国之重器 | 科学巨匠缔造世界强国
来源: | 作者:hke8e5f5 | 发布时间: 2018-05-10 | 2831 次浏览 | 分享到:

国之重器 | 科学巨匠缔造世界强国

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2018-01-09 * 浏览 : 40

从远古时代,人类就学会了制造工具。工具的制造为人类提供了更大的生存空间,推动了人类文明的进步。无论是蛮荒时代的生存需求,战争年代的帝王争霸,还是和平年代的繁荣发展,工具制造对于人类生活都有着重要意义。

进入21世纪,先进的机器制造已经席卷全球。中国一批实业报国的科学巨匠,肩负大国使命,冲破国际垄断,自主创造模式。在他们的努力下,来自制造强国昂贵的机器价格开始归于合理,平衡的砝码向中国制造加力。中国制造业,尤其是装备制造业的赶超之路,就是中国人日益追赶美好生活的富足之路。

从传统的制造领域,到世界潮流最前沿,中国制造已经今非昔比。全球第一的制造总量,令世界瞩目。今天的中国,正在用自己的方式,努力缩短着从制造大国到制造强国的距离。2017年,中国一次又一次地完成零的突破,在多个领域一跃成为世界之最,从世界大国到世界强国的转变将不再是梦!



中国“天眼”工程(FAST)

2017年10月10日,中科院国家天文台公布(FAST)发现2颗新脉冲星,距地球分别约4100光年和1.6万光年。这是我国射电望远镜首次发现脉冲星。脉冲星的发现归功于位于贵州黔南市依族苗族自治州平塘县的500米口径球面射电望远镜(FAST),被称为中国“天眼”。

“天眼”最初构想于1994年,2007年7月正式立项。2011年3月25日,FAST工程正式开工建设。2016年9月25日,世界上最大的单口径巨型射电望远镜终于落成启用。FAST口径500米,能够收到137亿光年之外的电磁波信号,为未来探寻外太空的生命迹象提供了可能。FAST在尺寸规模上创造了单口径射电望远镜的世界纪录,取代美国的阿雷西博射电望远镜成为新的射电望远镜之王。在灵敏度方面,FAST比号称“地面最大的机器”的德国埃菲尔斯伯格100米口径望远镜提高了约10倍,综合性能登上世界巅峰。在未来可预见的二三十年内,它将是我们星球最先进、最灵敏的射电望远镜。

FAST把中国空间测控能力由地球同步轨道延伸至太阳系外缘,将深空通讯数据下行速率提高100倍。FAST具有很高的应用价值:为自主导航这一前瞻性研究制作脉冲星钟;诊断识别微弱的空间讯号,为国家安全服务;提供高分辨率和高效率的地面观测;跟踪探测日冕物质抛射事件,服务于太空天气预报。

FAST工程由中科院国家天文台主持,全国20余所大学和研究所的百余位科技骨干参加此项工作。南仁东作为FAST工程的首席科学家、总工程师,主持完成项目立项、可行性研究及初步设计,主编科学目标,指导各项关键技术的研究及其模型试验,被誉为“天眼之父”。


从1994年构想到2016年正式启用,南仁东付出了22年心血和努力。然而,当FAST发现脉冲星,实现中国在发现脉冲星领域的“零突破”时,“天眼之父”南仁东病逝仅20余天。

当初南仁东拒绝海外日薪相当于国内年薪的高收入诱惑,毅然选择回国为祖国天文梦努力奋斗。他把最好的青春年华播撒在山坳地缝之间,最终确定了“天眼”最佳安放位置,受到了全球科学家的青睐,开启中国射电天文学的黄金时代。


2017年10月11日,中科院举行南仁东先进事迹报告会,对他的评价是:用生命成就国家骄傲!


时速4000公里的高速飞行列车

高速飞行列车是利用低真空环境和超声速外形减小空气阻力,通过磁悬浮减小摩擦阻力,实现超声速运行的运输系统。中国航天科工集团公司是全球首个提出超声速地面运输系统的集团公司。航天科工在该工程项目实施上注重发挥各方面优势建立国家队,联合了国内外20多家科研机构,成立了国内首个国际性高速飞行列车产业联盟,团队拥有相关领域200多项专利。

2017年8月30日,中国航天科工集团公司研制时速达千公里级的“高速飞行列车”,实现超声速“近地飞行”。航天科工开展了“高速飞行列车”的研究论证,与“飞云、快云、行云、虹云、腾云”并列形成“五云一车”的商业航天新格局。其中,“高速飞行列车”未来速度或达每小时4000公里。“高速飞行列车”的运行速度相比传统高铁提升了10倍;相比现有民航客机提升了5倍,最大速度可达到4000公里/小时,是人类对交通工具速度极致追求的一大进步。


高速飞行列车,拉近了城市之间的时间距离,同时不受天气条件影响,不消耗化石能源,可与城市地铁无缝接驳,很可能成为未来交通领域的发展趋势和技术制高点,甚至改变人类的出行方式。“高速飞行列车”项目已经有了比较完整的规划,将按照三步走战略逐步实现:第一步通过1000公里/小时运输能力建设区域性城际飞行列车交通网;第二步通过2000公里/小时运输能力建设国家超级城市群飞行列车交通网,在国家主干线,特别是围绕五大经济区,北京、上海、成都、广州、武汉,建立国家型的飞行网;第三步通过4000公里/小时运输能力建设“一带一路”飞行列车交通网,最终形成一张继航天、高铁、核电之后的中国新名片。


国产大型客机C919

2017年5月5日,C919在浦东机场首飞成功,这标志着我国大型客机项目取得重大突破。C919客机(COMAC C919)学名是“中短程双发窄体民用运输机”。“COMAC”为研制C919的中国商用飞机有限责任公司英文名称简写(Commercial Aircraft Corporation of China Ltd),简称中的“C”既是“COMAC”的第一个字母,也是中国的英文名称“CHINA”的第一个字母。第一个9寓意“天长地久”,后两位19意为“C919大型客机最大载客量190”人。C919大型客机是中国按照国际民航规章自行研制、具有自主知识产权的大型喷气式民用飞机,座级158-174座,航程4075—5555公里。


C919机身很多部位采用的都是中国最新研发的先进航空合金材料和复合材料。其中,先进铝锂合金的应用属国内首次、国际领先。相较于传统铝合金,铝锂合金的比强度和比刚度更高、损伤容限性能、抗疲劳、抗辐射的性能更强。铝锂合金的使用可以大大提高飞机的寿命。这意味着,在航线上的C919更快速、更省油、更环保。C919的航电系统则采用IMA综合处理平台,不仅使机上的电缆连接器减少90%,大大降低机载系统成本,而且平均无故障工作时间(MTBF)可提高近4倍。此外,在设计过程中,通过采用加宽客舱和座椅宽度、配备新的机载设备等手段,改善了乘客的使用舒适性,并选用新型发动机满足噪声和污染物排放的要求。


C919成功的背后是数以万计的航空科研人员的辛勤付出。在此期间,科研人员针对先进的气动布局、结构材料和机载系统等,共规划了102项关键技术攻关,包括飞机发动机一体化设计、电传飞控系统控制律设计、主动控制技术等。在首飞前,C919完成了118个试验项目,经历了包括低滑、中滑、高滑在内的21次滑行试验。C919首飞机长蔡俊表示,航天工作要非常耐心和细心,他自2016年2月起开始进行飞行程序的编写,每一个公式都要进行上万次的计算,每一次的计算结果数字都要精确到0.01,如此繁琐的工作都关系着飞机的每一个部分的安全,以确保飞机万无一失。


“墨子号”量子科学实验卫星

墨子是我国战国时期著名的思想家、政治家、发明家,最早提出光线沿直线传播,设计了小孔成像实验,奠定了光通信、量子通信的基础,被誉为“科圣”。2000多年后的今天,以中国古代伟大科学家的名字命名量子卫星,再一次提升了我们的文化自信。

2016年8月16日1时40分,我国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁运载火箭成功将世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”发射升空。这使我国在世界上首次实现卫星和地面之间的量子通信,构建天地一体化的量子保密通信与科学实验体系。

2017年1月18日,“墨子号”圆满完成了4个月的在轨测试任务,正式交付用户单位使用。中国科学技术大学、中科院微小卫星创新研究院、西安卫星测控中心、中科院国家空间科学中心等单位相关领导在交付使用证书上签字。

2017年6月,升空整整10个月之后,英国当地时间6月15日,《Nature》杂志头版刊登:中国“墨子号”量子卫星首次实现上千公里量子纠缠,相较于此前144公里的最高量子传输距离纪录,这次跨越意味着绝对安全的量子通信又进一步贴近了实用。此次接收量子信号的两个地面站分别是青海德令哈站和云南丽江高美古站,两地相距1203公里,卫星的工作高度约为500公里。

2017年8月10日,全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”圆满完成了三大科学实验任务:量子纠缠分发、量子密钥分发、量子隐形传态。

量子卫星是中国科学院空间科学先导专项首批科学实验卫星之一,其主要科学目标一是借助卫星平台,进行星地高速量子密钥分发实验,并在此基础上进行广域量子密钥网络实验,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;二是在空间尺度进行量子纠缠分发和量子隐形传态实验,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。

墨子号在未来两年将在世界上首次开展四项实验任务以达成两大科学目标:进行经由卫星中继的“星地高速量子密钥分发实验”,并在此基础上进行“广域量子通信网络实验”,以期在空间量子通信实用化方面取得重大突破;及进行“星地双向纠缠分发实验”与“空间尺度量子隐形传态实验”,开展空间尺度量子力学完备性检验的实验研究。除了卫星之外,地面上也建设了四个量子通信地面站(分别位于河北兴隆、新疆乌鲁木齐、青海德令哈、云南丽江)以及位于西藏阿里的量子隐形传态实验站。除此以外,奥地利科学院和维也纳大学的科学家也与中国方面合作,在维也纳和格拉茨设置了地面站 。


可燃冰试采圆满成功

2017年5月10日起,源源不断的天然气从我国南海神狐海域深海底层开采上来,点燃了全球最大海上钻探平台“蓝鲸一号”的喷火装置。这是我国首次、也是全球首次对资源量占比90%以上、开发难度最大的泥质粉砂型储层可燃冰成功实现试采,是“中国理论”、“中国技术”、“中国装备”所凝结而成的突出成就。中国人民又攀登上了世界科技的新高峰,将对能源生产和消费革命产生深远影响。

“蓝鲸一号”净重超过43000吨、37层楼高,由中国烟台企业中集来福士海洋工程有限公司自主设计建造,是全球最先进超深水双钻塔半潜式钻井平台,适用于全球任何深海作业。

“一次点火,一次成功”,这一比率即使放到已经非常成熟的海洋石油和天然气开采领域也堪称靓丽。而这成功的背后,是我国海洋地质工作者在天然气水合物开发上的奋起直追。国际上早在上个世纪60年代就开始勘探、研究可燃冰相比,而我国的可燃冰研究1998年刚刚起步,但中国科技工作者只用了不到20年就完成了从空白到赶超的全过程。回顾这一历程,试采现场指挥部办公室主任邱海峻用“快马加鞭”、“奋发图强”形容可燃冰开采的“中国速度”。他介绍说,在1998年立项后,1999年我国就开始了南海和陆地冻土区的可燃冰调查工作,2007年就在神狐海域钻获可燃冰。2015年,我国科技工作者在神狐海域准确定位了两个可燃冰矿体。2016年,地质调查工作人员围绕试采在神狐海域开展钻探站位8个,全部发现可燃冰。

和人们熟悉的海底石油、海底天然气田相比,可燃冰要神秘得多。这种由水和天然气在高压、低温情况下形成的类冰状结晶物质,是标准的“高潜力”能源。1立方米的可燃冰分解后可释放出约0.8立方米的水和164立方米的天然气,燃烧产生的能量明显高于煤炭、石油,燃烧污染却又比煤、石油小,更加清洁环保。可燃冰广泛分布于全球大洋海域,以及陆地冻土层和极地下面。估算其资源量相当于全球已探明传统化石燃料碳总量的两倍。可燃冰被各国视为未来石油、天然气的战略性替代能源,是世界瞩目的战略资源,对我国能源安全及经济发展也有着重要意义。南海海域是我国可燃冰最主要的分布区,全国可燃冰资源储存量约相当于1000亿吨油当量,其中有近800亿吨在南海。


全球天然气水合物研发活跃的国家主要有中国、美国、日本、加拿大、韩国和印度等,各国竞相投入巨资开展天然气水合物试采,竞争异常激烈。其中,美国、加拿大在陆地上进行过试采,但效果不理想。日本于2013年在其南海海槽进行了海上试采,但因出砂等技术问题失败。2017年4月日本在同一海域进行第二次试采,第一口试采井累计产气3.5万立方米,5月15日再次因出砂问题而中止产气。“蓝鲸一号”起步的可燃冰试采,不仅对我国未来的能源安全保障、优化能源结构具有重要意义,甚至可能给世界能源接替研发格局带来改变。


7月9日,我国首次海域可燃冰试采结束并关井,国土资源部中国地质调查局组织实施的南海天然气水合物试采工程9日全面完成预期目标,这标志着我国海域天然气水合物首次试开采取得圆满成功。中国地质调查局副总工程师、广州海洋地质调查局局长兼试采现场指挥部指挥长叶建良说,自5月10日试气点火以来,本次试采已持续60天,累计产气超过30万立方米,取得了持续产气时间最长、产气总量最大、气流稳定、环境安全等多项重大突破性成果,创造了产气时长和总量的世界纪录。


中国“人造太阳”革命性突破

2017年7月4日,中国科学院等离子体物理研究所宣布,国家大科学装置——世界上第一个全超导托卡马克(EAST)东方超环再传捷报,实现了稳定的101.2秒稳态长脉冲高约束等离子体运行,创造了新的世界纪录。这标志着,EAST成为世界上第一个实现稳态高约束模式运行持续时间达到百秒量级的托卡马克核聚变实验装置。


这一里程碑性的重要突破,表明我国磁约束聚变研究在稳态运行的物理和工程方面,将继续引领国际前沿,对国际热核聚变实验堆(ITER)和未来中国聚变工程实验堆(CFETR)建设和运行具有重大的科学意义,同时为人类开发利用核聚变清洁能源奠定了重要的技术基础

EAST高11米、直径8米、重达400吨,是我国第四代核聚变实验装置,其科学目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下,像太阳一样发生核聚变,为人类提供源源不断的清洁能源,所以也被称为“人造太阳”。经过多年研究,中国科研团队成功攻克了一批国际共性难题,在世界上首次实现了5000万度等离子体持续放电101.2秒的高约束运行,实现了从60秒到百秒量级的跨越。


“东方超环”EAST作为世界上第一个全超导非圆截面核聚变实验装置,集中了超高温、超低温、超大电流、超强磁场和超高真空等多项极限。从设计到建设,整个项目的国产化率达到90%以上,自研率在70%以上,同时还取得了68项具有自主知识产权的技术和成果。

众所周知,这些年来中国经济的高速发展与高密度的能源消耗紧紧相连,但是随着环境保护和节能减排压力与日俱增,同时为了减少对海外能源进口的依赖,我国大力发展清洁能源势在必行。因此,围绕是否应该大力发展核电也产生不少争论,即“核电困局”。核电是技术成熟的清洁能源,其安全性能比以往大大提高。但核电在工程建设、维护及拆解过程中,会造成大量的空气污染和二氧化碳排放以及带有核辐射的核废料,对环境影响大。

“人造太阳”技术的突破将有助于破解“核电困局”。EAST成功实现电子温度超过5000万度、持续时间达102秒的超高温长脉冲等离子体放电。核聚变发电技术首先不会产生污染环境的放射性物质,同时受控核聚变反应可在稀薄的气体中持续稳定地进行,因此它是干净且安全的。

我国下一代核聚变装置——中国聚变工程试验堆(CFETR)已于2011年开始进行设计研究。在过去的几年里,项目集中了我国磁约束聚变研究的骨干力量,形成目标明确的国家队,在吸收消化ITER和国际磁约束聚变堆设计和技术的基础上,大胆创新,完成的CFETR设计方案可与ITER相衔接和补充。同时,该项目推动了广泛国际合作,世界聚变研究发达国家美国、德国、法国、意大利等已经全面参与CFETR的设计;俄罗斯同行也表示未来更加深入参与CFETR计划。

目前,CFETR装置已经完成设计研究并开始了工程化设计,有望在未来几年启动。宋云涛满怀信心地说,“有了它以后,有望在50年到60年之后实现商用化”。



国家之间的竞争,其根本就是实体经济的竞争,强大的制造业是实体经济的根基。在科技日新月异的今天,机器制造每天都在创造着奇迹,机器制造的竞争每时每刻都体现着国家之间的博弈。伴随着中国完整的高端制造产业体系的建立以及高端关键核心技术的掌握,产业竞争力必将进入世界先进行列。