航空觀察：西行逐夢，走進一線——兼談對兩個專業發展的認識

強哉矯 怎麼理解

張聚恩/文

（一）學習調研考察行小記

3月26日出京，奔赴古都西安和航空聖城閻良。參加中國航空學會和《航空學報》《航空知識》兩刊編輯部共同組織的“科技創新與科學普及雙翼齊飛——走進航空科研生產一線”專題學習調研考察交流團。前半程，學會組織部周競賽部長和北航出版社俞敏副社長帶隊，後半程，學會新任秘書長姚俊臣自上海赴西安，親率此次活動。

中國航空學會（CSAA）是中國航空界唯一的全國性、學術性、非營利性法人社會團體，是全中國航空科技工作者之家。《航空知識》《航空學報》是中國航空學會主辦的兩份刊物。

《航空知識》創刊於1958年

；60年來，這本科普雜誌啟蒙和激勵了一代代在科學道路和航空領域奮進的人們，形成了巨大的社會影響。

《航空學報》有中英文兩種版本（英文版名為《Chinese Journal of Aeronautics 》），中文版創刊於1965年，英文版創刊於1988年

，已分別走過53年和30年發展歷程，現都成為在國內外具有重要影響、我國同類刊物中聲望最高的學術刊物。

為了做好新時代的學會工作，把航空刊物辦得更好，我們需要了解火熱的科研生產實踐，需要從一線科技工作者那裡學習知識、汲取營養。我雖已在航空戰線奮鬥了半個世紀，但仍需繼續學習。而學會和期刊社的同人更是使命使然，渴望走進科研院所與工廠，以彌補工程知識與實際經驗之不足；其情殷殷，其願切切。

從27日到31日，五天裡，我們先後走進

航空工業計算所

（631所）、

中國航發西航公司

（430廠）、

航空工業強度所

（623所）、

中國試飛院

（亦稱630所）和

航空工業第一飛機研究設計院

（亦稱603所）等五個單位。承蒙熱情接待，所見所聞，深受教育和鼓舞——為航空工業的新成就而感奮，為航空科技的新進步而自豪；感觸多多，收穫滿滿。

我們也為這些單位送去了數場科技交流與專題講座。《航空知識》主編王亞男和《航空學報》《CJA》編輯室主任蔡斐老師分別作“

航空的另一副面孔

”、和“

如何向科技期刊成功投稿——從編輯的視角

”的報告，內容緊貼實際，視角獨特，受到熱烈歡迎；我也做了“關於顛覆性技術與航空創新發展”的講座。期間，我們還同五個單位分別討論了加強合作、開闢前路的多種方式與具體工作任務。

自上而下依次為：在631所、430廠、623所、試飛院和一飛院

試飛院贈送給我們的珍貴禮品：四位試飛英雄——王昂、滑俊、黃炳新、李中華親筆簽名的飛行員頭盔

王亞男主編作《航空的另一副面孔》報告

蔡斐老師的報告《如何向科技期刊成功投稿——從編輯的視角》

此次活動收到了很好的效果。我們直擊一線，在五個廠所，親眼目睹航空科技與產品的最新發展與進步，親身感受航空人報國圖強、大幹快上的精神風貌。親撫戰機，走進“大運”機體內，為其震驚，大呼過癮。“追星族”們與大運總設計師唐長紅院士親密攀談，留下一張張珍貴的合影。

自左至右：劉德生社長、姚俊臣秘書長、唐長紅院士和段卓毅總師

在631所，面對超高整合度的處理機和電子模板，領悟了“金塊銀塊不如電子模組”的真諦，理解了J20等先進裝備內裡的高科技含量。在430廠，高效柔性的發動機關鍵件智慧生產線，讓人大開眼界，昭示著中國航空動力即將獲得新突破的光明未來。在623所，宏偉壯觀的十數座實驗室裡，同時展開的多型整機與部件強度試驗，使我們深感震撼。在一飛院，研製大型軍民機的既往成就，令人熱血沸騰，而對更新一代裝備的研製部署和起步，更讓人充滿期待。在試飛院寬闊的機場和跑道上，數十型先進新機，此升彼降，科研試飛和鑑定試飛的節奏從未像今天這樣密集。

學會和期刊同仁將永記這次難忘的逐夢行。

我們還會再來的，我們還將走進更多的廠所。

火熱的科研生產一線是創新熱浪奔湧的主戰場，是我們學習和獲取知識的大課堂，也是學會做好服務工作、編輯部辦好刊物的靈感與激情的不竭源泉。

（二）關於計算機發展

按照學習交流活動的安排，也應幾個廠所的要求，我做了《關於顛覆性技術與航空創新發展》的講座。為滿足不同單位的個性化需要，我分別就不同專業發展的現狀與方向，彙報了自己的學習心得。在這篇微文裡，把對計算機和強度技術發展的粗淺認識整理釋出，希望得到批評指正。其中個別問題、如量子計算和量子計算機，太過深奧，純為初學。拋磚引玉，希望引發大家的興趣與探究。

（1）人類自1946年發明計算機，已經歷四代

第一代為電子管計算機（1946-1957），採用電子管元件作基本器件，用光屏管或汞延時電路作儲存器，輸入輸出採用穿孔卡片或紙帶；使用機器語言或組合語言編寫應用程式。

第二代為電晶體計算機（1958-1964），由電晶體代替電子管作為計算機基礎器件，用磁芯或磁鼓作儲存器；使用如Fortran、Cobol、Algo160等高階語言。

第三代為中小規模積體電路計算機（1965-1971），中小規模積體電路為基礎器件，主儲存器採用半導體儲存器；有了標準化的程式設計語言和人機會話式的Basic語言。

第四代為大規模和超大規模積體電路計算機（1971-2014），大規模積體電路成為基礎器件，大容量半導體儲存器為記憶體儲器，發展了並行技術和多機系統，出現了精簡指令集計算機（RISC），軟體系統工程化、理論化，程式設計自動化。

（2）我心中的第五代計算機

第五代計算機應是具有人工智慧的新一代計算機，應具有推理、聯想、判斷、決策、學習等功能。目前正在發展程序中。

第五代計算機將把人從重複、枯燥的資訊處理中解脫出來，從而改變我們的工作、生活和學習方式，給人類社會拓展更大的發展空間。

第五代計算機的發展路徑已經開啟。能夠模擬人腦神經元、突觸功能以及其他腦功能的微晶片，已研製成功。

傳統的計算機關注語言和分析思考，而神經突觸核心能夠感知和識別形狀，形成新的“整體計算智慧”。

新一代計算機將在模式識別、語言處理、句式分析和語義分析的綜合處理能力上獲得重大突破。應能識別孤立單詞、連續單詞、連續語言和特定或非特定物件的自然語言（包括口語）；鍵盤和滑鼠的時代將告結束。

在第五代計算機的支撐下，現代社會中的計算機、網路、通訊將三位一體化。

（3）我心中的第六代計算機

第六代計算機應該是基於生物計算的神經元計算機，或稱生物計算機，擁有類腦的智慧和靈活性，具有體積小、運算速度快、儲存容量大、低阻抗、低能耗等優點。

根據生物分子材料對資訊的傳輸、處理、儲存機理而設計的生物計算機，是計算機世界最年輕的分支與前沿，有可能成為21世紀人類的偉大科技工程之一。

以往的資訊處理系統只能處理條理清晰、脈絡分明的資料，而人的大腦活動具有能處理零碎、含糊不清資訊的靈活性。

與以邏輯處理為主的第五代計算機不同，第六代計算機可以判斷物件的性質與狀態，能採取相應的行動，可同時並行處理實時變化的大量資料。

其基礎器件是生物晶片——以藉助生物工程技術生產的蛋白質分子為材料，所生產的生物積體電路。由蛋白質構成的積體電路，其大小隻相當於同樣功能矽片積體電路的十萬分之一，其執行速度達10的-11次方秒，可超過人腦的思維速度。

在生物晶片中，資訊以波的形式傳遞。當波沿著蛋白質分子鏈傳播時，會引起蛋白質分子鏈的鍵結構順序改變。採用生物晶片代替矽晶片，可利用生物細胞間的互相聯絡，構建人工智慧（而不像矽晶片計算機那樣只能建立程式規定的任務能力）。

生物晶片尚在研製中，但生物感測器已獲重大突破。其主要研究方向：一是研製分子計算機，製造有機分子元件以取代半導體器件；二是研究人腦結構與思維規律，構建生物計算機架構。

（4）關於微系統、超導計算機和光計算機

微系統——以微電子技術、射頻和無線電技術、光學和光電子學技術、微機電技術等為主，以微奈米量級的設計／製造技術為基礎，包括微感測器、微作動器、微處理器（控制、資訊等）、微小型器件／裝置等組成的系統或綜合系統；該類系統的出現和應用，對於嵌入式計算機的物理形態可能產生重大影響。

超導計算機——基於超導效應的計算機，其典型特徵是能耗極低。理論計算，超導計算機的耗電僅為半導體器件計算機的幾千分之一，它執行一條指令只需十億分之一秒，比半導體元件快數十倍。

光計算機——利用光訊號表示資訊，使用光學器件完成對光訊號的操作，以致計算全過程，稱光計算機。其特徵為採用光強度、頻率、偏振等特性表示資訊，以透鏡、面鏡、光學薄膜、晶體或光纖等光學器件為基礎器件。光訊號區別於電訊號的特質是：多束光在傳播中發生路徑重疊或交叉時互不干擾，傳輸損耗低，傳輸頻寬高；較磁介質，光學材料質量輕，成本低，易實現高密度資訊儲存。光計算的核心問題是，光學邏輯的實現，即實現光對光的控制。大規模整合全光器件在研製中，工程應用還需漫長路程。

（5）關於量子計算和量子計算機

量子力學證明，個體光子通常不相互作用，但當它們與光學諧腔內的原子聚在一起時，相互間會產生強烈影響。

光子的這種特性可用來發展量子力學效應的資訊處理器件—光學量子邏輯閘，進而製造量子計算機。

二進位制位元有兩種狀態：“0”和“1”，而量子位元（qubit）可同時存在兩種可能的狀態，即“疊加態”。

“疊加”極大地增加可進行資訊編碼的態的數量，“糾纏”則允許多運算平行進行；但必須確保所有的量子位元處於相干態中。

傳統計算機的運算能力隨位元位增加呈線性增長，而量子計算機的運算能力隨量子位元位的增加呈指數增長。

IBM和英特爾公司分別宣稱他們建造了具有50和49量子位元位的量子計算機。（2^10 = 1024，2^50 = 1。1258999068426 × 10的15次方）

2017年10月9日我和四位同事，赴上海，學習考察中科院潘建偉院士團隊，受到潘院士的熱情接待。涉及量子通訊等的內容，另文介紹。但關於量子計算方面，我們得知該團隊目前水平在10量子位元位，正向12量子位元位進軍。

在量子計算真正實現其巨大潛力前，需要克服許多基礎性難題。諸如確保量子位元處於“相干態”、抑制噪聲干擾和解決量子編碼糾錯等。

基本判斷：量子計算和量子計算機的工程實用還有極遠距離，我國未處於該領域世界領先地位。航空科技界需密切關注其進展，但尚不具有獨立或參與自主研製的內在需求與條件。

（6）關於嵌入式計算機系統

機載／彈載計算機，即航空器／航空武器用計算機，多為嵌入式計算機系統（Embedded Computer System），指計算機的軟硬體均嵌入相應應用系統，融為一體，不可分割。

在現代航空器上，嵌入式計算機數量居多，使用環境嚴苛，對體積、重量、功耗等物理指標及安全性要求高。

嵌入式計算機本質上是“專用”計算機，是針對某個特定的應用而設計製造的。以嵌入式計算機為基礎、且軟硬體可裁剪的應用系統，就成為嵌入式系統。

嵌入式系統一般由嵌入式微處理器、外圍硬體裝置、嵌入式作業系統以及使用者的應用程式等四部分組成。

631所由原中科院西北計算所沿革而來，在傳統而紮實的計算技術基礎上，構建了獨有的嵌入式計算機系統的研發與生產能力，已走出了屬於自己、但又是大系統所需要的發展道路。

依託設在631所的航空專用積體電路重點實驗室，已開發出一批急需的航空專用晶片。631所的科技人員埋頭耕耘，自主研發出具有獨立智慧財產權的“嵌入式作業系統”，發展出通用實時類和綜合化支援類兩款作業系統和與之配套的開發環境。這是一項填補空白的重要成果，已獲國家定型，並用於多型航空裝備，正向航天、兵器、軌道交通、工業控制等領域推廣應用。意義重大，可喜可賀！

沿著自己的道路，堅定前行，進一步解決航空計算機系統的自主配套問題，確保航空裝備的健康發展，是我們的神聖使命。

由此說開去，以戰略定力和國家意志，持續解決國產計算機及電子資訊系統“缺心少魂”（“心”指以高階晶片為主的基礎元器件，“魂”指以作業系統為基礎的軟體）問題，時不我待。正確路徑：先解決有無問題，即使效能稍差；進而提升效能，步入世界先進水平。

（三）關於強度專業發

展

在談到關於飛機強度專業發展的認知問題時，我必須說，我的新知幾乎都源自年輕睿智的623所所長王彬文。

2017年11月4日，在由中國航空研究院、中國航空學會、中國力學學會聯合主辦，623所承辦的“第五屆中國航空強度技術發展高峰論壇”上，舉行了《飛機強度技術叢書》首批專著釋出式。王彬文所長在儀式上發表了一篇哲思深邃、文采飛揚的講話，對強度專業的屬性、內涵和發展方向作了創新性的闡釋。

王彬文所長

我細細研讀，他的主要觀點我都贊同，諸如大強度、新強度、數字強度概念的提出，對強度專業領域與內涵的擴充套件定義，強度專業發展中的多學科綜合與最佳化問題，強度所的新使命等等，而他那溢於言表的哲思與文采，也令我佩服有加。大家可以點選文末的“閱讀原文”，連結到王彬文所長這篇精彩講話。我的以下認知，大部分都是王所長的原話。

（1）強度專業的領域屬性

強度專業從力學衍生而來，深耕於工程技術。鑑於飛機強度專業的輸入正從狹義的機械力演進為廣義的自然力，現代飛機強度專業具有廣義力學和航空技術的雙重領域屬性。它既是科學的，又是技術的。隨著飛機由傳統機械系統演變到由現代飛控系統使能的半自動化系統，進而向人機協同和智慧系統方向發展，強度專業將面臨科學與技術的雙面挑戰，在迴應這些挑戰的同時也將被賦予更多新的內涵。

【把自然科學、技術科學和工程科學分開成為三大範疇的觀點值得商榷。

以下一大段文字（藍字部分）是我的基本認識，未在講座中涉及，對彬文所長的基本觀點也無根本性影響。闡述於此，只是為了引起大家注意，透過討論，形成共識。】

科學按其固有含義，包括自然科學（Natural Science）、社會科學（Social Science）和形式科學（Formal Science）三類。自然科學研究物質世界。社會科學研究人與社會。形式科學研究邏輯與數學等，透過提供用於描述世界的結構的資訊以及可能對其進行推論的方式，來幫助自然科學和社會科學。“

自然科學”指人類研究物質世界的全部理論與方法。其任務是研究和解釋自然現象，尋找事物間的關係。自然科學由基礎科學（Basic Science）和應用科學（Applied Sciences）兩大類組成。

基礎科學也被視為純科學，主要包括物理學、化學、生物學、天文學、地球科學等基礎學科，以及由基礎學科發展出的交叉、邊緣學科。把基礎理論轉化為實際運用的科學，被稱為應用科學，其研究的方向性強，目的性明確，與實踐活動的關係密切，直接體現人的需求，但仍保留科學的屬性，不與特定的應用相捆綁。應用科學的主要內容是工程科學（包括力學、運動學、電磁學、工程物理學、設計學、製造學、材料學等）和醫學科學（如醫學微生物學、臨床病毒學、生物醫學等）及其他門類。技術與科學具有明顯不同的性質。

一般說來，科學的任務是認識世界，有所發現，從而增加人類的知識財富；技術的任務是發現世界，有所發明，以促進創造物質財富，豐富人類社會的精神文化生活。科學回答“是什麼”和“為什麼”，技術則回答“做什麼”和“怎麼做”。技術必須滿足諸如效用、可用性和安全性等要求，技術不是科學的自然產物。技術的發展可以借鑑許多知識領域，但必須透過具有明確目標的創造性勞動，才能獲得可實際應用的技術成果。

科學和技術的成果形式也不同。科學成果一般表現為概念、定律、論文等形式；技術成果一般以工藝流程、設計方案、操作方法等形式出現。科學產品一般不具有商業性，而技術成果具有強烈的功利性和商業色彩。

值得注意的發展趨勢是，技術與應用科學的界限日漸模糊。初時，人們強調科學和技術的差異，稱科學是創造知識，而技術是運用知識。如果說基礎科學中的傳統學科，如天、地、生、物、化等，尚符合上述認定的話，作為基礎科學新興部分的交叉、邊緣學科以及廣闊領域的應用科學，它們的任務和成果，已經同技術難以明晰劃分了。應用科學是科學，也可以看作先期技術，因為其成果也能直接作用於物質形態；而技術自身也同樣創造知識。

工業領域的科技工作者主要從事工程科技的研究與應用。工程科技可以認為是應用科學裡的工程科學與用於工程的技術的總稱。其基本任務是解決工程問題，但需順應學科融合之趨勢，注重科學知識的學習積累，使工程技術具有更堅實的科學基礎，並揭示與提升工程技術的科學本質，使其理論化和體系化。

（2）大強度、新強度和數字強度概念的提出

源於力學的強度專業具有很強的基礎性和廣泛的應用性。隨著飛行速度越來越高，使用環境和操控形式越來越複雜，強度專業面臨一系列新問題，促使強度專業的內涵深耕廣拓。

強度的研究物件從較為單一的結構，演進為涵蓋材料、結構、裝置、系統、全狀態飛機的大範疇，稱之為大強度。

強度的研究方向從較為單一的安全性，演進為安全性、穩定性、可靠性、舒適性、適應性等相互交融的寬領域，稱之為新強度。

強度的研究手段從最初的解析法，發展到工程法，再到數值法，21世紀以來，正進入基於模型的數字化階段，稱之為數字強度。

基於上述演進，強度的廣義內涵應是：研究物件在設計狀態下保持其目標品質的能力。

（3） 強度專業發展中的多學科綜合與最佳化

在航空發展程序中，強度專業的發展一直伴隨著飛機（結構）設計準則的變遷，如靜強度設計、安全壽命設計、破損安全設計、損傷容限設計、廣佈疲勞損傷設計等。在大強度、新強度、數字強度的發展推進下，伺服穩定性、結構適墜性、系統可靠性、乘員舒適性、氣候適應性、戰傷生存性等，將成為飛機設計不可或缺的重要元素，進入設計準則。這些元素呈現融合和交叉的特點，多學科綜合與最佳化既是強度專業不斷拓展的新內容，又是發展演進的新特徵。

（4）強度研究所和強度工程師

強度研究所的使命——強度理論的探索者，強度技術的創造者，強度工具的提供者，強度設計的驗證者。

走進型號主戰場，夯實強度研究與試驗的科技基礎。從上世紀末以來20年間，是強度專業發展的黃金時段。在參與研製殲-10、殲-15、殲-20、運-20和C919等新型號中，攻克了一大批強度關鍵技術，構建了完備的積木式驗證體系，形成了系統的強度專業能力。強度專業的研究深度與廣度也進一步拓展，專業體系進一步完善，突破了振動疲勞、空腔噪聲、虛擬試驗等一批基礎瓶頸，攻克了多物理場耦合、飛發一體化、振動主動控制等一批交叉學科研究難題，填補了氣候適應性、結構衝擊、結構/機構可靠性等一批新興專業的建設空白。

強度工程師的科技素養——寬廣縱深的知識結構，豐富的力學與有限元知識，強大的建模和軟體使用能力，對材料、製造、控制、隱身等技術的深刻理解。

（5）關於強度專業的哲學思考

我極喜歡彬文所長講話的最後一段，是哲學思考，又是專業智慧。我抄錄於此，也作為我這篇微文的結束：

強度是最符合東方哲學中庸之道、和諧統一的專業，強而有度，張弛有道，從狹義的機械力到廣義的自然力，強度專業的發展始終充滿著生命力。《禮記·中庸》中講“中立而不倚，強哉矯！”，《道德經》中講“知人者智，自知者明。勝人者有力，自勝者強。”這些都給予我們專業發展無盡的智慧。

科學是一門藝術，強度專業更具韻味，從哲學意義上講，度是萬物之靈魂，對強度而言，度是永恆之追求，過之一分顯拙，欠之一分則險！從藝術與靈魂、韻與恆的角度詮釋強度，是專業的最高境界，“強之韻，度之恆”是強度人永恆的追求，飛機強度技術將在這種追求的歷程中繼往開來，飛機強度專業發展將日新月異。

衷心祝願風雨艱辛後迎來大發展的強度所，薪火相傳，百尺竿頭再進步！也祝願我們走進的這五家廠所，以及航空全線，都能有更大發展，捷報頻傳，創造出無愧於新時代的輝煌業績！