李旺

首页 >科教 >科技英才 > 正文

房建成:空天报国敢为人先

中华英才 作者:荣庆春 董玲 2018-11-27 18:54

核心提示: 本刊专访北京航空航天大学副校长房建成。

682091
2012年,房建成在惯性技术实验室

以无怨无悔的奉献精神、精益求精的工匠精神和顽强攻坚的战斗精神,围绕国家战略需求,在发展中奋进、在跨越中腾飞。中科院院士、北京航空航天大学副校长房建成志存高远、心系祖国,始终瞄准国家重大战略需求,服务祖国国防建设和国民经济建设。他坚持不懈,打破国际封锁,为我国研制出一系列拥有自主知识产权的重要科技成果;他言传身教,培养高层次创新人才,带出了一支敢打敢拼、持之以恒的研究团队;他勇于创新,引领我国量子传感领域研究,带领团队勇攀国防科技高峰;他谦和质朴,甘于奉献,始终以“永不停转”的陀螺精神实践着对党、对国家和对科学事业的坚持,以及对人生的崇高追求。

永恒的“陀螺精神”和三代北航人的“陀螺梦”

房建成,1965年出生于被无数革命后人誉为“两战圣地、红色沂蒙”的沂蒙山区,在沂蒙地区,自古名人辈出、灿若群星。在这片钟灵毓秀的神奇土地上孕育出宗圣曾子、算圣刘洪、智圣诸葛亮、书圣王羲之、孝圣王祥、东晋一代名相王导、书法家王献之、颜真卿等众多光照千秋的名人志士。在这片红色的沃土上,房建成自小就继承了沂蒙人吃苦耐劳、勇往直前、永不服输、无私奉献、敢于胜利的沂蒙精神。

682092
2008年,房建成(左二)在何梁何利基金颁奖现场接受采访

1988年,房建成从西安交通大学自动控制专业获得硕士学位以后,进入中国人民解放军海军潜艇学院工作。1999年,房建成博士后出站以后经解放军总政治部特批,作为国防科技工业急需人才转业跨入北京航空航天大学,正是从那时起,房建成把自己的命运与国家的航空航天事业紧紧联系在一起,走上了一条探索地球空间,研制磁悬浮飞轮的道路。

中国人飞翔太空的梦想已经太久了。从嫦娥奔月的神话,到牛郎织女的爱情故事,从孙悟空大闹天宫,到七仙女在人间寻找幸福,无不寄托着人们对美好生活的憧憬。作为北京航空航天大学的教授,房建成就是让美梦成为现实的人。他和他的团队怀着一腔报国热忱,搭建了一条人间通往太空的道路,使中国人的飞天梦想得以实现。

“陀螺”古已有之,最初只是一种玩具。像杂技里的转碟、耍盘子、扔帽子,飞速旋转的芭蕾舞,就是利用了陀螺原理。我们周围的世界中,到处可以看到陀螺。小到原子,大到地球,到处都是旋转的“陀螺”。帮助中国卫星和空间站在太空保持稳定姿态的“磁悬浮飞轮”与“磁悬浮控制力矩陀螺”则是房建成他们对我国新一代卫星和载人航天工程的重要贡献。

量子陀螺仪——国际最前沿的量子测量技术。是一种设计结构复杂、具有极高精密度的惯性导航定位系统。它可以自主测定物体的位置、速度、姿态、方向等数据,就像给移动中的物体装上了眼睛。无论洲际导弹,还是战略核潜艇,都需要高精度的陀螺仪。正因为陀螺仪在国防科技领域居于核心地位,因此国外对任何国家都是严密封锁和禁运的,必须靠我们自己来研究和攻克。

上世纪50年代,由于“两弹一星”工程的重要需求,在钱学森的提议下,1952年,中国惯性技术奠基人之一的林士谔先生在北京航空学院(今“北京航空航天大学”)设立了国内第一个航空陀螺惯导专业,并于1956年建立了我国第一个陀螺惯性导航实验室。从那时起,国家的重大需求就始终是实验室的研究方向,是北航陀螺人的责任和使命。房建成教授作为北航第三代陀螺技术带头人,在长期的科学研究实践中,始终坚持围绕国家重大需求、重大工程等科学问题,瞄准关键技术瓶颈,持之以恒,不懈努力。

“护驾”中国高分辨率卫星,研制成功星载磁悬浮飞轮

房建成教授和他的团队面对的第一个挑战,是“护驾”中国的高分辨率卫星在太空中飞得更久、更高、更稳定。怀着空天报国的热忱,十年磨一剑的努力,团队研制出了两类用于卫星和空间站姿态控制的惯性执行机构——磁悬浮飞轮和磁悬浮控制力矩陀螺。

682099
2013年,房建成(左五)作为团长带队参观剑桥大学卡文迪许实验室

飞轮是卫星在太空实现姿态稳定的关键控制部件,卫星的飞行轨道很高,姿态稍有不稳,就无法实现对地面的高精度观测。这就好比我们用相机拍照片,手一抖,照片就模糊了,更何况要在十万八千里外让照片不模糊。上世纪末,我国虽然掌握了基于机械轴承的飞轮技术,但机械轴承飞轮有接触摩擦、精度低,成为严重制约我国卫星姿态精度进一步提高的瓶颈问题,也是卫星寿命从几年向几十年跨越的关键技术问题之一。西方国家为解决卫星的高精度和长寿命问题,从上世纪80年代就开展了卫星用磁悬浮飞轮技术的研究,但作为高新技术,对我国一直实行严密封锁。

为了打破国外的技术封锁和解决高精度长寿命航天器姿态控制的“卡脖子”问题,房建成自1998年在北京航空航天大学做博士后期间开始了磁悬浮惯性执行机构技术的研究。刚开始做这件事的时候,没有资料、没有经费、技术基础薄弱、风险更是无从计量,但房建成硬是凭着一股倔劲,凭着“永不停转”的陀螺精神,带领一支最初仅有5人的团队,向这一目标发起了冲击。

“尖端技术国外严密封锁,引不进、买不来,只能靠自主创新解决。当时国内大多数专家认为他们想搞的磁悬浮控制力矩陀螺和磁悬浮飞轮技术太先进了,国内没有基础,担心研制不成。怎么办?只有靠自己干,不能怕!我们必须得做出来,没有别的选择!”房建成坚定地说。他和团队成员在实验室度过了不知多少个四时不分、昼夜不觉的日子,加班连轴转成为日常,陪家人和孩子却似乎成为一种奢侈。有时,他一周工作时间长达100多个小时,可是仍嫌自己做得太少了,太慢了,肩上扛着沉甸甸的责任和期望,是的,不论付什么样的代价,都必须把它干出来!

682094
2008年,房建成教授获得了何梁何利基金“科学与技术成就奖”

2002年,磁悬浮陀螺技术攻关进入到了关键时期,但当时陀螺失稳的问题还没有攻克。由于陀螺旋转的速度非常高,一旦失稳,会有很大的危险。有一次,转速提升到每分钟两万转的磁悬浮陀螺突然失稳,掉了下来,摩擦高温瞬间就把保护装置都烧焦了,整个实验室弥漫着呛人的焦味。研究团队的每一个人都沉默了。博士生们回忆说:“那次事故,房老师一句话都没说,加强保护接着干!他认准的事不管多难,一定要成功,从来就没见他泄气过。”

“那段时间,我们所有人在实验室走动都是轻手轻脚的,生怕因为震动导致正在高速旋转的陀螺再次失稳。”回忆起当时的工作情形,房建成教授记忆犹新。战术上的“担惊受怕”并没有动摇战略上的矢志不渝。房建成带领团队顶住压力,不断加强防护装置:在陀螺的边上加上防护栏,加装强度更高的不锈钢罩……一遍遍测试、一组一组地搜索参数。他常常是带上所有老师和学生一起试验到深夜,交流讨论核心技术。

2003年的“非典”时期,团队的项目研发进入攻坚阶段,由于疫情的原因,商场关门、学校放假,以往热闹非凡的公共场所都萧条下来,学校、家人、朋友都非常担心他们的健康和安全,劝他们先暂缓研究,等疫情平稳之后再说,但房建成教授和团队成员却不为所动,没有一个人请假或退出,继续夜以继日地坚守着自己的阵地,进行着一场看不见硝烟的鏖战。

682095
2008年,房建成(右)同徐惠彬校长在何梁何利基金颁奖现场

房建成说,那时候经常工作到晚上12点,发现一个问题,必须再重复一次实验,一做实验就天亮了。但当时我们的精神状态非常好,当时我想这个东西它太关键了,咱们国家早晚必须把它干出来,10年不行,20年,必须把它干出来!“非典”时期学校封校,顾不得教授的尊严,冒着被门卫训斥的尴尬,他和团队成员翻墙钻门,溜进实验室,“身材瘦一些的可以从大铁门的门缝里钻进来,钻不进来的只能从大铁门或者院墙上翻了,可以说是各显神通——大家也权当锻炼身体了”,房教授幽默地笑了笑,不以为苦反以为乐。

经过十多年的艰苦奋斗,自主创新,他们硬是研制出了国内首台新型磁悬浮姿控/储能两用飞轮。不仅干出来了,而且干得比国外还好,方案更新,性能更先进。靠着自主创新研制的磁悬浮惯性飞轮可使我国卫星寿命和姿态稳定控制精度有显著提高,对实现我国卫星高精度长寿命的跨越式发展具有重要作用。2007年,房建成教授主持完成的“卫星新型姿控储能两用飞轮技术”项目荣获国家技术发明一等奖,并于2008年1月8日在人民大会堂接受时任国家主席胡锦涛亲自颁奖。2008年,房建成教授获得了何梁何利基金“科学与技术成就奖”,他主持完成的“航天器姿态控制新型惯性执行机构技术”项目被评选为2008年度“中国高等学校十大科技进展”,2009年获第一届国防科技工业杰出人才奖。

此后,他带领科研团队先后研制成功我国首台五自由度主动控制磁悬浮飞轮、我国首台大型、首台中型单框架磁悬浮控制力矩陀螺和小型双框架磁悬浮控制力矩陀螺,使我国在该技术领域跨入国际先进行列。其中,五自由度主动控制磁悬浮飞轮2012年在实践九号卫星搭载升空,至今顺利在轨运行,试验圆满成功。

“国之重器” 高精度位置姿态测量系统横空出世

十年磨剑终成锋,一朝出鞘风云动。都说“十年磨一剑”,房建成教授带领团队经年累月孜孜不倦的付出,用十年的时间,磨出两把宝剑,支撑国之重器。这第二剑,就是和磁悬浮飞轮几乎同时期研制成功的高精度位置姿态测量系统。

682096
2013年,房建成(右)同曼彻斯特大学杨武强教授交流 

航空遥感是我国高分辨率对地观测重大专项的重要组成部分,是国土精确测绘、自然灾害与环境监测和军事侦察等领域不可替代的高技术装备。航空遥感若要实现清晰成像,就必须要求飞机作理想匀速直线运动,但事实上,飞机的飞行环境不同于卫星的真空环境,会不断受到空气密度、湿度、湍流、阵风等因素影响,无法实现理想的匀速直线运动,导致遥感成像质量严重下降、甚至无法成像。因此,必须对遥感载荷的运动参数进行精确的测量,并在遥感成像中进行高精度补偿,才能够实现高分辨率遥感成像。

基于捷联惯性/卫星组合测量技术的机载位置姿态测量系统(POS)能够精确的测量遥感载荷的位置、速度、姿态等全部运动参数,是实现遥感成像高精度运动补偿的关键。成像分辨率越高,对机载POS的精度要求越高。但是,高精度的机载POS系统始终受到国外的严密技术封锁。我国高分辨率航空遥感系统与欧美先进水平存在很大差距,其重要原因是缺乏用于高精度成像运动补偿的机载POS,高精度机载POS已经成为制约我国高分辨率航空遥感技术跨越的技术瓶颈。

为了打破国外技术封锁,解决制约我国高分辨率航空遥感的瓶颈问题,上世纪90年代末,房建成教授带领科研团队自主创新,在国内率先开展高精度位置和姿态测量系统研究,他始终奋战在科研第一线,亲历科研过程中出现的问题,他常对青年教师和研究生讲,应该注意从国家重大需求、重大工程中凝练科学问题,发现关键技术瓶颈。对待问题要“知其然,更要知其所以然”,只有认识了问题的机理和本质,找到科学的方法,才能真正地解决工程实际问题。在他的指导和带领下,团队经过近十年的刻苦攻关,逐一解决了制约机载高精度POS性能的关键技术问题,主持研制成功高性能捷联惯性测量装置。在此基础上,他带领团队系统地开展了捷联惯性/卫星组合测量技术研究,主持研制成功了“机载高分辨率SAR运动补偿用捷联惯性/DGPS组合导航系统”,填补了机载POS国内空白。

682098
2013年,房建成(前左)同509所张伟所长签署联合实验室协议

房建成教授秉持着“国外有的技术我们国家要有,国外没有的我们要敢于创新”的理念,机载POS研究没有终止符,始终在路上。“十一五”以来,他作为首席科学家主持了国家“973”计划等国家级重大重点项目,带领团队攻克了平台运动误差高精度实时估计等基础理论难题,在国内首次研制成功机载高精度光纤陀螺POS和激光陀螺POS,达到了国外同类产品的最高精度水平。

他研究机载POS的目的不仅是要做出样机,更重要的是还要服务实际工程应用,满足国家重大亟需。十余年来,他带领的科研团队历经北京、海南、广州、安徽、山东、山西、内蒙古、河南、陕西、甘肃等多省市,与航空遥感载荷科研及工业部门合作完成200余架次机载POS与航空遥感载荷联合飞行验证试验及应用任务,成功应用于中科院电子所研制的机载合成孔径雷达系统,为我国机载SAR成像分辨率从3米提高到0.5米发挥了关键作用。该项成果使我国在机载SAR高分辨率成像方面居于国际先进水平。研究成果获2007年国家科技进步二等奖项。

通过在技术前沿和产业高端的产学研合作创新,其成果已经成功应用于导航、遥感及资源开发等领域,名副其实地攀登当代科学技术高峰,为我国高分辨率航空遥感技术做出突出贡献。

开创引领我国量子精密测量领域技术发展

在科研探索之旅上,创新精神和勇气弥足珍贵。 “我们曾多次尝试与国外机构合作,但屡屡碰壁。”房建成教授说,“事实告诉我们,真正的关键技术是引不进、买不来的,只能靠自主创新。”正因为认识明确,房建成教授和他的团队更加坚定了打破国外层层技术封锁、独立解决技术难题的信念与勇气,开始了磁悬浮飞轮和控制力矩陀螺的研究。

682101
2015年,房建成和学生一起郊游

精密测量技术作为信息获取的源头,是赢得现代信息化战争胜利的重要保障。高灵敏度的精密测量技术已成为人类获取准确信息,探索未知领域的重要手段。近年来,随着量子光学、原子物理、激光技术、低温技术等现代物理学和相关技术的发展,以及自1997年以来的四次量子领域的诺贝尔奖研究成果,使得精密测量技术已经进入量子时代。量子精密测量作为未来信息技术和整个信息产业革命性变革的核心推动力,将对整个信息产业产生重大的影响,未来将会在国民经济建设和国防建设中发挥重大的作用。

百尺竿头,更进一步。过去的荣誉和成绩没有让房建成教授满足或放慢脚步、享受生活,反而成为了激励房建成教授不断前进,从跟跑国外技术到力争实现并跑的动力。可以说,对国家的责任感和对科学执着的热爱是他不断挑战自我的源泉。凭借着对科学敏锐的洞察力,2008年,43岁的房建成教授带领科研团队,瞄准国际学术前沿,勇于探索和创新,开始了全新的、国内空白的量子精密测量技术的研究攻关;2012年作为基金委国家重大科研仪器设备研制专项“基于原子自旋效应的超高灵敏磁场与惯性测量实验研究装置”首席科学家和项目负责人,瞄准量子态精密闭环操控这一科学难题,带领团队攻克了系列关键技术,研制成功国内首套基于原子自旋效应的超高灵敏磁场和惯性测量实验研究装置,达到了国际领先水平的测量灵敏度。在此基础上,他带领团队又研制成功国内首台原子自旋陀螺仪原理样机,实现了同国际公开报道指标相当的漂移指标,在国内开辟了超高灵敏原子自旋磁场和惯性测量技术的新方向。

682100
2008年,房建成在实验室进行技术研讨

说到这个原子自旋陀螺,房建成教授说:“以前做磁悬浮飞轮,那是先进国家早就有的,只是人家不愿告诉我们,我们自己攻关,终于赶上了他们,并于2007年获得了国家技术发明一等奖。现在原子陀螺仪可就大不相同了,他们也是刚刚起步,我们终于和他们站在同一起跑线上竞技了!我们一定要加把劲,冲到前面去!”正是凭着这种“勇于探索,坚持不懈”的科研精神,房建成教授带领着团队在科研道路上越攀越高。

原子自旋陀螺作为国际学术前沿技术,没有国外成功的案例可循,只能靠勇于探索、大胆尝试、自主创新来实现。2016年,当时原子自旋陀螺两个测量轴的耦合问题还没有有效解决,即输出轴耦合了另外一个轴的角速率,如果不进行解耦,将直接导致输出轴数据的不可用;特别在2016年年中一个项目的验收测试阶段,由于前期关键器件国外采购和系统机械加工周期超出计划,导致整机联调及优化时间特别紧张,但往往越着急越容易出现各种问题,往常平稳的输出信号突然由于一个随机的干扰导致不规则的异常波动,一直查不出原因,又临近项目验收日,整个实验室都处于极度紧张的氛围。他的学生回忆说:“那次经历,真正领会了房老师作为‘资深战略科学家’的临危不惧,大战在即依然有推倒重来的勇气和信心,最终带领大家找到问题及解决方案,他认准的事不管问题多难任务多艰巨,坚定信念一定要成功,从来就没见他退缩过。”

由于原子自旋陀螺是利用原子自旋效应通过量子操控实现角速率测量的,灵敏度特别高,相应地对外界力、电、光、磁、热等干扰因素也非常的敏感;房建成教授带领团队并没有被困难吓倒,面对问题寻根溯源对前期数据仔细分析后,制定不同的验证方案,进行验证排查……一遍遍测试、一组组分析。他带领着年轻老师和学生顶着压力常常一起熬到凌晨,有时为了想明白一个数据曲线通宵达旦工作,这种状态一直持续了两个多月;通过反复交流讨论梳理,逐项开展验证,在大量的测量数据分析中,他们发现并解决了问题,最终完成了样机研制的任务指标要求,达到了国际领先水平;这个实验是在大棚完成的,房建成教授说,这是他们团队“永不停转的陀螺精神”的延续,一种新的精神:“大棚精神”,这种精神一直激励着他们攻克了接下来的一个又一个技术难关,引领了国内量子精密测量技术的发展。

建设扎根中国大地的世界一流大学

2015年12月,房建成教授任北京航空航天大学副校长,如何把学院学科建设和科技创新的成功经验和模式带到学校来,带领北航所有学科和科研团队蓬勃发展,这是“房院长”变成“房校长”后思考最多的问题。履职近三年来,他勇于担当、全身心投入、不惧压力和挑战,承担学校学科建设、科学研究和校地合作拓展等多项重要工作。

682093
2012年,房建成在实验室指导学生

房建成是地地道道的“国产”教授,他没有国外求学的经历,从本科到博士后都是在国内高校中完成的。作为一名教师,房建成平均每学年都要承担一门本科生专业课、三门硕士生专业基础课和一门博士生专业综合课。房建成主讲的“惯性器件原理”被评为2008年北京市精品课程,2009年荣获北京市教学成果奖。2009年荣获全国杰出专业技术人才称号和全国“五一”劳动奖章。先进惯性仪表与导航技术创新团队属于北航精密仪器及机械国家重点学科,该学科是北航最早的五个国家重点学科之一,其前身为我国第一个航空陀螺与惯性导航专业,经过近五十年的发展,该学科已发展成为我国惯性技术的发源地和自主创新的摇篮,而房建成对这个专业的贡献则功不可没。

房建成说:“一个大学是否优秀,并不单单要看这个大学有多少辉煌的科研成绩,更重要的要看她能够培养出多少对社会、对民族、对人类有用的人才。”如今,已经有50名硕士生和博士生先后从房建成的门下毕业。功夫不负有心人,辛勤的汗水终于换来了累累硕果。到目前为止,房建成已培养出多名创新能力强的优秀硕士生、博士生和博士后。培养的博士研究生7人获国家级科技奖励,其中4人获国家技术发明一等奖,1人获国家科技进步二等奖,10人次获省部级科技奖励。博士生孙津济申请国家发明专利43项,已授权20项,在第十七届全国发明展览会上荣获金奖,并获世界知识产权组织(WIPO)设立的杰出青年发明者奖。而由房建成所领导的仪器科学与光电工程学院,更是在短短6年时间里,成为北京航空航天大学成立时间最短、取得突出成绩的学院。

记者有幸参观了房建成任主任的惯性技术国防科技重点实验室、新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室。党和国家领导人曾到这个实验室参观过,对北航的人才培养和科学研究工作予以充分肯定。

在科学研究方面,他身体力行的传承和发扬“北航精神”,坚持北航“大团队、大平台、大项目、大成果”的“四大”科技创新模式,多梯次、分阶段、可持续的开展高端成果培育计划,对长期积累形成的科研成果进行挖掘、凝练和升华。2016年,北航作为第一完成单位获得国家奖6项,全国高校排名第四;2017年,学校再创新高,作为第一完成单位获得国家奖7项,位列全国高校第二。进入新世纪以来,北航累计获得国家科技奖励一等奖12项,全国高校并列第一;其中,国家科技发明一等奖7项,全国第一。他还组织实施了青年拔尖人才支持计划,鼓励和支持青年教师开展基础前沿研究,使得北航的青年高端人才增速位居全国高校前列。他深化新时代北航科研体制机制改革,组建前沿科学技术创新研究院,建立专职科研队伍。他带领全校师生大力开展医工交叉,组建“医工交叉创新研究院”,获批多个北京市高精尖中心,与首都多家顶级医院和企业协同创新,打造中国“医工硅谷”。

682090
2013年,主持学院建院十周年学术论坛

在军民融合的大背景下,如何把北航的科技成果应用于民用领域,带动先进制造业发展,服务于国民经济增长,一直是房建成副校长时刻思索的问题。两年来,他主动作为,年均出差50余次,带头走出学院路(北航校区所在地)、走出北京城。在浙江台州,北航投产的“天鹰外贸出口型无人机”首架飞机已经于2017年11月13日成功下线,通航产业园正在紧锣密鼓的建设中。在山东东营,国产ARJ-21客机搭载北航和商飞联合研制的北斗导航机载设备的飞行试验于2017年10月14日首飞成功。在四川成都,北航航空发动机高温结构材料与涂层技术落地,与5719厂、624厂、东方汽轮机厂直接开展产学研合作,已经产生经济效益,这也是成都首个国家科技奖励一等奖产业化项目。在云南昆明,北航落地新型临近空间飞艇项目,这一世界领先技术将直接服务于云南省“智慧边境”网络信息系统建设。在浙江杭州,北航建设网络空间安全学院杭州分院,积极与之江实验室和信息技术企业开展战略合作。这样的例子还有很多,在祖国西部、在边境线上、在长三角地区、在珠三角地区,都有他带领北航研发团队积极推进校地合作的身影。他在用实际行动,践行习总书记“把论文写在祖国的大地上”的号召。

时至今日,怀抱着“服务国家,敢为人先,持之以恒,团队协作”的初心,房建成教授依然忙碌在实验室中,忙碌在北航的各项发展事业里。作为学术带头人、科学院院士,他不懈努力,希望能带领团队率先研制成功世界首台量子陀螺仪,实现我国陀螺技术从跟跑,到并跑,再向领跑的跨越。作为副校长,他更是兢兢业业、废寝忘食,把北航建设成为扎根中国大地的世界一流大学。

房建成简介

房建成,中国科学院院士,导航、制导与控制专家。1965年9月出生,山东临沂人,中共党员。“国家杰出青年科学基金”获得者,教育部“长江学者特聘教授”。现任北京航空航天大学副校长、党委常委。

(2018.11.16 第22期)