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中国工程院院士干勇:高端装备如何成为建设科技强国的有力抓手

发布时间:2024/05/30

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干勇,中国工程院院士,中国工程院原副院长、国家新材料产业发展专家咨询委员会主任。长期从事国家产业发展战略研究,以及新材料、冶金、现代钢铁流程技术研究,是我国著名的战略科学家。主持国家“十一五”重大支撑计划项目,并担任国家科技创新2030重大项目“重点新材料研发及应用”编制专家组组长。

装备制造业是国之重器,是实体经济的重要组成部分。近十余年来,我国装备制造业成为推动工业增长的主力,高端装备制造业发展势头向好,产业规模不断扩大。后来者居上的北斗卫星导航系统、屡创世界之最的百万千瓦水轮发电机组、成功逆袭的盾构机、破除“海上禁区”魔咒的海洋石油钻井平台、突破技术封锁的三代核电机组等一大批标志性装备取得突破,国际竞争力不断增强。高端装备如何成为建设科技强国、实现高水平科技自立自强的有力抓手?

党的二十大报告指出,坚持把发展经济的着力点放在实体经济上,推进新型工业化,加快建设制造强国、质量强国、航天强国、交通强国、网络强国、数字中国。我国大国重器为什么能达到现在这么高的水平,进入国际一流方阵,有的甚至超过国外同类集成技术的重大装备。因为我们用40多年的时间追赶了西方国家200多年的工业化进程,科技创新能力和制造能力跃上了新台阶。


中国盾构机进入国际一流方阵


中国的基建任务量大,要求也很高,随着铁路、公路、地铁、海底隧道等大量基础设施的建设,盾构机需求很大。盾构机是一个涵盖了机械、液压、电气、力学等数十个学科交叉复杂的大型装备,有3万多个精密的零部件,每一个单体控制就有2000多个控制点。我国地形非常复杂,幅员辽阔,所以盾构机在使用过程中会遇到各种各样的问题,是世界上最难的。盾构机的刀盘非常重要,如果断裂它就失效了,所以我们必须保证整个刀盘的强度和韧性,它的寿命绝对要保障。原来我们用的盾构机完全是靠进口,从德国买一个盾构机,刀盘一断,拿回去一换,5000万元修一次,而且影响工程进度。

2008年我们制造了“中铁一号”,完全是自主设计,打破了洋盾构机一统天下的格局。后来我们研发了“京华号”——最大的盾构机,开挖直径16.07米,机器长150米,重4300吨,是个巨无霸。我们攻克了常压换刀、泥水量远距离高效大功率输送难题,同时把凿好的隧道进行封顶,全部工作同时完成。川藏铁路是迄今为止建造难度最大的铁路,全长1800多公里、340座大桥、180多座隧道,桥隧占比为84%,而且岩石非常坚硬,一般的盾构机根本无法掘进。但是我们中国铁建研发的硬岩隧道盾构机就解决了这些难题。

目前我国盾构机出口了24个国家,特别最近3年,硬岩掘进的隧道盾构机出口超过了103台,金额大概235亿元,进入了盾构机研发制造的国际一流方阵。


“强天下者必胜于海”


“强天下者必胜于海”,发达的海洋经济是建设海洋强国的重要支撑。但是走向“深蓝”并不比走向“深空”简单。这里是世界各国科技力量角逐的重要舞台。在海洋工程装备制造研发中,我们遇到了很多挑战。深远海地质条件复杂,既有高山峡谷、硬岩淤泥,还有台风袭扰、暗流涌动,既要面对海水的超强腐蚀,又要抵抗大洋深渊的超高水压,突破这些难关必须掌握高端海洋工程装备制造技术。

以前我们说向海洋再要20万亿元GDP(国内生产总值),现在快完成了一半。中国海洋工程装备支撑了我国海洋经济9.5万亿元,预计未来的速度会更快,为300万平方公里海域的发展开发增添了澎湃的动力。

为什么南海这么重要?我们每年大概要引进5亿吨原油,占了我们自己用油的70%。我国55%以上的油气资源,现在都埋藏在水深超过1000米的南海海域。20世纪80年代,6个国家(包括美国)的石油巨头在南海展开了长达20余年的勘探,想在这里开采石油。但由于钻井事故频发,虽耗资50亿元,最终纷纷铩羽而归。南海因此被国外石油公司称为“海上油气勘探开发的禁区”。后来中海油、大连船舶重工联合起来,让我们彻底打破了“海上禁区”的魔咒。

南海采油有几个难关,主要是台风和内波。应对远洋台风,我们有时间准备,但是南海本身的土台风距离近、来得快,而且南海内波(水下暗流)涌动非常复杂。我们的钻井平台有1万多个传感器,对船的位移,包括船艏的方向,空气中的风、温度,海水流速等指标进行监测,完全能够随时响应环境变化。两个定位系统,一个是锚泊定位系统,一个是动力定位系统,上抓北斗,下抓地下的声呐信标,综合天地协同定位。另一个难点是深海之下工作环境恶劣。在1000米以下的深水里看不见光线,45厘米的钻头对准井口插进去,只有1.8厘米的缝隙。为此,我们研发了能精准对位的水下机器人,深潜能力达到4500米左右,解决了进行各种复杂的水下作业的难题。此外还有井喷和浅层气,如果钻井时在浅层发现有天然气是很危险的。如果一旦钻透,气体很快喷发到平台位置,就面临机毁人亡的危险,但是我们依靠精确的控制技术很好地解决了这个问题。


筑牢能源安全的根基离不开高水平能源装备


我国是世界上最大的能源消费国之一,推动能源科技实现高水平自立自强,已成为把握新一轮科技革命和产业变革机遇、赢得创新发展主动权、保障国家能源安全的必由之路。筑牢能源安全的根基,离不开高水平能源装备。

我国的能源装备市场规模达到了1.8万亿元,占全球1/4,特别是新能源发展优势明显,锂动力电池、光伏芯片产量占全世界90%以上,光伏组件占全世界78%。我国的光伏电池达到26.1%的转化率,达到世界先进水平,为可再生能源大量用绿电或者生产绿氢创造了条件。

中国是唯一掌握和实践特高压这项尖端技术的国家。所有超低铁损取向硅钢全部国产,变压器从100万千伏安、300万千伏安到450万千伏安,国产超低铁损取向硅钢都能用。

我们突破了数百项特高压的工程技术,已经有33项特高压工程,线路长达5万公里以上,以近5000亿元直接投资带动西部地区投资1.3万亿元,每年拉动西部地区GDP2600亿元,增加税收500亿元。我国需要建设非常大型、安全强大的能源网络,这个能源网络可以接受微型网分布式发电,特高压就是网络组成的核心部分。

我们累计出口了500亿美元的特高压工程装备,例如利用我国的设备从巴西的美丽山,把亚马孙河将近1100万千瓦的发电输送到里约热内卢和圣保罗,输送工程长达2000多公里,巴西非常满意。特高压技术可能很多国家多少年都学不来,我们已经达到很高的程度,可以说遥遥领先。


高端医疗器械和生命科学完美结合


高端医疗器械关系14亿多人口健康需求,和生命科学完美结合。全球医疗器械市场规模达到6000亿美元以上。目前我国高端医疗设备已取得突破性进展,超声设备、CT机、核磁共振等高端医疗影像设备国产率已占50%左右。我国3个特斯拉的核磁共振“联影”获得国家科技进步奖一等奖,5个特斯拉的设备已开展攻关。另外,我国开发了多模态的分子影像装备PET-MRI,首台国产体外膜肺氧合机(ECMO)上市。在新冠疫情期间,工信部紧急启动ECMO专项,4家单位100名科学家临危受命,1000天完成任务。2023年1月国产ECMO获得了三张注册证,三周之内生产了300台,解决了重症救治的燃眉之急。但是总体看,我国高端医疗器械仍然大量进口,年进口额180亿美元左右,还需要进一步努力。


北斗系统完全取代GPS没问题


北斗系统完全取代GPS没问题,为我们安全、可靠、精准定位和定时提供了非常强大的支撑。现在我们南海领域全部换装北斗系统的航标,我们的卫星可以覆盖全球。但是,我们的基站没有美国的便利,美国在别的国家可以大量安装基站,我们出了中国就很难。为了解决这个限制,需要把卫星连接起来,卫星的互联通过互相计算、互相定位,能看到全世界每个角落,通过与国内的基站进行信号比对和修正,通过云平台运控系统,从而达到非常快的速度多轨道组网运行。


新质生产力提供新需求新机遇


一个个举世瞩目的国之重器背后,是制造业加速智能化转型的革新力量。在席卷全球的人工智能浪潮下,国之重器有了“智慧大脑”,新质生产力加速形成。未来我们该如何布局,加快实现高水平科技自立自强?

未来国力比拼靠算力。算力就是国力体现,建立在算力基础上的新一代的人工智能、连续大数据是未来决定胜负的重要手段之一。我国重视算力底座的构筑,例如建立超算中心、大数据中心、数据库等。在材料领域,材料基因组计划利用大数据加高通量计算、高通量制备和表征测试,通过算力把新材料的研发成本降低一半,研发周期缩短一半。特别是未来量子计算、量子检测发展起来以后,我们还有一定基础。我国在数学学习方面人才济济,我们不怕艰苦,也甘于寂寞,要集中力量为算力底座打下基础。

光刻机是芯片发展的拦路虎。芯片战争实际上是算力之争。高端芯片是中国的一个短板,我们在先进制程受制于人,但是我们做到了7纳米的设计、14纳米的制程、12英寸大硅片的生产。光刻机的供应链高度依赖国际分工,3万多个分件,超过10万个零部件,13个系统,全球5000多个企业为它服务。高端光刻机把全球最好的技术、最精密的技术和装备部件耦合在一起。国产光刻机要守住底线,奋起直追。

大国重器体现了中国的制造实力、硬实力,新一代材料要引领高端制造业的发展。面向未来产业的量子技术、自旋电子、低维材料、超导材料、超宽禁带半导体等等,我们要提前布局。

习近平总书记提出加快形成新质生产力,标志着科技创新高质量发展的崭新时代已经来临。新质生产力将加快高新技术的转化速度,未来产业会尽快落地和发展。让我们以科技自立自强为己任,为实现中华民族伟大复兴而奋斗。