專家領(lǐng)銜策劃——運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)丨JME特邀專欄(上)

專欄導(dǎo)讀

機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)與作動(dòng)等功能化的重要機(jī)械產(chǎn)品。面向我國運(yùn)載火箭載人登月、重復(fù)使用、商業(yè)發(fā)射與重型運(yùn)載等發(fā)展需求，機(jī)構(gòu)已成為重要的支撐技術(shù)。運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)愈發(fā)成為機(jī)械工程領(lǐng)域至關(guān)重要的研究主題。為推廣運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)分析、性能評(píng)估研究新成果。

為此，《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部與客座編輯團(tuán)隊(duì)聯(lián)合策劃出版“運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)”專欄。介紹我國運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)技術(shù)最新研究進(jìn)展、總結(jié)學(xué)科發(fā)展脈絡(luò)及面臨的挑戰(zhàn)，以期促進(jìn)運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)機(jī)構(gòu)學(xué)領(lǐng)域科技發(fā)展，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)技術(shù)對(duì)我國航天發(fā)射發(fā)展的進(jìn)一步推動(dòng)。專欄共收錄論文18篇，已于《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2026年1期正式出版。

客座專家團(tuán)隊(duì)

高海波，哈爾濱工業(yè)大學(xué)校長助理、科學(xué)與工業(yè)技術(shù)研究院院長，機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，國家高層次人才，長期從事星球車移動(dòng)技術(shù)、足式移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、宇航空間機(jī)構(gòu)微低重力模擬技術(shù)研究，近年來主持國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目、973課題、863計(jì)劃、國家重大科技專項(xiàng)課題、科技部國際合作等科研項(xiàng)目。出版專著3部，發(fā)表論文110余篇，授權(quán)發(fā)明專利50余項(xiàng)，獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級(jí)一等獎(jiǎng)7項(xiàng)。中國專利銀獎(jiǎng)1項(xiàng)。

石玉紅，北京宇航系統(tǒng)工程研究所專業(yè)技術(shù)管理委員會(huì)結(jié)構(gòu)專業(yè)技術(shù)分委會(huì)主任。全國緊固件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員，通用零部件軍用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員。長期從事運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)研制，先后突破了載人運(yùn)載火箭逃逸飛行器結(jié)構(gòu)、大型馮卡門整流罩為代表的一系列重大關(guān)鍵技術(shù)。主持國家重大基礎(chǔ)研究專項(xiàng)、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃及863計(jì)劃等項(xiàng)目。獲得國防科學(xué)技術(shù)等省部級(jí)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)一項(xiàng)，二等獎(jiǎng)三項(xiàng)，三等獎(jiǎng)四項(xiàng)。發(fā)表論文20篇，發(fā)明專利、國防專利17項(xiàng)。獲得第67屆德國紐倫堡國際發(fā)明金獎(jiǎng)。榮獲全國“巾幗文明崗”、全國“三八紅旗手”等榮譽(yù)稱號(hào)。

張宏劍，北京宇航系統(tǒng)工程研究所機(jī)構(gòu)專業(yè)副首席，負(fù)責(zé)完成我國運(yùn)載火箭柵格舵機(jī)構(gòu)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)等產(chǎn)品研發(fā)。中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員，空間機(jī)構(gòu)分委會(huì)委員。擔(dān)任《宇航學(xué)報(bào)》、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》、《動(dòng)力學(xué)與控制學(xué)報(bào)》等期刊青年編委。入選中國科協(xié)青年人才托舉工程、中國科協(xié)中外優(yōu)秀青年交流計(jì)劃。主持參與國家自然科學(xué)基金、中國科協(xié)學(xué)科發(fā)展等項(xiàng)目。發(fā)表論文30余篇，授權(quán)申請(qǐng)專利30余項(xiàng)。

于海濤，哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院研究員。中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員、美國電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）高級(jí)會(huì)員，長期從事宇航空間機(jī)構(gòu)、特種機(jī)器人技術(shù)研究，主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、科技部智能機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、深空探測重大專項(xiàng)等課題30余項(xiàng)，獲得黑龍江省科學(xué)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng)。相關(guān)學(xué)術(shù)成果刊登在國際權(quán)威期刊Engineering、IEEE Trans. Robot. (T-RO)、IEEE Trans. Ind. Electron. (TIE)及頂級(jí)國際會(huì)議ICRA、IROS、CDC、ACC等，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文50余篇，獲得國家授權(quán)發(fā)明專利36項(xiàng)，出版學(xué)術(shù)專著1部。

01

賦能運(yùn)載火箭多功能化發(fā)展的機(jī)構(gòu)技術(shù)與挑戰(zhàn)

引用格式:張宏劍, 石玉紅, 顧春輝, 徐方舟, 樂晨, 彭波, 郭嘉. 賦能運(yùn)載火箭多功能化發(fā)展的機(jī)構(gòu)技術(shù)與挑戰(zhàn)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 2-17.

論文摘要：

隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)載火箭多功能化已成為未來航天運(yùn)輸系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。研究聚焦于賦能運(yùn)載火箭多功能化發(fā)展的機(jī)構(gòu)技術(shù)，系統(tǒng)闡述了其內(nèi)涵、關(guān)鍵技術(shù)及面臨的挑戰(zhàn)。首先，分析了運(yùn)載火箭多功能化的需求背景及發(fā)展趨勢(shì)，提出了機(jī)構(gòu)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)多功能化的核心支撐。其次，梳理了相關(guān)機(jī)構(gòu)技術(shù)伴隨我國運(yùn)載火箭發(fā)展的歷程以及不同階段機(jī)構(gòu)專業(yè)發(fā)展特點(diǎn)，提出了運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)進(jìn)入系統(tǒng)集成化發(fā)展新階段。然后，為探究機(jī)構(gòu)技術(shù)未來發(fā)展，想定了兩級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載火箭登月任務(wù)場景，剖析了全任務(wù)剖面中著陸機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)機(jī)構(gòu)、伺服機(jī)構(gòu)、變形機(jī)構(gòu)、分離機(jī)構(gòu)以及新型機(jī)構(gòu)的發(fā)展新需求。最后，探討了機(jī)構(gòu)技術(shù)在方案創(chuàng)新設(shè)計(jì)、性能系統(tǒng)驗(yàn)證、服役可靠性評(píng)估以及智能化發(fā)展等方面面臨的新機(jī)遇與新挑戰(zhàn)。研究表明，機(jī)構(gòu)技術(shù)的突破將有力提升運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性和經(jīng)濟(jì)性，推動(dòng)航天運(yùn)輸系統(tǒng)向更高效、更可靠、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展。

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02

可重復(fù)使用運(yùn)載火箭著陸支腿機(jī)構(gòu)技術(shù)綜述

引用格式:田保林, 楊雪聰, 劉佳行, 閆振, 于海濤, 高海波, 鄧宗全. 可重復(fù)使用運(yùn)載火箭著陸支腿機(jī)構(gòu)技術(shù)綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 18-40.

論文摘要：

著陸支腿機(jī)構(gòu)作為可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)火箭安全回收、降低成本以及推動(dòng)航天運(yùn)輸可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。系統(tǒng)梳理了可重復(fù)使用運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程，重點(diǎn)圍繞支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、理論建模、性能分析以及熱防護(hù)技術(shù)等領(lǐng)域開展分析與總結(jié)，論述了著陸支腿機(jī)構(gòu)展開、鎖定以及緩沖技術(shù)的多樣化結(jié)構(gòu)，總結(jié)了支撐機(jī)構(gòu)的展開與著陸動(dòng)力學(xué)建模方法。同時(shí)，結(jié)合靜態(tài)與動(dòng)態(tài)試驗(yàn)技術(shù)，系統(tǒng)分析了著陸支腿展開可靠性、承載能力和緩沖性能的試驗(yàn)方法，探討了支腿結(jié)構(gòu)面對(duì)再入熱環(huán)境的熱防護(hù)需求與相關(guān)技術(shù)方案。最后介紹了Space-X和Blue Origin公司在實(shí)際工程應(yīng)用中的典型案例，分析了其在支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與技術(shù)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新。基于現(xiàn)有研究成果，總結(jié)了未來可重復(fù)運(yùn)載火箭支撐機(jī)構(gòu)的發(fā)展方向。

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03

運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法綜述

引用格式:林撼昕, 劉才山. 運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 41-58.

論文摘要：

近年來，運(yùn)載火箭正向重型運(yùn)載、可重復(fù)使用、多功能模塊化、高可靠性、商業(yè)化發(fā)射等方向發(fā)展，對(duì)運(yùn)載火箭上執(zhí)行特定功能的各類機(jī)構(gòu)提出更高要求，亟需發(fā)展更加精確的運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法。為全面梳理運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法的發(fā)展現(xiàn)狀，從運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的特點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)介紹運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中普遍使用的四類基礎(chǔ)理論，詳細(xì)介紹連接分離機(jī)構(gòu)、著陸緩沖機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)控制機(jī)構(gòu)三類運(yùn)載火箭典型機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)分析方法，最后對(duì)運(yùn)載火箭機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析方法的未來研究工作進(jìn)行展望。

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04

運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)復(fù)用可靠性研究綜述與展望

引用格式: 撒國棟, 王棟, 劉振宇, 孫嘉誠, 侯明杰, 李志男, 譚建榮. 運(yùn)載火箭非火工分離機(jī)構(gòu)復(fù)用可靠性研究綜述與展望[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 59-78.

論文摘要：

在運(yùn)載火箭執(zhí)行任務(wù)過程中，分離機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵部件，承擔(dān)著有效分離火箭各級(jí)結(jié)構(gòu)的任務(wù)，其可靠性直接關(guān)系到整個(gè)火箭任務(wù)的成敗。近年來，隨著一次性運(yùn)載火箭朝向可重復(fù)使用的發(fā)展趨勢(shì)，非火工分離機(jī)構(gòu)因具有高可靠性和安全性等特點(diǎn)正得到逐步推廣與應(yīng)用，亟需開展復(fù)用可靠性分析以期發(fā)揮其復(fù)用性優(yōu)勢(shì)。詳細(xì)介紹了分離機(jī)構(gòu)的定義、種類與工作原理，系統(tǒng)性地回顧了現(xiàn)有機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)可靠性研究的方法與意義，深入探討了現(xiàn)有的失效模式辨識(shí)方法與可靠性分析方法在復(fù)用型非火工分離機(jī)構(gòu)上應(yīng)用的不足，并展望了非火工分離機(jī)構(gòu)復(fù)用可靠性研究的未來發(fā)展趨勢(shì)，旨在為復(fù)用型非火工分離機(jī)構(gòu)系統(tǒng)可靠性分析理論研究與技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

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05

高耗能密度高臨界速度的電渦流阻尼新技術(shù)及其在航天工程中的應(yīng)用

引用格式:陳政清, 楊文斌, 王辰, 張宏劍, 王文熙, 張弘毅. 高耗能密度高臨界速度的電渦流阻尼新技術(shù)及其在航天工程中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 79-95.

論文摘要：

電渦流阻尼技術(shù)因其無需工作流體、非接觸且免維護(hù)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航天器高動(dòng)態(tài)展開機(jī)構(gòu)和深空探測移動(dòng)平臺(tái)的振動(dòng)控制領(lǐng)域展現(xiàn)出重要的工程應(yīng)用價(jià)值。介紹了旋轉(zhuǎn)型和直線型兩種電渦流阻尼器(ECD)的基本結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用前景，并從解析公式的角度總結(jié)和分析了永磁場源和電磁場源電渦流阻尼器的阻尼特性。此外，為了實(shí)現(xiàn)高耗能密度并突破臨界速度制約，采用了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、引入銅鐵合金導(dǎo)體材料、多本構(gòu)曲線組合等方法，分別建立了設(shè)計(jì)理論且完成了試驗(yàn)驗(yàn)證。基于上述研究，開展了著陸緩沖機(jī)構(gòu)、火箭柵格舵、攔阻索以及月球無人車懸架等典型應(yīng)用場景的應(yīng)用研究，分析了電渦流阻尼技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展與發(fā)展趨勢(shì)。

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06

運(yùn)載火箭分離與推沖機(jī)構(gòu)綜述

引用格式:郭曉霏, 李偉豪, 楊飛, 岳洪浩, 鄧宗全. 運(yùn)載火箭分離與推沖機(jī)構(gòu)綜述[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 96-124.

論文摘要：

作為運(yùn)載火箭多功能化體系的核心執(zhí)行單元之一，分離與推沖機(jī)構(gòu)的動(dòng)作可靠性與分離精度直接影響航天發(fā)射任務(wù)的成敗。隨著各國航天任務(wù)復(fù)雜度與火箭運(yùn)載能力的提升，分離與推沖機(jī)構(gòu)在承載能力、響應(yīng)速度及環(huán)境適應(yīng)性等方面面臨更為嚴(yán)苛的技術(shù)要求，系統(tǒng)梳理了國內(nèi)外運(yùn)載火箭分離與推沖機(jī)構(gòu)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀，詳細(xì)介紹了多類作動(dòng)形式下各分離與推沖機(jī)構(gòu)工作原理與特點(diǎn)，回顧了運(yùn)載火箭分離與推沖機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性、沖擊響應(yīng)以及可靠性領(lǐng)域的發(fā)展，并介紹了部分典型機(jī)構(gòu)的仿真分析技術(shù)，最后展望了運(yùn)載火箭分離與推沖機(jī)構(gòu)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)，旨在為新一代運(yùn)載火箭分離推沖系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與產(chǎn)品系統(tǒng)性發(fā)展提供參考。

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07

考慮連接機(jī)構(gòu)預(yù)緊作用的堆疊式多星組合體非線性動(dòng)力學(xué)

引用格式: 李元恒, 范瑞祥, 楊帆, 張宏劍, 吳會(huì)強(qiáng), 陳華偉. 考慮連接機(jī)構(gòu)預(yù)緊作用的堆疊式多星組合體非線性動(dòng)力學(xué)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 125-136.

論文摘要：

堆疊式多星組合體是一種適合于大規(guī)模星座建設(shè)的一箭多星發(fā)射布局方式，其中的平板衛(wèi)星通過分布在四周的承力柱，上下相鄰兩層間接觸連接，并通過在頂層施加軸向預(yù)緊力將組合體壓緊；衛(wèi)星間連接面導(dǎo)致了典型的組合體非線性結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)行為，因此如何建立合理的等效模型以及準(zhǔn)確識(shí)別連接面參數(shù)，成為攻克這一關(guān)鍵技術(shù)的核心問題之一。針對(duì)這一問題，采用約束子結(jié)構(gòu)超單元法建立了平板衛(wèi)星的縮聚模型，采用薄層單元法建立了連接面等效模型，并通過約束條件對(duì)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行裝配從而建立了整體的簡化有限元模型。為驗(yàn)證建立的有限元模型的正確性，以及進(jìn)行連接面的參數(shù)識(shí)別，設(shè)計(jì)了組合體的縮比物理模型，并基于該模型進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)，獲取了不同預(yù)緊力矩下的頻率響應(yīng)函數(shù)。以薄層單元材料3個(gè)模量參數(shù)為優(yōu)化變量，以組合體的前三階模態(tài)頻率為優(yōu)化對(duì)象，識(shí)別了連接面剛度參數(shù)；以薄層單元材料阻尼系數(shù)為優(yōu)化變量，以組合體頻響函數(shù)一階共振峰幅值為優(yōu)化對(duì)象，識(shí)別了連接面阻尼參數(shù)。通過分析頻響函數(shù)曲線隨預(yù)緊力矩的變化情況，得出了預(yù)緊力矩對(duì)組合體非線性動(dòng)力學(xué)特性的影響規(guī)律。

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08

面向變后掠飛行器的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化

引用格式:李先航, 龐勇, 張海瑞, 宋學(xué)官, 陽加遠(yuǎn), 方偉光. 面向變后掠飛行器的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 137-147.

論文摘要：

蜂窩結(jié)構(gòu)因具有良好的面內(nèi)變形能力和法向承載能力，廣泛應(yīng)用于變形飛行器設(shè)計(jì)中，使其能夠適應(yīng)復(fù)雜的飛行環(huán)境。針對(duì)小展弦比飛行器變后掠翼的設(shè)計(jì)需求，提出了一種能夠沿極坐標(biāo)環(huán)向變形的新型蜂窩結(jié)構(gòu)。在極坐標(biāo)系下描述了蜂窩單胞結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)的幾何模型，通過引入特征參數(shù)分析了結(jié)構(gòu)的變尺度特性；通過建立有限元模型分析了蜂窩結(jié)構(gòu)在環(huán)向變形的面內(nèi)剛度和法向承載的面外剛度，仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍連續(xù)變形，并且具備較強(qiáng)的法向承載能力。針對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)變形和承載能力的多目標(biāo)優(yōu)化問題，分析了結(jié)構(gòu)特征參數(shù)對(duì)面內(nèi)剛度和面外剛度的影響，并提出了一種基于期望超體積改進(jìn)的多目標(biāo)遺傳優(yōu)化算法(NSGAII-EHVI)對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果可為變后掠翼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

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09

h-BN形狀對(duì)Si3N4基復(fù)合陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能影響研究

引用格式: 藺鵬宇, 李濤, 宋俊杰, 毛宇, 章子怡, 游鑫, 胡麗天, 張永勝. h-BN形狀對(duì)Si3N4基復(fù)合陶瓷的高溫摩擦學(xué)性能影響研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2026, 62(1): 148-158.

論文摘要：

采用熱壓燒結(jié)技術(shù)制備出了Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料，并探究了不同形狀六方氮化硼對(duì)Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料相結(jié)構(gòu)、微觀組織、力學(xué)性能與高溫摩擦性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：相比于片狀六方氮化硼，球狀六方氮化硼促進(jìn)三維連續(xù)結(jié)構(gòu)氮化硅基體的形成，使其抗彎強(qiáng)度((369±15.6) MPa)和斷裂韌性((5.3±0.78) MPa·m1/2)均提高了8%左右。在高溫摩擦過程中，磨粒磨損和脆性斷裂被認(rèn)為是Si3N4/h-BN自潤滑復(fù)合材料的主要磨損機(jī)制。當(dāng)三維結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(由球狀六方氮化硼制備)在800 ℃下與氮化硅對(duì)摩副摩擦?xí)r，具有高承載能力的連續(xù)氮化硅基體以及自潤滑、高熱穩(wěn)定性的致密連續(xù)摩擦層的形成，使其比均質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料(由片狀六方氮化硼制備)的摩擦系數(shù)降低約23%，磨損率降低近一個(gè)數(shù)量級(jí)。

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責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長是中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。

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