首页 > 2020第一期> 正文
郭万林:从数字飞机到智能时代
2021-12-10

中国科学院院士、南京航空航天大学纳米科学研究所所长郭万林:从数字飞机到智能时代

2020年8月,由中国科学技术协会主办,中国科协企业创新服务中心、中国电子学会、无锡市科学技术协会、无锡市工业和信息化局、无锡市大数据管理局承办的“企业创新大家谈”论坛在无锡成功举办。在主峰会上,中国科学院院士、南京航空航天大学纳米科学研究所所长郭万林就“从数字飞机到智能时代”发表演讲,本文整理了他的观点。

人类文明进程:材料与技术

人类的发展,一代材料,一代技术。从距今几百万年前的旧石器时代,到新石器时代,到我们今天这个时代,到钢铁的时代、材料的时代。

大家提出这个时代怎么发展纳米技术。一根碳纳米管是由从铅笔心里剥出来的单片碳原子的石墨烯卷曲而成的,用碳纳米管构筑的晶体管会比硅电子跑的速率高四五个量级。目前,北京大学研究组能用纳米管搭乘能量耗散最快、尺寸最小、效率最高的存储器,但是把它发展成纳米的集成电路需要几百亿元的投资,需十到二十年才能成为产业。

现在大家不满足于低维的。从半导体的薄膜到低维的各种纳米材料,到现在追求表面的,构成所谓的量子材料。20年前,我们想硅结束以后纳米科技、量子科技是不是能够带来让中国跟大家站在同一起跑线上的技术,但是现在纳米的技术、量子的材料仍然归于半导体功能信息材料。

所以今天我们从承载的结构材料,到半导体信息材料等纳米量子,仍然是信息功能材料的时代。

面对当前工程需求的挑战,如何突破二维理论局限,预测三维结构性能,实现数字孪生?

如何突破解不了的四阶偏微分方程?只能解简单的二维预测三维电子飞机、大桥结构的信息,实现真正的数字孪生。也就是说,从物理的飞机,到数字的飞机,性能完全模拟真实飞机的性能。面向未来如何融入从一维、二维的世界走向三维的理论,我们能够从二维理论指导下制定的材料实验标准数据中预测出三维结构的疲劳断裂性能。

高温情况下,发动机又发明了达尔文式的基于经验损伤、预测的软件。我们在三维领域基础上建立了中国的,完全覆盖达尔文式的,因为它是以二维理论为基础的,我们是以三维理论为基础的。我们现在从常温推到高温,覆盖达尔文式的,成为科学预测的工具。在这里我们不可能受美国制裁或者“卡脖子”,30多年前我们就开始引领,走在了前面。我们有好的软件、技术可以进行飞机的设计。科学技术谋在未来,我们才能解决当下的问题。

过去把牛顿力学、量子力学结合发展物理力学,从基建的变形,力、电、磁、光、热耦合,纳米材料,比如说到生命体,神经内的通道是通道。研究我们做出一系列的基础研究,我们把飞机的预测技术跟监测技术、纳米智能的技术结合起来,构成飞机的面向智能监测,单机监控寿命指针的技术,靠非参来确定飞机的全寿命的安全。每架飞机的飞行任务不一样,它的损伤不一样,它使用的时间也不一样。我们建立一整套科学的方法,正在与商飞推进在AR界到C919、C929,从上到下、从下到上执行这样的体系,数字化时代面向智能化时代。

跨越维度与尺度的研究:数字飞机、数字发动机、材料结构功能一体化

我们希望我们建立的这一套,能成为国际新的适航性的标准。去年郭院士在日本得到了一个国际奖项,授奖的原因是对航空结构完整性和耐久性,以及纳米力学持续的贡献。

郭院士介绍,从20世纪初量子力学酝酿,到20世纪中期硅材料、半导体的兴起,到今天的芯片,已经到了最后的高音阶段。硅的时代仅仅是一个开始。最初,4平方毫米见方的芯片上做六七个器件,现在可做的数量每18个月翻一番,每两年差不多就是一代。硅材料发展到现在已经成年了,那么硅材料的下一代是什么?

碳材料是硅材料之后科学家探索最多,研究最多、最深透的一种材料,是不是可以说二维科技可以颠覆我们的生活?我们希望如此,但是我们现在大量的二维材料的应用,还都是把硅和过去用普通材料做过的研究再做一遍,看能不能比它们做得好,到现在为止,好像还很难取代。郭院士认为,碳应当找它的时代,就像硅没有代替钢铁一样。也就是说,碳、二维材料、新的材料,应当发展下一代的用途,而不是再去做与硅相同的研究。这样的话,二维材料的时代才真正到来了。

过去从原子一维材料的性能,二维材料的性能,到三维的飞机结构,到比如说高温的结构,我们实现给数字飞机、数字发动机奠定了核心的技术。我们现在在推动军用、民用和军民两用飞机发动机的发展,沿着半导体到纳米时代到结构功能一体化,使我们的飞机能够智能化融合电机,未来我们正在发展。


(根据“企业创新大家谈”速记材料整理,由无锡市科技咨询服务中心供稿。)