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读懂“中国制造”的魄力与魅力

来源:中国青年报1月6日第T02版报道 作者:中国青年报 时间:2022-01-10

从“神舟”飞天、“北斗”组网、“嫦娥”奔月、“蛟龙”入海、“天眼”巡空,到中国高铁、大飞机C919、华龙一号、深海一号、天问一号……近年来,这些耳熟能详的名字成为“中国制造”的最好注脚。

如今,越来越多的中国智造、中国方案、中国标准走向世界。

奋力书写中国制造的高质量答卷

曾有这样一件事让徐工矿业机械有限公司技术中心主任杨裕丰耿耿于怀了多年。

20世纪90年代末,刚刚入职徐工的杨裕丰随团前往德国宝马工程机械展参观学习,在有中方参观人员询问外方是否可以拍照时,得到这样一个回答:“可以拍照,录像都可以,就是拍下来你们也学不会。”

从那时起,杨裕丰心中铆起一股劲,卧薪尝胆,要让中国制造后来居上,在全球占据一席之地。

2018年4月,随着我国自主研发的第一台700吨超大型液压挖掘机正式下线,作为总工程师的杨裕丰在践行自己当初承诺的路上迈出了重要一步。

700吨液压挖掘机被誉为“神州第一挖”,是个真正的巨无霸,它有多大?杨裕丰说,仅挖掘的铲斗就能容纳100人站在里面,一斗可以放置60吨物料,接近1节火车皮的容量,最大挖掘高度能够达到18.7米,相当于7层楼的高度。

大型液压挖掘机是露天矿业开采的主要挖装设备,是集机、电、液为一体的高技术产品,产品价值高、技术难度大、行业壁垒高。

在我国研制成功之前,700吨液压挖掘机只有美国、德国、日本3个国家能够制造,市场占比超过90%。

在杨裕丰记忆中,仅在十几年前,200吨以上的挖掘机,还只能从国外购买。如今,从200吨到700吨超大型挖掘机,中国都具备了制造的技术和能力。在完成超大型挖掘机研制的时间上,国外耗时20余年,我国则仅用了七八年。

在中国制造上,这将是一段载入史册的荣耀征程。

2013年,当700吨液压挖掘机正式立项时,作为项目总负责人的杨裕丰承受的是前所未有的压力。

为了进一步了解实地施工工况,分析不同环境下大型挖掘机的性能参数,为研制提供数据,不到6个月时间,杨裕丰带着团队足迹遍及甘肃、内蒙古、西藏、新疆、山西等大半个中国,行程超过10万公里。

在研发道路上,被杨裕丰形容为挖掘机“大力金刚腿”的“四轮一带”曾是横亘在面前的最大拦路虎。

“四轮一带”指的是引导轮、支重轮、托链轮、驱动轮和履带,“作为超大型挖掘机的核心部件,其不仅承担将挖掘机送达作业目的地的行驶任务,而且要支撑整机以及承受挖掘、卸料等全过程产生的作用力,要求之高、开发难度之大,常规产品难以比拟。”杨裕丰坦言。

当时,面对国外“四轮一带”采购价格高、配送周期长,售后服务跟不上等种种限制,杨裕丰把实现“四轮一带”完全自主研发立成军令状。

攻坚之路上,研发团队打破常规思路,通过大数据分析现有产品的传动和接触参数以及性能表现,获取目标性能参数,再通过修整齿形及轮体外缘参数,模拟分析对比,再优化,逐渐逼近目标性能参数。

经过6个月的潜心研究,理想的齿形参数和轮缘参数终于获得,并填补了国内超大型挖掘机“四轮一带”研发的空白。

“我们的‘四轮一带’成本仅是国外引进价格的三分之一,制作周期也缩短到3个月,并具备全面的售后保障服务。”那一刻,杨裕丰无限感慨。

从2013年到2018年,被杨裕丰团队攻克的难题不仅于此。

杨裕丰坦言,700吨绝不仅仅是“中国最大吨位”这么简单,该产品拥有自主专利52项,在中国超大型液压挖掘机领域首次实现了关键核心技术的集中应用突破,标志着中国成为世界上第四个具备700吨级以上液压挖掘机研发制造能力的国家。

从二氧化碳变成淀粉,只需要11步

将二氧化碳变成淀粉?这不是天方夜谭。

2021年9月24日,这项由中国科学院天津工业生物技术研究所在淀粉人工合成领域完成的重大突破发表在了国际权威学术期刊《科学》上,这也是国际上首次实现从二氧化碳到淀粉的人工合成,一项彻彻底底的“中国制造”。

2015年年初,当第一次得知计划启动人工合成淀粉项目时,中国科学院天津工业生物技术研究所副研究员蔡韬在心中打了一个大大的问号。

亿万年来,在自然界,淀粉主要由玉米等农作物通过自然光合作用固定二氧化碳生产。这一过程,淀粉合成与积累涉及约60步生化反应以及复杂的生理调控,理论能量转化效率仅为2%左右。

在蔡韬看来,如何保障粮食淀粉可持续供给,将二氧化碳转化利用“变废为宝”已成为当今世界科技创新的战略方向,不依赖植物光合作用,设计人工生物系统固定二氧化碳合成淀粉,将是影响世界的重大颠覆性技术。

“简而言之,我们就是将农作物利用低密度太阳能、低浓度二氧化碳生产淀粉的复杂合成途径,变成通过工业方式利用高密度电氢能、高密度二氧化碳生产淀粉的简单合成途径。”蔡韬说。

一句话的简单介绍背后却是团队无数个不分日夜的试验、探索与坚守。

试验中,团队首先利用高能量密度的电氢能将高浓度的二氧化碳化学还原为在生物体系具有高传递效率的简单化合物,然后设计、构建更简单生物转化途径将碳一化合物聚合为多碳的淀粉分子。

为了保证这一设计的顺利完成,团队人工设计构建碳一聚合新酶,“人工酶能够打通整个转化途径,确保反应更好更快地发生,像一条流水线一样。”蔡韬说。

2018年7月24日,是一个激动人心的日子。正在会议上的蔡韬收到同事发来的一张照片,并排的三支试剂管,中间一支的碘溶液呈现淡淡的蓝紫色,与左右两边的深蓝色与无色对比明显。

后来,蔡韬说,那淡淡的蓝紫色是他见过的最美的颜色。

难以抑制兴奋之情的蔡韬立刻赶回实验室,直到亲眼看到试剂管,才放下心来。“这意味着制造路径全线打通了。”蔡韬说。

3年多的时间,团队实现了从0到1、从虚拟到现实的跨越,鸿沟跨过去了。

但研究尚未结束,蔡韬说那只是“人工合成淀粉1.0版本”。之后,团队通过优化转化速度和效率,先后完成2.0版本和3.0版本。

6年时间,一批当初平均年龄30岁的青年科学家从无到有创造奇迹。在这条路上,团队记了33本的实验记录,其中不仅有核心数据,还有各种失败路径。

同样在这条路上,团队通过计算分析,从约7000个生化反应中设计出多条从二氧化碳到碳一中间体再到淀粉合成的新途径,最终的途径只有11步主要反应,这一人工途径的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

据了解,按照目前技术参数推算,在能量供给充足的条件下,理论上1吨二氧化碳的生物反应器年产淀粉量相当于5亩土地玉米种植的淀粉平均年产量。

走向太空的“中国制造”

20205月,在由长征5B运载火箭搭载发射的中国新一代载人飞船试验船上,进行了一项特殊的实验——由立体光刻3D打印机进行陶瓷、金属复合材料的微米级精度在轨制造。

这是国际上第一次在太空进行该类试验。

在试验持续的两三个小时里,中国科学院空间应用工程与技术中心研究员、太空制造技术重点实验室主任王功和同事们无比激动。

2014年以来,中国太空制造试验从地面走向太空,这不仅是空间距离上的一大步,更是我国太空制造领域前进中的关键一步。

什么是太空制造?为什么进行太空制造?在王功看来,后勤补给资源是长期太空探索任务成功的重要保证,目前主要是通过发射运载火箭和货运飞船向空间站进行补给,不仅周期长,而且成本昂贵。

“如果需要的零部件在太空里就能直接制造,将是人类太空探索技术的一次革命性进展。”王功表示。

虽然太空制造在空间站在轨应急维修保障、大型空间载荷在轨部署等方面具有很强的现实意义,但与地面环境相比,太空的长时微重力、强辐射、高真空、交变冷热循环等环境也给太空制造技术带来了新的挑战,对于太空制造装备,也需要满足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技术要求。

2014年,我国成立科研团队开始太空制造研究。2017年年底,中国科学院太空制造技术重点实验室正式成立,这是一支平均年龄只有33岁的青年科研队伍。

其实,在国际上,开展太空制造技术研究的时间也才10余年。

2014年9月,美国航空航天局在全球第一次将一台打印机送到国际空间站,这台放在手套箱里、以打印塑料为主的打印机并不大,各项指标都不算先进,但却引发广泛关注。

“这是在空间站第一次有了自动化生产的工具。”王功说。

2015年,王功开始策划第一次微重力环境下的3D打印试验。由于当时我国还没有建成空间站,借助中科院与德国宇航局的合作关系,团队将试验挪到了欧洲航天局的失重飞机上。失重飞机是在地面上模拟太空环境的一个重要试验平台。

在8000米高空,当飞机关闭发动机,开始一个自由落体的抛物线下降时,会产生22秒的微重力环境。

正是利用31次重复循环的22秒微重力环境状态,王功团队不断测试3D打印效果,打印出“中国科学院”5个字。

29岁的3D打印机系统设计负责人刘亦飞,亲历了第一天的失重飞行。他说,第一次微重力环境3D打印试验,令团队收获颇丰,拿到样品那一刻,每个人都无比开心。

通过这次试验,王功发现熔融沉积技术的两个缺陷:产品性能有限并且制造精度距离在轨直接装配使用还存在不小距离。

为此,在完成首次微重力模拟试验之后,中科院太空制造实验室转向利用立体光刻来进行太空制造的路线。

2018年,再次在失重飞机上进行试验时,立体光刻工艺被证明行得通,团队将“不可能”变成了“可能”,这也是中国团队在太空制造领域首次提出并验证一个新思路。

2015年以来,团队先后完成了4次面向不同工艺和材料的地面微重力模拟飞行试验。

2019年10月,在陕西西安阎良,团队通过与中国试飞院合作,完成了我国首次自主微重力模拟飞行试验,这次飞行不论对于中国太空制造,还是对未来其他太空技术验证而言,都是一次零的突破。

如今,在王功心中,还有很多技术难题求解答案。

他坦言,如果太空制造存在小型零部件制造、大型空间装置制造及在轨组装、地外环境综合设施制造等三个阶段的话,那么人类目前的技术也只是处于第一个阶段,尽管如此,随着上下行运输手段的丰富和技术的进步,实现太空办工厂的愿望并不会太遥远。

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