1.1.2 電子機械一甲子

隨著國家對電子裝備機械結構設計需求的不斷提升，一個專門解決電子與信息系統中的機械結構問題的研究領域應運而生，即電子機械工程。

在電子機械工程領域正式出現之前，已經出現了培養這方面高級專門人才的專業，這就是成立于1963年的西軍電（中國人民解放軍軍事電信工程學院，簡稱西軍電；1988年更名為西安電子科技大學，簡稱西電）的“無線電設備結構設計與工藝”本科專業。該專業是我國最早建立的以機為主、機電結合的交叉與邊緣學科之一，其代表人物是當時在西軍電執教的以葉尚輝教授為代表的老一輩專家學者。之后，國內有多所高等院校也相繼設立了同類專業，包括成都電訊工程學院（現名電子科技大學）、南京工學院（現名東南大學）、上海科技大學（現名上海大學）、北京郵電大學、桂林電子科技大學、杭州電子科技大學、北京信息科技大學等。

1978年國家恢復研究生招生時，本學科（西軍電）積極響應，招收了第一批碩士研究生。葉尚輝教授于1983年被國家遴選為本學科的博士生導師，同年入圍國務院學位委員會（電子）機械工程學科評議組成員，1986年西軍電成為我國電子機械工程領域的第一個博士學位授權點。之后，相繼有多所大學獲批博士學位授權點，我國電子機械工程領域進入發展的快車道。

經過一甲子的不懈奮斗，我國電子機械工程學科專業，堅持面向國際學術前沿與國家重大需求，潛心電子機械工程領域高級專門技術人才的培養，取得了長足進步，如先后構建了包括機械設計制造及其自動化、測控技術與儀器、自動化、電子封裝技術在內的專業群和（電子）機械工程、控制科學與工程、儀器科學與技術構成的學科群，初步形成了機電交叉特色鮮明的人才培養體系。

為進一步推進我國電子機械領域科學研究、學術交流、人才培養工作，電子機械工程分會于1981年秋季在承德成立，它隸屬于中國電子學會，周文盛局長為第一屆學會主任委員，如圖1-2所示。電子機械工程分會于1985年創建了學會會刊《電子機械工程》，為廣大電子機械技術人員開辟了專門的學術交流園地，葉尚輝教授任首屆編委會主任。1988年，電子機械工程分會領銜召開了我國首屆機電一體化國際學術會議，該會議由我國13個一級學會聯合召開，取得了巨大成功。

接下來，電子機械工程領域的科學研究與工程應用也同步取得了快速發展，并逐步融入了國際學科主流、進入了國際學術前沿。尤其在大口徑天線方面的研究表現突出，如在20世紀60年代完成我國5m口徑輪軌式反射面天線研制的基礎上，積極瞄準國際天線研究的前沿領域發力；20世紀70年代開展了我國第一臺毫米波射電望遠鏡天線和第一臺10m輪軌式地面站天線座的研制；20世紀80年代，提出并進行了大型天線保型優化設計、天線機電綜合設計的研究工作。在電子裝備結構計算機輔助設計、分析與優化領域取得了一批重要成果。研制了我國首臺25m輪軌天線，現在仍服役于新疆天文臺；20世紀90年代，在機電耦合理論與方法、柔性結構控制、多柔體動力學、多學科設計優化等領域開展了深入研究，取得了一批有顯示度的科研成果，實力顯著增強。

圖1-2 電子機械工程分會（承德）成立大會合影

進入21世紀，更有一批世界領先水平的大口徑天線落成，如已運行的中國天眼FAST 500m口徑射電望遠鏡，探月工程的40m口徑S/X雙頻段天線（云南），天問一號66m口徑S/X/雙頻段波束波導（佳木斯）、35m口徑S/X/Ka三頻段（新疆喀什）以及70m口徑S/X/Ku三頻段（天津武青）全可動天線，甚長基線（VLBI）測軌分系統65m口徑（上海TM）射電望遠鏡天線，以及建設中的全球最大的全可動天線——QTT110m口徑射電望遠鏡（新疆），其工作頻段已從早期的L、S頻段（1～4GHz）發展到現在的X頻段（8～12GHz）、Ka頻段（27～40GHz）甚至W頻段（80～100GHz）。而根據傳統的天線理論，天線反射面的形面誤差（RMS）一般要求不超過工作波長的1/30。以建設中的QTT110m口徑射電望遠鏡為例，要達到115GHz的觀測頻率，其形面誤差（RMS）初期要達到0.3mm，長期穩定運行時要達到0.2mm。這對一個接收反射面積達22個籃球場、30層樓高、5500t重的全可動的超大金屬結構而言，挑戰之大可想而知。此外，穩定、精準的伺服控制也是保證其指向精度的關鍵因素，如QTT110m口徑射電望遠鏡，其迎風面積高達10920m2，但要求在6級風時具備0.001°/s的低速跟蹤能力和2.5角秒的指向精度。

更為重要的是，電子裝備機械結構設計的代際演進加快，無論從設計理念、設計方法乃至設計手段上，都取得了較快的發展。概括起來講，電子裝備設計經歷了三個主要階段，即機電分離（Independent between Mechanical and Electronic Technologies，IMET）、機電綜合（Syntheses between Mechanical and Electronic Technologies，SMET）設計乃至機電耦合（Coupling between Mechanical and Electronic Technologies，CMET）設計。在這三個階段中，分析的信息還是共享的，但共享的層面不同，如對IMET，信息要靠人為傳遞，因而效率、準確性與完備性受到限制。

在傳統設計中，機械結構（包括熱）與電磁（氣）設計是分離進行的。具體步驟是，電磁（氣）設計人員依據工作頻段與服役環境，提出對機械結構設計與制造精度的要求，而機械結構工程師的任務就是千方百計地去滿足這一要求，帶有較大的盲目性。這就帶來兩個問題：一是電磁（氣）設計人員提出的設計與制造精度太高，往往超出機械結構設計與制造的能力；二是有時機械結構精度要求滿足了，而電性能卻不滿足。這導致電子裝備研制的周期長、成本高、結構笨重，嚴重制約了其整體性能的提高并影響下一代裝備的研制。機電分離設計是1980年以前的事情，因為那時電子裝備的工作頻段較低，傳統的分離設計還可以滿足要求。第二階段為1980—2010年，隨著工作頻段的提高，機電之間的相互影響明顯了，機電分離設計遇到的問題越來越多，無法滿足要求，于是出現了機電綜合設計。2010年以后，不僅工作頻段進一步提高，帶寬加大，而且組裝密度越來越高、體積越來越小。這使得機電之間的聯系更為緊密、密不可分，呈現出強耦合的特征，從而進入機電耦合設計的新階段。