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创新,以国家需求为己任
2022/01/17 11:07  人民日报  

  习近平总书记指出,要强化国家战略科技力量,提升国家创新体系整体效能。国家实验室、国家科研机构、高水平研究型大学、科技领军企业都是国家战略科技力量的重要组成。各个主体互为补充又各有侧重,从按照“四个面向”的要求,到以国家战略需求为导向,从成为基础研究的主力军和重大科技突破的生力军,到整合集聚创新资源,共同构成国家创新能力体系,为实现高水平科技自立自强贡献力量。文化版今起推出“科技自立自强·强化国家战略科技力量”系列报道,聚焦不同科研机构、大学、企业、新型研发机构的科技成果和创新故事,感受我国科研创新的强劲动能。

  ——编 者

  距离地球3.2亿公里的遥远星球上,在约9分钟的时间里,从约2万公里/小时减速至0,在陨石、沙尘暴等恶劣环境威胁下自主完成一系列复杂降落动作,在着陆缓冲机构的保护下抵达星球表面。

  这是探测器着陆火星所需要经历的过程。通信信号由火星传到地球至少要十几分钟,无法实时监控,因此,这段异常复杂危险的着陆过程,也被称为“恐怖9分钟”。

  迄今为止,人类已经发射了50多个火星探测器,但只有18次成功登陆。2021年5月,我国火星探测器天问一号成功着陆在火星表面。

  得知消息,在中国科学院合肥物质科学研究院(以下简称中科院合肥研究院),有一群人兴奋之余,颇觉宽慰。为保障天问一号安全软着陆,他们设计了基于高吸能合金的缓冲元件,利用其高塑性和高吸能性吸收着陆时的冲击能。这也是在“嫦娥钢”的基础上,通过特殊的组织调控技术形成的、具有极高吸能性的新材料,可以说是“嫦娥钢”的“进化型”。

  一块“嫦娥钢”,牵动探月、探火工程

  “这就是由‘嫦娥钢’制成的两种缓冲元件,分别是拉杆和限力杆。两种缓冲元件被分别安装在探测器的‘辅助腿’以及探测器与‘腿部’的连接处。”在中科院合肥研究院固体所,助理研究员赵莫迪指着两个元件说:“‘嫦娥钢’外表看上去与普通钢材并无二致,但它不仅可以很硬,还能像橡皮筋一样被拉得很长,‘既硬又软’。在天问一号着陆过程中,它们通过自身拉长变形和弯曲变形来吸收能量,‘牺牲自己’以保护探测器顺利着陆。”

  恐怕很多人都不会想到,探索月球和火星如此伟大的工程,会与一种材料的研发息息相关。

  时间退回到2006年,探月工程二期已经进入紧张的工程实施阶段,而实现嫦娥三号在月面安全软着陆是探月工程二期的最终目标。如何实现?急需一种新型缓冲吸能拉杆材料,要求强度适中、塑性突出、单位质量吸能优异、环境适应性良好。

  材料研发关系到设计方案的成败。常规超塑性合金需要高温才能展现其超塑性,无法在航天器上应用;单晶材料塑性优异,但强度不足;复合材料强韧性可调,但塑性不能满足所涉及要求……怎么办?最终,中科院合肥研究院固体所研究员韩福生率先研究出了完全满足设计要求的新型高吸能合金。

  “综合分析下来,设计部门提出的新型缓冲材料具有极大挑战性,没有固有经验可循,只能另辟蹊径,从基础研究源头出发,探寻创新的路径。”回想起当时的情况,韩福生依然历历在目。

  时间紧,任务重,再多困难也要克服。从合金成分设计、晶体组织调控、精密熔炼以及加工成型技术等研制环节入手,历时6年,韩福生研究团队终于拿出了材料工艺和产品研制的系统解决方案。

  不过,“万里长征”才迈出了第一步。在进行着陆缓冲机构地面冲击试验时,提交的近2000件试验件中有两件拉杆出现异常断裂。从科学研究角度来讲,成功率已非常之高,然而对于航天任务,这样的产品合格率远远达不到要求。

  韩福生铆足劲头,从不合格产品的失效分析入手,探寻问题症结;实际模拟相关实验场景,重复熔炼过程,以复现问题,再有针对性地采取有效措施,大幅度提高了产品性能的稳定性,为嫦娥三号、嫦娥四号圆满登月,为天问一号圆满登陆火星做出了重要贡献,真正实现了中国深空探测器着陆缓冲系统的完全自主化。

  近年来,韩福生团队已经研发出不同特性的系列“嫦娥钢”,并实现了30吨级合金批量冶炼生产;基于“嫦娥钢”的新型水路桥梁防撞阻尼结构、直升机抗坠毁起落架、铁路减震器等结构实现了推广应用,为航天技术服务国民经济主战场做出了贡献。

  屡创新纪录,“人造太阳”装置持续“燃烧”

  2021年12月,被誉为“人造太阳”的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)再创世界纪录——实现1056秒的长脉冲高参数等离子体运行,这是目前世界上托卡马克装置实现的最长时间高温等离子体运行。

  “EAST是中国自主研发的,世界上第一个全超导磁体、非圆截面托卡马克实验装置,它拥有类似太阳的运行机制,因此又有‘人造太阳’之称。”中科院合肥研究院副院长、等离子体所所长宋云涛说:“EAST像一个圆环形的‘大罐子’,在它的内部,集成了‘超高温’‘超低温’‘超高真空’‘超强磁场’‘超大电流’等极端环境。”

  天上明明有太阳,为什么还需要“人造太阳”?

  这是人类让核聚变成为未来清洁新能源所做的努力。煤、石油、天然气未来有枯竭的风险,还存在一定的环境污染。而风能、水能、太阳能等新能源又受限于天气或地理条件等限制,难以满足需要。“人造太阳”一旦实现,能源危机将迎刃而解,一些因能耗限制而难以开展的活动,比如海水淡化、星际航天等,可以大规模开展,进而带来生产、生活的巨大进步。

  EAST装置运行15年来,在稳态等离子体运行的工程和物理成果上继续保持国际引领。EAST装置取得的系列创新成果,为自主建造聚变工程实验堆提供了重要的实验基础。此外,伴随着聚变研究衍生出一系列重要创新成果,中科院合肥研究院已经逐渐形成超导技术、低温技术、等离子体技术、生物技术、材料技术、机器人技术等多个产业技术板块,推动一大批高新技术成果实现转移转化。

  另一个大科学装置——稳态强磁场实验装置也在发挥重要作用。“稳态强磁场实验装置是具有自主知识产权的国家重大科技基础设施,可以为前沿研究提供极端实验环境。此前,全世界只有4个国家有这种设施,我们现在是国际五大稳态强磁场实验室之一,部分指标创造了世界纪录。”中科院合肥研究院强磁场中心副主任皮雳介绍,在强磁场这样的极端条件下,物质的性质会发生变化,有利于发现新现象、认识新规律,从而发展出新技术。

  据不完全统计,截至2021年9月,稳态强磁场实验装置共运行了45万多个小时,为国内外150多家单位提供了实验条件,开展了近2700项课题的研究、发表论文1700余篇。

  大科学装置集高精尖技术于一身,其承载的意义早已不止追求科学目标本身。宋云涛说,从一定程度上说,大科学装置充分体现了一个国家的综合科技实力。

  科研国家队,以国家战略需求为导向

  “作为科研国家队,中科院合肥研究院以承担国家重大科研任务为主,大科学装置在这个过程中地位十分重要,围绕大科学装置开展科研攻关,完成国家重大专项任务,这个定位比较明确。”韩福生说。

  为了一块“嫦娥钢”,韩福生攻关多年,历经诸多艰难,但他说没什么。“作为科研人员,每个人都希望把自己的工作做好,做出成果。”韩福生说:“航天领域的研究意义大、责任重,一定程度上影响国家战略和国际声誉,所以需要高度的责任感和使命感,我相信这是每一个承担重大科研任务的工作人员都应该有的觉悟。”

  国家科研机构是国家战略科技力量的重要组成部分,对于中科院合肥研究院来说,培养更多优秀的科研人员,加快建设原始创新策源地,加快突破关键核心技术,就是一直努力的方向。

  为此,中科院合肥研究院形成了较为完善的人才培养体系。发挥领军人才“头雁”效应和大科学装置“磁吸”作用,持续引进优秀科学家,努力形成“靶向引才”“精准育才”的人才工作格局;根据各科研单元的学科特点和发展方向,科学规划、调整人员结构与层次;通过多种途径拓宽各类青年科技基金资助的机会和比例,营造人才宜居“小生态”,构造优秀人才脱颖而出的机制和环境;广开国际合作渠道,不断提升人才国际化程度。

  截至目前,中科院合肥研究院有职工2700余名,领军人才如两院院士、海内外高层次人才、国家杰出青年基金获得者、国家重点研发计划首席科学家、关键技术人才等300余人;设有5个博士后流动站、19个博士点和21个硕士点,在学研究生3100余名;拥有30多个国家或省部级重点实验室和研究中心,以及10多个大型实验平台。

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责编:顾志铭

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