時間里完成了系統的研制，正好趕上了2007年團隊與中航工業601所、623所和625所合作開展的國內首次在真實飛機部件級結構上的結構健康監測技術驗證。通過這次機會，邱雷一方面驗證了自己研制的系統的性能并幫助團隊在行業內提升了影響；另一方也接觸到了實際的飛機結構和工程應用，且與行業主要研究機構建立了聯系。這些經歷激發了邱雷的科研興趣，幫助他開啟了科研之窗，打開了學術視野，他立志在飛行器結構健康監測技術的科研工作中堅定前行下去。

堅定腳下之路 突破瓶頸難題

“一條路走到底”，這句話用來形容邱雷對飛行器結構健康監測技術的堅持甚為貼切。實干興邦，16年的科研生涯中，他一直堅定踏實地走在飛行器結構健康監測技術及其工程應用的科研道路上。

據邱雷回憶，2006年至2007年是國內飛行器智能結構健康監測技術研究的低谷，這項技術的重要性還沒有被廣泛地接受。這個時期也是團隊最困難的時候，科研經費僅依靠一個航空科學基金在支撐。但正是這個時候，袁老師帶領邱雷和團隊潛心搞好自己的研究，并完成了國內首部航空結構健康監測技術的專著《結構健康監控》。依靠2007年開展的國內首次真實飛機結構的驗證，以及這本專著等標志性成果，團隊在國內的影響力逐漸提升，之后團隊連續拿到了國防基礎項目、國家原“863”項目、國家自然科學基金重點項目的支持，并且團隊至今已經跟中航工業611所、601所、603所、中國商飛、623所、空軍裝備研究院等主機廠所和應用廠所在國家重點型號技術攻關、民機專項等支持下開展了10余年合作，目前這項技術的重要性已經被廣泛地接受。這個時期的經歷讓邱雷明白，在科研的道路上遇到低谷不用怕，因為低谷之后就是上坡路、成功的路，所以越是低谷越應該砥礪前行。只有下坡路才是好走的路。

在這條科研的道路上，其實面臨的抉擇很多，因為不僅僅是航空航天領域，在高鐵、風電、能源、化工和土木領域，結構健康監測技術也是大有可為，具有很廣闊的應用前景。據邱雷講：“在近10年，很多其他領域的機構都來找袁老師，想跟她的團隊合作，推廣結構健康監測技術，但最后袁老師卻毅然選擇只聚焦于航空航天領域的技術發展。她時常教導我們，每個人精力有限，應該專注于一個重要方向，我們不能只追求方向多、項目多，我們要把精力放在踏踏實實地干一件事上，做出讓同行認可的成績來。”正是憑借這種做事的精神和態度，邱雷所在的團隊在領域內樹立起了良好的口碑，影響力也越來越大。

結構健康監測技術經過近30年的發展，已經逐漸從基礎研究轉向應用研究，很多飛機的型號研制都迫切需要該技術的工程應用。邱雷說：“航空航天領域的應用不同于其他領域，對傳感器、監測系統的可靠性、輕量化、低功耗、使用壽命等要求十分苛刻，這還不是最困難的，最難的是如何在飛行器復雜的服役條件下，實現結構健康狀態的可靠監測，這已經成為阻礙結構健康監測技術應用的瓶頸難題。”邱雷從2007年參加我國首次在真實飛機部件級結構上的結構健康監測技術驗證以來，一直在圍繞這個難題開展研究。在不斷跨越阻礙的前進道路上，他從實踐中深刻體會問題的根源，然后上升到基礎理論和方法層面深入探求解決問題之法，又回到實踐中去，扎根于我國飛行器重要試驗和使用維護基地，在團隊中負責和參與了外廠大量的飛機型號部件和全機結構試驗驗證及應用，通過反復研究-驗證迭代，在屢次失敗中終于悟出了些許破解難題之道。

在這個過程中，邱雷也得到了國家和相關省部委項目的大力支持，其中一個典型項目，就是他主持的國家自然科學基金面上項目“時變環境下航空結構損傷的波動概率統計成像方法研究”。這個項目是在他剖析問題根源，回歸科學問題及結合當今國內外針對該問題的研究現狀的基礎上，原創性地提出了將陣列成像和動態概率相結合的彈性波波動概率統計成像方法。通過該項目的研究，他們初步理清服役條件對監測可靠性的影響規律，提出了時變因素影響的監測特征動態概率建模表征方法，建立了時變因素影響下的結構損傷波動概率統計成像機制，提升了航空飛行器結構復雜條件下損傷診斷可靠性，成果被應用于主力戰機、大型軍民用飛機等8個型號。基于該項目的研究工作，他在Mech Syst Signal Proc、Struct Health Monit、Chinese J Aeronaut等領域內的重要期刊上發表了多篇文章，并且還在結構健康監測領域的頂級國際會議The 8th European Workshop on Structural Health Monitoring上獲得了年度全球唯一最佳論文獎，這是中國學者在該系列會議上首次獲獎。由于他和他所在的團隊對結構健康監測技術在航空領域的突出貢獻，他們還獲得了2019年江蘇省科學技術獎一等獎。

面向國家戰略 展望智能未來

在國家“十四五”已經立項的重要型號中，將結構健康監測技術作為核心技術列入了型號研制任務。目前，邱雷和他所在的團隊正在緊密圍繞新型號研制的需求，開展應用技術攻關工作，并扎實已有技術積累，提升技術成熟度，力爭為裝備了結構健康監測系統的重要型號飛機早日翱翔藍天貢獻力量。

此外，我國正在大力發展可重復往返的高超聲速飛行器。相對于常規的航空飛行器，這類飛行器服役條件更加苛刻，在往返大氣層時會遭遇沖擊、振動、強噪聲、強輻射及上千攝氏度的高溫環境。因此，這類飛行器對結構健康監測技術也提出了迫切的應用需求。近幾年，邱雷和他所在的團隊也在與主要的航天院所合作，開展高超聲速飛行器結構健康監測技術的基礎科學問題研究及工程應用研究。目前，他們與某研究所合作，已經在某型驗證機上裝備了結構健康監測傳感器和系統，近期將開展飛行試驗。這將是結構健康監測技術在航天領域的首次飛行驗證。

“‘智能’是這個時代科學技術發展的主題之一，只要圍繞這個主題走，那道路基本不會錯。”邱雷說道。在參與型號任務的同時，邱雷也在基于自身的研究基礎，圍繞“智能”主題積極探索前沿交叉研究方向“基于柔性電子的飛行器智能蒙皮”。邱雷補充說道：“飛行器智能蒙皮是飛行器智能結構的一個具體化方向，就是讓飛機的表皮類似于人的表皮具有智能性。”目前柔性電子在人體表皮研究領域蓬勃發展，能不能把柔性電子技術也引入到飛行器蒙皮上及如何引入進來，這正是邱雷思考的問題。不同于人體表皮，飛行器蒙皮面積大，再加上飛行器的應用對重量、功耗要求苛刻，發展基于柔性電子的飛行器智能蒙皮，面臨很多基礎科學問題和技術問題。針對這些問題，邱雷承擔了“飛行器大面積、輕量化、傳感-監測—體化結構健康監測智能蒙皮”這一項目，他首先確定研究基礎，明確了飛行器結構健康監測智能蒙皮在航空航天領域應用中的需求，并以此作為牽引，進一步圍繞結構-電子-功能一體化如何實現，即大規模傳感器件和功能器件及其引線的大面積、輕量化、一體化、高可靠實現等相關難題開展深入研究。目前，他在這方面的研究已經取得了一定的進展，成果發表在IEEE T Ind Electron、Mech Syst Signal Proc等重要期刊上。近期，他們將面向大型民機或無人機這種大型整體復合材料機翼蒙皮，制造出智能蒙皮原理樣機，實現功能演示驗證。

漫漫科研路，在邱雷看來難的不是科研本身，而是如何緊跟科學前沿，了解和掌握學術動態，做出突破性的成果。此外，扎實基礎，還要做出實事，這是加入袁慎芳老師團隊后，邱雷一直都堅持的信念，他也在默默為把相關技術向工程應用推廣而努力著。圍繞航空特色，深耕智能結構和健康監測前沿方向。現在的科研小舟只是剛剛揚帆起航，未來尚有更大的舞臺等著他去乘風破浪。