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中国——一条腾空而起的经济巨龙(六) 
作者:[红钻] 来源:[作者惠寄] 2013-11-11

                                   六     国之重器

    俗话说,没有金刚钻别揽瓷器活。工业的本质就是制造,现代工业的本质就是机器制造,所以有什么样的工业取决于能造出什么样的机器。从前面我们看到了中国工业所取得的一系列成就,这些都离不开装备制造业的发展。在刚刚过去的龙年里,中国在装备制造方面同样取得了令人瞩目的进展,呈现出一种全面推进、多点突破的态势,无论是制造装备、开发装备还是科研装备,都取得了令人瞩目的发展,和其他产业形成的相互促进的正循环,无疑这将为中国的工业升级提供良好的前提条件。下面就分别说说工业制造、资源勘探和科学研究等三方面出现的新装备、新技术。

A. 千钧之力

    把现代工业装备称之为重器,并非形容或者夸张,而是真的很重,不但份量很重,地位也很重要。这些工业巨无霸就是工业母机,是制造极限工件的装备,包括核电站零件、航空发动机涡轮等等,它们决定了一个国家的工业制造能力所能达到的最大的高度。可能会有人提出,这些机床中的某些核心系统还是受制于人的,比如数控系统。这方面中国也正在迎头赶上,中国科学院沈阳计算所开发了基于国产龙芯CPU的高档数控装置,已经配备了国产机床,正在逐步实现工业批量应用。 
 
    目前中国的机床产业不但可以自给自足,而且大量对外出口,其中不仅包括中低端产品,也开始进入高端领域。2011年,济南二机床集团囊括了福特汽车美国堪萨斯和底特律两个工厂的全部5条大型冲压生产线订单,并于2013年再次赢得了福特汽车美国肯塔基工厂大型冲压线项目。该生产线由4台多连杆压力机组成,总重6100吨,由双臂送料系统、拆垛机、清洗机、涂油机等设备组成,效率是普通生产线的3倍。  


 
    制造如此一个庞然大物,需要考虑材料强度、结构变形、安装调整和测量修正等一系列全新的问题,决非简单的按比例放大。这种巨型机床一个国家通常只有一台,有的甚至是全世界只有一台,是工业的镇国之宝。缺少了这样的重型设备,很多工业产品根本无法制造,比如飞机发动机中的涡轮、重型飞机起落架等等。说起飞机发动机,是让很多人痛心疾首和少数人津津乐道的话题,中国的航空工业被发动机问题拖后腿已经有很多年了。不过在2012这个龙年里,这个问题已经开始得到解决了。

    飞机发动机的核心部件之——涡轮盘——是高温镍基合金制造的,要承担高温、高压和高速旋转的恶劣工况,因此材料即坚韧又耐高温,这就给制造出了难题,只能用更巨大的压力进行锻造,才能得到合格的工件性能。现在中国有了巨型模锻压机,意味着制造飞机发动机中的一个瓶颈问题可以解决了。
 
    此外,飞机上还有很多重要的承力部件需要用高强度的钛合金制造,而钛合金本身的强度极高,必须使用足够压力的模锻压机才可以使之成形,因此大吨位的模锻压机可以说就是高端航空工业的代名词。所以,中国还在制造更大的模锻压机,而且一下子就是三台。 

  
 
    这表明在飞机发动机领域,中国不仅是在补课,而且已经做好了反超的准备,因为更大的压力吨数意味着更高的涡轮性能、更大的发动机和更强的推力。除了发动机,飞机的机身和起落架也需要用锻压机制造,特别是重型飞机,比如空中客车的A380的起落架就是用俄罗斯的7.5万吨锻压机制造的。 
 
    这种机器是真正的国之重器。目前世界上拥有万吨级模锻压机最多的五个国家分别是:美、俄、中、法、英,恰好也是五个核大国、五个安理会常任理事国、五个具备独立航空航天能力的国家。这绝非巧合,而是说明综合国力归根到底来自于工业实力,重加工能力则是工业实力的最高体现之一。
 
     在重型机床方面,2013年初,中信重工制造安装了第二台直径16米特大型滚齿加工设备,这也是目前世界上加工直径最大、技术性能最先进的齿轮数控加工设备,最大加工直径16米,最大加工模数60,最大加工齿数2000齿,最大齿宽加工1.5米,切削速度每分钟160转。此外,齐重公司研制成功了数控重型曲轴铣车复合加工机床,使中国成为世界上继德国、日本之后第三个能够自主设计、自主制造曲轴加工设备的国家,为我国大型船舶的发展铺平的道路;燃气轮机方面,中国正在完成从引进到消化吸收的过程,制约中国新式军舰大规模量产的发动机瓶颈已被突破;武重集团攻克了数控螺旋桨机床的难关,让中国潜艇螺旋桨的噪音大大减小。 


 
    多轴联动数控机床是制造螺旋桨,特别是潜艇上的静音型螺旋桨,所必须的工业装备。过去只有德国和日本能够生产此类设备,其生产和销售受到北约的严密监控。八十年代中期,东芝公司曾经秘密卖给苏联数套五轴联动铣床,令苏联的潜艇噪声大大降低,成为“大洋黑洞”。现在中国手中也有了此等神器,中国的军舰和潜艇将会发生什么变化,这是不言而喻的。

    庞大的工业产能不仅需要强力的加工装置,也需要海量的矿产资源作为支撑,因此催生了中国的重型机械制造,除了重型机床,还有各种重型工程机械。目前中国占据的重型工程机械世界之最包括:世界最大轮式起重机——徐工集团的1200吨全路面起重机、世界最长臂架泵车——三一重工的72米水泥泵车、世界最大的海上作业浮式起重机——振华重工的8000吨浮式起重机、世界载重最大自卸铁路货车――中国南车的载重100吨自卸铁路货车等等、世界最大的轮斗式挖掘机――太原重工的WK-75型矿用挖掘机,以及全球最大吨位的履带式起重机、世界首台全液压平地机、世界钻进最深旋挖钻机、全球最大的上回转5200吨塔式起重机、全球提升重量最大且高度最高的6400吨液压复式起重机等等。  


 
    这台挖掘机的最大优势在于其高速的生产效率:一斗可以挖掘重达135吨的物料,可将60吨的敞车装2个多车皮;如果与同规格的自移式破碎站配套采煤,每小时的采矿能力可达12000吨。还有下面这辆世界最大的600吨电动轮自卸车。大块头有大智慧。这些巨型机械并非是同类产品的简单放大版,也绝非巨型零件的简单堆砌,而是需要极高的制造、驱动、控制技术,才能让它们工作。 

  
    在重制造方面,这一年中的其他消息还包括:中国二重成功研制国内最大核电含铜钢锻件,其力学性能、晶粒度等指标完全满足技术条件要求,标志着国内最大核电含铜钢锻件实现国产化;高速列车关键零部件国产化项目一期投产,具备年30万片高品质车轮的制造能力,标志着我国高速铁路关键零部件国产化取得了阶段性成果;中国重机研究院研制世界上最厚板坯连铸生产线,这是世界上最厚的700毫米×1500毫米高品质特厚板坯连铸生产线装备,已获得国家2012年智能制造重大专项支持。

B.先进制造

    中国的工业装备不仅在追赶,而且在一些新兴领域已经完成了超越。比如在增材制造技术方面,中国率先完成了飞机大型关键零件的实际制造。增材制造,俗称3D打印,是近年来新兴的一种机械制造方法,通过逐层累积的方式构成工件形状,和传统的切削制造方式相比,优点是节省材料、可以快速构建复杂空间形状的工件。在这方面,中国已经走在了世界前列,中国独有的激光增材制造技术能制造高强度、大尺寸的飞机用钛合金零件,并且已经投入实际应用,这将大大加速了中国飞机制造业的追赶步伐。


 
    目前,我国已经具备了使用激光成形超过12平方米的复杂钛合金构件的技术和能力,并投入多个国产航空科研项目的原型和产品制造中,其中包括最先进的国产战机。成为目前世界上唯一掌握激光成形钛合金大型主承力构件制造并且装机工程应用的国家。

    此外,激光增材制造中核心的大功率激光器技术也取得了突破。2013年4月,中国展示了国产的万瓦光纤激光器,成为继美国之后,第二个掌握此项尖端技术的国家,其中使用的高功率激光合束器和泵浦耦合器等关键核心部件都是依靠自主研发,完全具有自主知识产权。
 
    机床也好,3D打印也好,都是制造机械零件的设备,而信息社会中不可或缺的集成电路芯片,则要靠光刻机来制造。光刻机在芯片制造业中的地位和作用就相当于机床在机械制造业中的地位和作用。一台光刻机中的核心子系统包括:超精密环境参数控制系统、大功率深紫外激光器、超大数值孔径的透镜组、纳米移动定位系统、超高精度多自由度移动工作台等等。

    目前上海微电子的光刻机能够刻蚀90nm的集成电路,距离国外先进水平还有相当的差距,不过这已经为中国的电子工业提供了相当的支持,毕竟并非所有的芯片都需要做到20nm。中国的自主CPU龙芯2F采用90nm制程可以达到800MHz的主频,性能高于1GHz的Pentium III,这就是说,中国已经可以自主掌握这一水平的CPU制造了,其经济意义和军事意义都不可低估。更为重要的是,在解决了有和无的问题之后,在此基础上中国将会继续冲击更高端的光刻设备,自主制造更高端的芯片。 


 
    光刻机是一个极其复杂的光机电系统,其中的核心零件也都需要高端的特殊设备才能加工出来,比如光学系统中的透镜。为了降低衍射效应以便得到更细的线宽,光刻机中使用的激光波长只有通常可见光的三分之一,因此对透镜表面光洁度的要求比普通光学零件要高出三倍,为此必须使用特殊的抛光技术,才能满足其极为苛刻的形貌指标。


 
    光刻机所涉及的产业链非常长、非常高端,世界上没有任何一个国家可以完全独立地掌握其全部子系统的研发和制造技术。目前世界上最大的光刻机生产商ASML是荷兰公司,光刻机中的光学镜组来自德国、干涉测量系统来自美国,其产品可以说是整个西方世界科技成果的总和。在这方面,中国要想取得独立自主的发展,实际上是在以一己之力追赶所有发达国家数百年的积累,每一个单项的突破都意味着中国又追上了一步,这个过程将会是漫长而艰辛的。不过依托完整的产业链、庞大的工业产能和雄厚的人才基础,中国的IC产业最终实现全面超越是完全可以期待的。

    总之,从数万吨的巨型机床到纳米尺度的光刻机,中国的装备制造业在极限制造领域取得了一个又一个的突破,这标志着中国不能做出来的东西正在变得越来越少,中国能造而别人造不出来的东西正在变得越来越多。过去我们常说“填补空白”,今后不但剩余的空白会逐渐消失,反过来,中国还会创造出越来越多的“空白”供别的国家去填补,类似3D激光打印的例子将越来越多。

C.龙宫取宝

    众所周知,海洋中蕴藏着极为丰富的资源,但如果没有相应的勘探、开采装备,也只能望洋兴叹,无法纳入囊中。从前中国在东海和南海等区域谈“搁置主权、共同开发”,前面半句是因为军事和执法力量不到位,半句则是因为自己手中没有开发设备。从前面我们看到,随着三沙市的成立、海军舰队和海上执法力量的壮大,现在的中国已经真正地把南海和东海纳入版图了。这不仅是在地图上纳入,也不仅是在军事上或行政上纳入,还包括在经济上纳入,让主权海域和经济专属区为其祖国和民众带来实实在在的经济利益。海洋资源开发要比陆地上困难得多,所涉及的装备都是高端技术和巨量钢铁的结合,而且需要一系列配套的相关装备相互配合才能完成开发,只有工业基础极其雄厚的国家才能拥有它们。

    军事作战讲究“兵马未动,粮草先行”,而石油勘探则是“钻机未动,物探先行”。在海上钻一口井的成本是极其高昂的,动辄需要数千万乃至数亿人民币。因此根本不可能用盲目打井的办法寻找出油点,而是要在开采之前将海底的地质结构勘察清楚,然后选择机会最大的地点开钻。所以,海洋开发中首先出场的是勘探船。 


 
    海洋石油720把中国的海洋油气勘探能力一举从500米提高到了3000米,可以覆盖全球70%的海域,是在整个海洋油气开发工程中打头阵的先锋。除了完成勘探任务,这艘船在设计中还特别注重提高船员生活的舒适性程度,为此它配备了会议室、餐厅、健身房等设施,船员室一人一间,里面有电脑桌、沙发、床等设备,这也反映了中国造船能力和设计理念的进步。此外,中国正在加紧建造其姊妹船――海洋石油721,以及配套的远洋支援船,届时它们将组成船队出海勘探,成为中国走向深水、走向远洋的先锋。


 
    勘探完毕之后,明确了油气的分布情况,找到最有可能打出油气的位置,下面的工作才是钻井。981平台就是专门针对南海设计的深海钻井平台,其最大3000米的作业水深可以覆盖几乎所有的南海区域。并且它不是孤军作战的,钻井之后,下一步是铺管作业,其目的是把油气从井口送到处理平台。 


 
    海洋石油201的独特之处在于,除了铺管作业,还具备4000级的起重能力,可以完成海上石油平台上部模块等大件的吊装与拆除和导管架的辅助下水与就位等动作。

    接下来,处理平台对开采出的油气进行初步的加工,然后再通过管道或船只运送到陆地。2013年5月5日,我国自主研制的亚洲最大深海油气平台“荔湾3-1”天然气综合处理平台登上世界最大无动力驳船“海洋石油229号”,被运往南海安装现场。“海洋石油229号”是世界上最大的无动力驳船,作业能力亚洲第一、世界第二。此前,一个重32000吨、亚洲最大的油气平台导管架已经事先安装完毕,用于支撑这个平台。该平台是我国自主研发、亚洲最大的深海油气平台,它高68米、浮托重量3.2万吨、价值50多亿,相当于一个小型炼油厂。其全部结构重量达7万多吨,接近于两个“鸟巢”的主体钢结构重量,超过了“辽宁号”航母的总重量,是一座名副其实的海上工厂。预计2013年9月份该平台可实现投产,年产天然气120亿立方米。

    从2012年里中国在南海的油气开发、三沙市成立、渔政巡航、黄岩岛巡航、两栖登陆夺岛演习等一系列事件的时间关系来看,基础建设、军事威慑、执法巡航和资源开发同步进行,表明这些并不是孤立的事件,而是一整夺回南海的组合拳。其核心就是借助强大的工业力量,以基建为支撑、以军事和执法为保护,通过建设城市和基地、投射军事和执法力量、勘探和开发海底矿产等手段,把南海变成中国的能源宝库,为中国的工业源源不断地提供资源。

    除了上面这些直接参与海上油气开发的巨型设备,与之成龙配套的还有下面的这艘2012年新投入使用的饱和潜水母船。其随船配备了300米饱和潜水系统,集生活舱、过渡舱、逃生舱、潜水钟、生命保障系统于一身,可以支持多名潜水员在水下工作连续工作多日,潜水钟可供3名潜水员同时进行潜水作业,其最大3000米的作业深度可以为上述3000米的海上油气勘探、钻井、铺管、开采等一系列作业提供支持和保障。未来中国还将继续研制500米饱和潜水,向700米的国际水平继续逼近。


 
    在饱和潜水方面中国还处于追赶的位置,在非饱和的载人深潜方面中国则已经走到了世界前列。载人深潜器可以分为浮力舱和作业型两种;前者曾创造过11000米的深潜世界纪录,但仅仅是把人送下深海然后返回,不能进行任何操作,只有探险意义,不具备实用价值;后者则具备自航、观察和作业能力,可以完成诸如勘察、采样、打捞、检测和救生等任务,具有很高的实用价值。这就是蛟龙号,其应用绝非仅限于科学考察,还可以应用在军事和经济领域。


 
    除了蛟龙号之外,目前世界上另有4个国家的5艘作业型载人深潜器可以达到6000米的深度,最大可下潜到6500米。蛟龙号在海试中,展示了于太空的载人飞船进行实时通话的能力,这绝不是一次简单的作秀,而是展示出一种全球性的、天地间的通讯能力,这是一种从卫星数据链到水声通讯的整体性系统能力,只属于顶级大国。

    2013年4月,经过7000米海试后的蛟龙号正式投入使用,这意味着全世界99.8%的海底都已经向中国人敞开了大门,等待着我们去探索、去发掘。而且蛟龙号的首个应用海区便是中国南海,和军事演习、执法巡航、三沙建市、油气开采等动作结合在一起,这是整套组合拳中的一环,也是龙归大海的开始。未来中国还将继续进行深潜器的研制工作,实现关键部件的国产化,包括钛合金耐压球壳、水下动力系统等等。

D.科研探索

    制造装备决定了我们能做出什么,开采装备决定了我们能得到什么,科研装备则决定了我们能知道什么,三者合在一起构成了一个国家的全部制造能力。其中科研装备的作用是最重要的,因为谁也没有办法制造出或开采到原本不知道的东西。

    在航空航天领域尤其如此,拥有什么样的风洞,就拥有什么样的飞机、飞船和导弹,航空大国同时必定是风洞大国。此外,汽车、船舶和建筑的设计也都离不开风洞。中国现在已经拥有了全面而完整的风洞体系,包括亚音速、跨音速、超音速和超高音速等不同气流速度、各种尺寸大小的风洞,以及激波、电弧、立式等特种风洞。所以近年来我们的航空和航天事业出现了井喷式的发展,各种新飞机、新导弹层出不穷,背后是一个完整的风洞群体系在支持。


 
    目前某超级大国正在开发所谓六代机――驭波者,号称要实现一小时之内的全球快速打击,以此作为维护其全球霸权的威慑力量。而最新建成的这座超高音速风洞为中国的航空航天研发又增添了一项利器,仅从其性能指标――25至40公里高空、5至9倍音速――就不难推测出来,中国即将拥有什么样的新型飞行器。面对赤裸裸的军备挑战,这座风洞的建立同时也表明了中国的意志和力量,如果有人试图用军备竞赛来威胁中国的生存和发展,中国将有决心、有能力奉陪到底。今天中国的工业和科技实力已经达到了这样一种高度,足以支持我们硬碰硬地从正面应对这种挑战。

    振动平台也是是研发航空航天设备所必不可少的试验设备。飞机、火箭、飞船、列车等等,鉴于其结构的复杂性,无论理论和仿真计算如何周密,最终还是要靠试验确定其振动特性,防止出现破坏性共振。


 
    这方面的一个反面例子是,1992年中国为美国发射澳星B2,美方出于保密没有向中方提供全部的卫星参数,结果在发射过程中,星箭之间发生了耦合共振,即运载火箭的振动频率和卫星的固有频率相同,于是引起了卫星的强烈振动,最终造成卫星发动机爆炸,虽然中国火箭继续把卫星残骸准确送入了预定轨道,整个发射最终还是归于失败。

    围绕大推力电动振动平台,原本是美国等发达国家对中国实行禁运。可笑的是,当中国已经研制出了更大推力的振动平台之后,不知是出于傲慢还是迟钝,美国却仍然维持着原的禁运水平――9吨。后来反倒是中国向美国出口了16吨级的平台,并且在出口协议中加入了用途限定条款,规定美方不得将其用于军事用途,签字的美方负责人不禁发出感叹,说这是他第一次签署这种条款。相信随着中国科技的不断进步,类似的事情只会越来越多。

    关于现代科技,有人以为就是用硅片代替钢铁。这种说法并不准确。硅片和钢铁之间不能说谁高级谁低等、谁先进谁落后,也谈不上谁取代谁,而是一种相互配合、相互依赖的关系。实际上,从某种程度上说,芯片本身就是被钢铁造出来的。大家知道,芯片是由光刻机制造出来的。光刻机本是由钢铁机械、光学零件、电子芯片等等构成的,其中包含大量高品质的钢铁部件,它们构成了光刻机的运动系统,使得被曝光的硅片得以实现纳米精度的空间定位,这样才能在上面准确地刻出纳米尺度的电路元件。其他很多电子设备也都需要在钢铁支持下才能发挥作用。

    所谓射电天文望远镜,并非一件光学仪器,而是一个巨大的天线,用于接受来自宇宙的无线电波,或者向遥远星际的发射无线电波。这台巨型的射电天文望远镜是电子和钢铁结合的产物,拥有一个2700吨的钢铁构成的移动结构,核心技术完全由中国自己研发,最远可以观察100亿光年外的天体。其天线面积有3318平方米,主反射面由14圈共1008块高精度实面板铺成,变形误差不大于0.3毫米。为了保证天线能准确地指向需要的方向,其直径42的方位导轨采用无缝焊接,精度达0.1毫米。为了克服环境温度、重力等因素的影响,保证镜面的形状始终符合要求,其主反射面采用了最先进的主动控制技术,在每块面板背后都安装了促动器,可以精密调节其方向。这台射电天文望远镜将帮助中国的深空探测和登月工程更上层楼。同时,它也给中国人增加了一只观察宇宙的眼睛,可以帮助我们更好地认识宇宙、认识周围的世界,为最终迈入星辰大海做好准备。


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