讀懂“中國(guó)制造”的魄力與魅力！

從“神舟”飛天、“北斗”組網(wǎng)、“嫦娥”奔月、“蛟龍”入海、“天眼”巡空，到中國(guó)高鐵、大飛機(jī)C919、華龍一號(hào)、深海一號(hào)、天問(wèn)一號(hào)……近年來(lái)，這些耳熟能詳?shù)拿殖蔀椤爸袊?guó)制造”的最好注腳。

如今，越來(lái)越多的中國(guó)智造、中國(guó)方案、中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)走向世界。

奮力書寫中國(guó)制造的高質(zhì)量答卷

曾有這樣一件事讓徐工礦業(yè)機(jī)械有限公司技術(shù)中心主任楊裕豐耿耿于懷了多年。

20世紀(jì)90年代末，剛剛?cè)肼毿旃さ臈钤ＸS隨團(tuán)前往德國(guó)寶馬工程機(jī)械展參觀學(xué)習(xí)，在有中方參觀人員詢問(wèn)外方是否可以拍照時(shí)，得到這樣一個(gè)回答：“可以拍照，錄像都可以，就是拍下來(lái)你們也學(xué)不會(huì)。”

從那時(shí)起，楊裕豐心中鉚起一股勁，臥薪嘗膽，要讓中國(guó)制造后來(lái)居上，在全球占據(jù)一席之地。

2018年4月，隨著我國(guó)自主研發(fā)的第一臺(tái)700噸超大型液壓挖掘機(jī)正式下線，作為總工程師的楊裕豐在踐行自己當(dāng)初承諾的路上邁出了重要一步。

700噸液壓挖掘機(jī)被譽(yù)為“神州第一挖”，是個(gè)真正的巨無(wú)霸，它有多大？楊裕豐說(shuō)，僅挖掘的鏟斗就能容納100人站在里面，一斗可以放置60噸物料，接近1節(jié)火車皮的容量，最大挖掘高度能夠達(dá)到18.7米，相當(dāng)于7層樓的高度。

大型液壓挖掘機(jī)是露天礦業(yè)開采的主要挖裝設(shè)備，是集機(jī)、電、液為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，產(chǎn)品價(jià)值高、技術(shù)難度大、行業(yè)壁壘高。

在我國(guó)研制成功之前，700噸液壓挖掘機(jī)只有美國(guó)、德國(guó)、日本3個(gè)國(guó)家能夠制造，市場(chǎng)占比超過(guò)90%。

在楊裕豐記憶中，僅在十幾年前，200噸以上的挖掘機(jī)，還只能從國(guó)外購(gòu)買。如今，從200噸到700噸超大型挖掘機(jī)，中國(guó)都具備了制造的技術(shù)和能力。在完成超大型挖掘機(jī)研制的時(shí)間上，國(guó)外耗時(shí)20余年，我國(guó)則僅用了七八年。

在中國(guó)制造上，這將是一段載入史冊(cè)的榮耀征程。

2013年，當(dāng)700噸液壓挖掘機(jī)正式立項(xiàng)時(shí)，作為項(xiàng)目總負(fù)責(zé)人的楊裕豐承受的是前所未有的壓力。

為了進(jìn)一步了解實(shí)地施工工況，分析不同環(huán)境下大型挖掘機(jī)的性能參數(shù)，為研制提供數(shù)據(jù)，不到6個(gè)月時(shí)間，楊裕豐帶著團(tuán)隊(duì)足跡遍及甘肅、內(nèi)蒙古、西藏、新疆、山西等大半個(gè)中國(guó)，行程超過(guò)10萬(wàn)公里。

在研發(fā)道路上，被楊裕豐形容為挖掘機(jī)“大力金剛腿”的“四輪一帶”曾是橫亙?cè)诿媲暗淖畲髷r路虎。

“四輪一帶”指的是引導(dǎo)輪、支重輪、托鏈輪、驅(qū)動(dòng)輪和履帶，“作為超大型挖掘機(jī)的核心部件，其不僅承擔(dān)將挖掘機(jī)送達(dá)作業(yè)目的地的行駛?cè)蝿?wù)，而且要支撐整機(jī)以及承受挖掘、卸料等全過(guò)程產(chǎn)生的作用力，要求之高、開發(fā)難度之大，常規(guī)產(chǎn)品難以比擬。”楊裕豐坦言。

當(dāng)時(shí)，面對(duì)國(guó)外“四輪一帶”采購(gòu)價(jià)格高、配送周期長(zhǎng)，售后服務(wù)跟不上等種種限制，楊裕豐把實(shí)現(xiàn)“四輪一帶”完全自主研發(fā)立成軍令狀。

攻堅(jiān)之路上，研發(fā)團(tuán)隊(duì)打破常規(guī)思路，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析現(xiàn)有產(chǎn)品的傳動(dòng)和接觸參數(shù)以及性能表現(xiàn)，獲取目標(biāo)性能參數(shù)，再通過(guò)修整齒形及輪體外緣參數(shù)，模擬分析對(duì)比，再優(yōu)化，逐漸逼近目標(biāo)性能參數(shù)。

經(jīng)過(guò)6個(gè)月的潛心研究，理想的齒形參數(shù)和輪緣參數(shù)終于獲得，并填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)超大型挖掘機(jī)“四輪一帶”研發(fā)的空白。

“我們的‘四輪一帶’成本僅是國(guó)外引進(jìn)價(jià)格的三分之一，制作周期也縮短到3個(gè)月，并具備全面的售后保障服務(wù)?！蹦且豢?，楊裕豐無(wú)限感慨。

從2013年到2018年，被楊裕豐團(tuán)隊(duì)攻克的難題不僅于此。

楊裕豐坦言，700噸絕不僅僅是“中國(guó)最大噸位”這么簡(jiǎn)單，該產(chǎn)品擁有自主專利52項(xiàng)，在中國(guó)超大型液壓挖掘機(jī)領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵核心技術(shù)的集中應(yīng)用突破，標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第四個(gè)具備700噸級(jí)以上液壓挖掘機(jī)研發(fā)制造能力的國(guó)家。

從二氧化碳變成淀粉，只需要11步

將二氧化碳變成淀粉？這不是天方夜譚。

2021年9月24日，這項(xiàng)由中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所在淀粉人工合成領(lǐng)域完成的重大突破發(fā)表在了國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上，這也是國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)從二氧化碳到淀粉的人工合成，一項(xiàng)徹徹底底的“中國(guó)制造”。

2015年年初，當(dāng)?shù)谝淮蔚弥?jì)劃啟動(dòng)人工合成淀粉項(xiàng)目時(shí)，中國(guó)科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所副研究員蔡韜在心中打了一個(gè)大大的問(wèn)號(hào)。

億萬(wàn)年來(lái)，在自然界，淀粉主要由玉米等農(nóng)作物通過(guò)自然光合作用固定二氧化碳生產(chǎn)。這一過(guò)程，淀粉合成與積累涉及約60步生化反應(yīng)以及復(fù)雜的生理調(diào)控，理論能量轉(zhuǎn)化效率僅為2%左右。

在蔡韜看來(lái)，如何保障糧食淀粉可持續(xù)供給，將二氧化碳轉(zhuǎn)化利用“變廢為寶”已成為當(dāng)今世界科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略方向，不依賴植物光合作用，設(shè)計(jì)人工生物系統(tǒng)固定二氧化碳合成淀粉，將是影響世界的重大顛覆性技術(shù)。

“簡(jiǎn)而言之，我們就是將農(nóng)作物利用低密度太陽(yáng)能、低濃度二氧化碳生產(chǎn)淀粉的復(fù)雜合成途徑，變成通過(guò)工業(yè)方式利用高密度電氫能、高密度二氧化碳生產(chǎn)淀粉的簡(jiǎn)單合成途徑?！辈添w說(shuō)。

一句話的簡(jiǎn)單介紹背后卻是團(tuán)隊(duì)無(wú)數(shù)個(gè)不分日夜的試驗(yàn)、探索與堅(jiān)守。

試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)首先利用高能量密度的電氫能將高濃度的二氧化碳化學(xué)還原為在生物體系具有高傳遞效率的簡(jiǎn)單化合物，然后設(shè)計(jì)、構(gòu)建更簡(jiǎn)單生物轉(zhuǎn)化途徑將碳一化合物聚合為多碳的淀粉分子。

為了保證這一設(shè)計(jì)的順利完成，團(tuán)隊(duì)人工設(shè)計(jì)構(gòu)建碳一聚合新酶，“人工酶能夠打通整個(gè)轉(zhuǎn)化途徑，確保反應(yīng)更好更快地發(fā)生，像一條流水線一樣?！辈添w說(shuō)。

2018年7月24日，是一個(gè)激動(dòng)人心的日子。正在會(huì)議上的蔡韜收到同事發(fā)來(lái)的一張照片，并排的三支試劑管，中間一支的碘溶液呈現(xiàn)淡淡的藍(lán)紫色，與左右兩邊的深藍(lán)色與無(wú)色對(duì)比明顯。

后來(lái)，蔡韜說(shuō)，那淡淡的藍(lán)紫色是他見過(guò)的最美的顏色。

難以抑制興奮之情的蔡韜立刻趕回實(shí)驗(yàn)室，直到親眼看到試劑管，才放下心來(lái)。“這意味著制造路徑全線打通了。”蔡韜說(shuō)。

3年多的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了從0到1、從虛擬到現(xiàn)實(shí)的跨越，鴻溝跨過(guò)去了。

但研究尚未結(jié)束，蔡韜說(shuō)那只是“人工合成淀粉1.0版本”。之后，團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)化速度和效率，先后完成2.0版本和3.0版本。

6年時(shí)間，一批當(dāng)初平均年齡30歲的青年科學(xué)家從無(wú)到有創(chuàng)造奇跡。在這條路上，團(tuán)隊(duì)記了33本的實(shí)驗(yàn)記錄，其中不僅有核心數(shù)據(jù)，還有各種失敗路徑。

同樣在這條路上，團(tuán)隊(duì)通過(guò)計(jì)算分析，從約7000個(gè)生化反應(yīng)中設(shè)計(jì)出多條從二氧化碳到碳一中間體再到淀粉合成的新途徑，最終的途徑只有11步主要反應(yīng)，這一人工途徑的淀粉合成速率是玉米淀粉合成速率的8.5倍。

據(jù)了解，按照目前技術(shù)參數(shù)推算，在能量供給充足的條件下，理論上1噸二氧化碳的生物反應(yīng)器年產(chǎn)淀粉量相當(dāng)于5畝土地玉米種植的淀粉平均年產(chǎn)量。

走向太空的“中國(guó)制造”

2020年5月，在由長(zhǎng)征5號(hào)B運(yùn)載火箭搭載發(fā)射的中國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船上，進(jìn)行了一項(xiàng)特殊的實(shí)驗(yàn)——由立體光刻3D打印機(jī)進(jìn)行陶瓷、金屬?gòu)?fù)合材料的微米級(jí)精度在軌制造。

這是國(guó)際上第一次在太空進(jìn)行該類試驗(yàn)。

在試驗(yàn)持續(xù)的兩三個(gè)小時(shí)里，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心研究員、太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王功和同事們無(wú)比激動(dòng)。

從2014年以來(lái)，中國(guó)太空制造試驗(yàn)從地面走向太空，這不僅是空間距離上的一大步，更是我國(guó)太空制造領(lǐng)域前進(jìn)中的關(guān)鍵一步。

什么是太空制造？為什么進(jìn)行太空制造？在王功看來(lái)，后勤補(bǔ)給資源是長(zhǎng)期太空探索任務(wù)成功的重要保證，目前主要是通過(guò)發(fā)射運(yùn)載火箭和貨運(yùn)飛船向空間站進(jìn)行補(bǔ)給，不僅周期長(zhǎng)，而且成本昂貴。

“如果需要的零部件在太空里就能直接制造，將是人類太空探索技術(shù)的一次革命性進(jìn)展?！蓖豕Ρ硎?。

雖然太空制造在空間站在軌應(yīng)急維修保障、大型空間載荷在軌部署等方面具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，但與地面環(huán)境相比，太空的長(zhǎng)時(shí)微重力、強(qiáng)輻射、高真空、交變冷熱循環(huán)等環(huán)境也給太空制造技術(shù)帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，對(duì)于太空制造裝備，也需要滿足高精度、低功耗、小型化、智能化等苛刻的技術(shù)要求。

2014年，我國(guó)成立科研團(tuán)隊(duì)開始太空制造研究。2017年年底，中國(guó)科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室正式成立，這是一支平均年齡只有33歲的青年科研隊(duì)伍。

其實(shí)，在國(guó)際上，開展太空制造技術(shù)研究的時(shí)間也才10余年。

2014年9月，美國(guó)航空航天局在全球第一次將一臺(tái)打印機(jī)送到國(guó)際空間站，這臺(tái)放在手套箱里、以打印塑料為主的打印機(jī)并不大，各項(xiàng)指標(biāo)都不算先進(jìn)，但卻引發(fā)廣泛關(guān)注。

“這是在空間站第一次有了自動(dòng)化生產(chǎn)的工具。”王功說(shuō)。

2015年，王功開始策劃第一次微重力環(huán)境下的3D打印試驗(yàn)。由于當(dāng)時(shí)我國(guó)還沒(méi)有建成空間站，借助中科院與德國(guó)宇航局的合作關(guān)系，團(tuán)隊(duì)將試驗(yàn)挪到了歐洲航天局的失重飛機(jī)上。失重飛機(jī)是在地面上模擬太空環(huán)境的一個(gè)重要試驗(yàn)平臺(tái)。

在8000米高空，當(dāng)飛機(jī)關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)，開始一個(gè)自由落體的拋物線下降時(shí)，會(huì)產(chǎn)生22秒的微重力環(huán)境。

正是利用31次重復(fù)循環(huán)的22秒微重力環(huán)境狀態(tài)，王功團(tuán)隊(duì)不斷測(cè)試3D打印效果，打印出“中國(guó)科學(xué)院”5個(gè)字。

29歲的3D打印機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)人劉亦飛，親歷了第一天的失重飛行。他說(shuō)，第一次微重力環(huán)境3D打印試驗(yàn)，令團(tuán)隊(duì)收獲頗豐，拿到樣品那一刻，每個(gè)人都無(wú)比開心。

通過(guò)這次試驗(yàn)，王功發(fā)現(xiàn)熔融沉積技術(shù)的兩個(gè)缺陷：產(chǎn)品性能有限并且制造精度距離在軌直接裝配使用還存在不小距離。

為此，在完成首次微重力模擬試驗(yàn)之后，中科院太空制造實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)向利用立體光刻來(lái)進(jìn)行太空制造的路線。

“這個(gè)原理很簡(jiǎn)單，利用紫外光去觸發(fā)光敏樹脂的光聚合反應(yīng)來(lái)進(jìn)行固化，有點(diǎn)像女生涂指甲油，然后在紫外燈下去照射固化?！蓖豕φf(shuō)，這是一種被美國(guó)航空航天局研究過(guò)并被否定了的工藝。

“原因在于這種工藝的原材料是液體，而在微重力環(huán)境下，液體漿料受表面張力的影響，很容易自由飄散，難以控制其穩(wěn)定狀態(tài)，從而無(wú)法完成打印過(guò)程?！蓖豕Ρ硎?。

如何能找到一個(gè)方法，來(lái)保證液態(tài)材料無(wú)法自由流動(dòng)？

經(jīng)過(guò)探索、試驗(yàn)，團(tuán)隊(duì)選擇將陶瓷粉末、樹脂溶液和光引發(fā)劑等材料進(jìn)行混合匹配，開發(fā)出一種全新的陶瓷膏體材料。這種材料類似牙膏狀，在沒(méi)有外力時(shí)，可以保持固有形態(tài)，如此一來(lái)，在微重力環(huán)境下，仍然可以保證液體的形態(tài)可控，進(jìn)而完成立體光刻的成型工藝。

然而，就是這樣一項(xiàng)工藝，團(tuán)隊(duì)前后研發(fā)了兩年。

“將納米級(jí)、亞微米級(jí)金屬和陶瓷粉末添加到光敏樹脂溶液里，相當(dāng)于把一袋面粉倒入一杯水中，并且還要保持納米顆粒均勻分散，難度非常大?！蓖豕φf(shuō)。

2018年，再次在失重飛機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，立體光刻工藝被證明行得通，團(tuán)隊(duì)將“不可能”變成了“可能”，這也是中國(guó)團(tuán)隊(duì)在太空制造領(lǐng)域首次提出并驗(yàn)證一個(gè)新思路。

2015年以來(lái)，團(tuán)隊(duì)先后完成了4次面向不同工藝和材料的地面微重力模擬飛行試驗(yàn)。

2019年10月，在陜西西安閻良，團(tuán)隊(duì)通過(guò)與中國(guó)試飛院合作，完成了我國(guó)首次自主微重力模擬飛行試驗(yàn)，這次飛行不論對(duì)于中國(guó)太空制造，還是對(duì)未來(lái)其他太空技術(shù)驗(yàn)證而言，都是一次零的突破。

如今，在王功心中，還有很多技術(shù)難題求解答案。

他坦言，如果太空制造存在小型零部件制造、大型空間裝置制造及在軌組裝、地外環(huán)境綜合設(shè)施制造等三個(gè)階段的話，那么人類目前的技術(shù)也只是處于第一個(gè)階段，盡管如此，隨著上下行運(yùn)輸手段的豐富和技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)太空辦工廠的愿望并不會(huì)太遙遠(yuǎn)。