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从“燃烧”到“灭燃”——记2017年国家技术发明二等奖获得者杨立军及其团队

点击数:    |    加入时间:2018-01-30

从“燃烧”到“灭燃”

——记2017年国家技术发明二等奖获得者杨立军及其团队

记者 孔祥明

2018年1月8日上午,中共中央、国务院在北京隆重举行国家科学技术奖励大会。来自北京航空航天大学的“多物理效应协同雾化水灭火系统关键技术及应用”获得国家技术发明二等奖。

“懂得燃烧才能知道如何消灭燃烧。”项目第一完成人杨立军教授微笑着,说起自己20年的科研之路,从研究“燃烧”到成功“消灭燃烧”,侃侃而谈,如数家珍,仿佛一切就在眼前,历历在目。

2018年1月8日,杨立军在国家科学技术奖励大会现场

杨立军,北京航空航天大学宇航学院教授、博士生导师、院长,科学技术研究院副院长兼基础处处长,国家杰出青年科学基金获得者,教育部“长江学者”特聘教授。1992年获北航航空发动机专业学士学位,1995年获北航流体机械及流体动力工程硕士学位,2004年获北航航空宇航推进理论与工程专业博士学位。1995年至1997年赴俄罗斯波罗的海技术大学访问学习,2000年至2001年赴俄罗斯莫斯科航空学院访问学习。长期从事非牛顿流体力学、燃烧不稳定性机理研究,并取得了卓越成绩。

说到灭火大家都不陌生,然而“工业消防”面临着更为复杂的灭火工况,特别是在封闭空间,如舰艇内部、地下油库、电缆通道等,着火后几十秒时间就会发生爆燃甚至引发爆炸;此前能在几十秒内完成灭火的的高效灭火剂只有卤代烷,而卤代烷因毒性原因,已在全球禁用。发明一种安全环保、高效快速的灭火技术成为国家战略的迫切需求。

如何将安全无毒的水,转化为密闭空间的快速灭火利器?问题看似简单,从理论到实践的路却荆棘遍地。带着对国家需求的热切期望,杨立军教授带领团队瞄准雾化水灭火技术这一目标,一干就是20年。

使命担当——“燃烧起家”的“灭火专家”

水被分散成大量水滴,变成雾化水,具有吸热降温、蒸发隔氧能力,且安全环保,因此,雾化水被认为是最有前景的灭火替代技术。自1995年起,杨立军教授带领团队采取逆向思维,以燃烧专家的身份开始研究如何消灭燃烧,致力于将航空、航天发动机的喷雾燃烧技术转化为灭火技术。

液体火灾标准模型

团队针对国际雾化水灭火中的“小火灭火难、低压粒径粗、细滴输送难”3个核心技术瓶颈展开研究。雾化技术领域最大的技术难题就是如果液滴直径较大,则蒸发速度太慢,影响灭火速度,而液滴直径较小,则难以把液滴喷射到更远的距离,同样会降低灭火效率,这是一对难以兼顾的根本性矛盾。为此,团队开展了数千次燃烧实验,受制于火灾实验的破坏性和不可逆性,“不知道烧掉了多少东西”,一举攻克上述技术难题。发明了低压条件下将水超细雾化的喷嘴,与国外最先进的喷嘴相比,液滴直径减小40%;以气水雾系统代替原有高压系统,用1/10的压强提高三倍的喷射速度;形成气-热-雾多物理效应协同灭火关键技术及系统,成功解决看似无法攻克的技术矛盾,灭火时间仅为国外同类产品的1/10;成果中大量使用航天设计思想和技术,例如民用灭火器一贯都是单喷嘴,只能喷发同样大小、方向、速度的液滴,保护面积受到限制,研究陷入困境。杨立军教授从火箭发动机喷嘴得到启发,将多喷嘴设计思想引入到喷雾灭火器喷嘴设计中,一个中心喷嘴加六个辅助喷嘴分别喷出不同大小、方向、速度的液滴,彻底解决了保护面积的问题。这样将航天设计思想和技术移植到灭火器设计的例子不胜枚举,可以说,这是一项凝结先进航天技术的创新成果,引领了无毒无污染灭火技术的国际水平。

该成果从2005年起,逐步产品化,应用在载人航天器、舰艇等重要领域。现已成功列装于多型舰艇,填补了我国在该研究领域的空白,保障了海军官兵的生命安全以及海军舰艇的消防安全,对构建绿色环保、高效灭火的舰艇消防系统,提高舰艇火灾防护能力具有重要的军事意义。此外,针对我国重工业及运输业的高速发展对无污染高效灭火技术的重大需求,项目研究成果已广泛应用于我国冶金、电力、石化等大型企业以及多种交通隧道的消防系统中,主要保护地下电缆隧道、地下液压/润滑油库等可燃液体火灾危险场所,公路隧道、地铁隧道、城市隧道等交通隧道。本产品在某大型国企安装两年内,在8次火灾中大显身手,灭火成功率100%。

“顶天立地”——科技创新的“北航模式”

“北航的创新模式就是‘顶天立地’”,杨立军教授认真的说,“‘顶天’是推进原始创新,‘立地’是要把科技成果转化为现实生产力。”而“顶天立地”这四个字正是对杨立军教授20多年来燃烧和灭火研究工作的完美概括。

杨立军教授坚信,研究想要走得更远,不能仅靠经验性实验,必须深入搞清背后的机理。20年来,项目团队在坚持理论发现、技术发明、产学研用结合的模式下,结合工程应用中的现实结论,取得了大量创新成果。燃烧和灭火机理基础理论的一项项创新研究成果,也直接转化为21项授权发明专利,1项软件著作权,2项国际PCT专利,22篇发表SCI论文,27篇EI论文和8部国家标准。重视科学问题,及时总结撰文的良好习惯给项目研究不断带来新的契机,早在上世纪末,杨老师刚开始从事喷雾灭火技术研究时,就有某国际知名企业因阅读其论文慕名而来,寻求合作;2005年,国内大型军工企业同样“按图索骥”,直接找到杨老师,希望杨老师的团队能够开展这一项目,服务于国家战略需求,于是才有了后来的研究和今天的成果。可以说,正是这发表的一篇篇论文,不断推动着项目研究克服各种困难,最终迎来胜利的曙光。

杨立军团队野外实验

20年来,在严谨治学、攻坚克难的理念指引下,杨立军教授也带出了一支动手能力强、实力过硬的研究团队。“如今成果获奖了当然是自豪的,可当时做基础研究时条件真是非常苦。”回望工程实践经历,杨立军教授感慨良多。由于产品开发时限紧迫,同时必须有大量的实验保证,团队几乎没有过周末。模拟火灾模型的燃烧物不仅有毒还冒着黑烟,大家戴着防毒面具还是熏得满脸黑。实验地点在远郊,为了节省时间,就常住在只有露天厕所的山上测试场。

成果第二完成人富庆飞老师是杨立军教授第一个博士生,谈起杨立军教授带团队的风格,他说“这一切都离不开杨老师在工作中严谨甚至苛刻的治学态度。”谈起培养青年后备骨干的经验,杨立军教授说,“如今北航提出科技强国,建设扎根中国大地的世界一流大学目标,除了引进人才,给团队里的年轻人压担子,自主培养后备队伍同样重要。”如今,他先后指导的40余名硕士、博士生中,很多人都已经走上并成为了科研机构、大型企业的骨干力量。

精神传承——北航人的红色基因

“祖国的需要就是我们的选择”,一代代传承红色基因的北航人,正是秉承这样的坚定信念,服务国防急需,勇于开拓创新,逐步成长为行业栋梁之才。而北航人骄人业绩的背后,是耐得住寂寞的长年埋头科研,敢啃没人愿啃的硬骨头;是勇于创新的敢为人先,做别人不敢做的难事。

“我原本是学燃烧的,本该搞火箭发动机燃烧,结果现在成了搞灭火的了。”他笑着说,“我自己是不愿意被人称作灭火专家的,但是国家的需求就是使命;工程应用的迫切需求,就是研究工作的动力号角。”这份调侃的背后正是他对燃烧理论执着透彻的研究,以及服务国家需求的无私奉献。

值得一提的是,此次获奖的第一、第二、第三完成人,其本科、研究生、博士均是从北航毕业。“这次获奖是对我,特别是我带的团队的一次交代,一个肯定。研究成果是我们整个团队共同努力的结果。我们的团队是北航自主培养起来的人才队伍。”作为传承着“又红又专”精神血脉的北航人,他们始终秉承服务国家战略需求的理念,持之以恒,数十年磨一剑,将个人成长与国家战略需求紧密结合起来。杨立军硕士毕业留校20多年来,长期从事非牛顿流体力学、燃烧不稳定性机理研究;从一名普通助教老师成长为宇航学院教授、博士生导师、院长、国家杰出青年科学基金获得者、教育部“长江学者”特聘教授;荣获全国优秀科技工作者、茅以升北京青年科技奖等诸多荣誉。这些成果和荣誉,正是北航人“红色基因”的集中体现。

“20年,只是梳理研究成果的一个节点,获奖并不是终结,而是新的起点。”杨立军教授表示,服务国家战略大局始终是北航人的使命,项目团队将继续深入研究,通过技术创新和产品创新,把多物理效应协同雾化水灭火系统打造成海陆空天交通设施通用的灭火装备,为我国交通设施、军事装备的安全运行提供更有力的消防保障。

幸福是奋斗出来的,杨立军教授及其团队的故事仅仅是个开始,顶天立地的北航人,将继续传承红色基因,响应国家需求,探索学术前沿。“九万里风鹏正举,风休住,蓬舟吹取三山去!”北航人的爱国、创新永远在路上……

编辑:孔祥明

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