转贴:新世纪以来清华大学在重大技术装备领域中的成果选

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改革开放40多年来,清华大学一直坚持”顶天立地“的科技工作理念。“顶天”即完成国家重大技术攻关、高新技术研究和基础研究,在世界科技前沿拼搏;“立地”即为国民经济主战场服务,面向企业、面向地方,促进科技成果转化为现实生产力。在清华大学建校90周年时,中新社的一个报道曾提到:清华师生曾经承担了国家863计划十分之一的民用项目和973计划三分之一的项目。在本文中,我们选取了清华大学(主要是工科各院系)在新世纪到来之后为国家重大技术装备的研制做出了部分贡献。清华一直在用自己实实在在的成绩为装备强国之梦添砖加瓦。以下成果排名不分先后。

1.  高温气冷堆商用示范电站由清华大学核研院设计、建造的国家863计划重大项目10兆瓦高温气冷实验堆,在2004年日成功实现了72小时连续满功率运行。使该反应堆成为世界上首座投入运行的模块式球床高温气冷实验堆。这是863计划取得的一项重大成果,也是我国在先进反应堆领域取得的一项突破性进展。基于这项重大成果,清华大学与中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司合作建设全球首座高温气冷堆示范工程-华能山东石岛湾核电厂。该项目属于国家科技重大专项(总设计师为清华大学张作义教授),因具有第四代核电安全特征受到世界瞩目。

2.  重型燃气轮机重型燃气轮机是能源领域不可或缺的重大动力装备,我国在2003年启动了能源领域重大专项“R0110重型燃气轮机研制(E级)”的研制,清华大学承担了燃气轮机的核心部件-燃烧室的研究工作,并在2008年获得重大进展,通过验收。此后,清华大学与清华控股所投资企业-北京华清燃气轮机与煤气化联合循环工程技术有限公司启动了更先进的F级重型燃气轮机的研制工作,并在2016年进行的燃烧室全温全压全尺寸试验中取得圆满成功,这是目前国内首个通过全温全压全尺寸试验考核的F级重型燃气轮机干式低污染燃烧室,标志着我国F级重型燃气轮机在设计、制造和试验等核心技术领域取得了全方位重大突破。

3.  世界重型装备之王-8万吨模锻液压机2007年4月,支撑国产大飞机研制的关键重型装备-由清华大学颜永年团队研究设计的世界上吨位最大、压制能力最强的模锻液压机-8万吨模锻液压机在西安阎良国家航空产业基地正式启动,项目于2011年正式完成。重型模锻液压机是关系国家安全、经济发展的战略性设备,也是航空制造业的基础性设备。该项目采用了清华大学独创、也是世界首创的预应力钢丝缠绕技术和预应力坎合技术;而机架不动、由机器人缠绕加工重型零件的技术,也是世界上的第一次。该装备是中国国产大飞机C919试飞成功的重要功臣之一。

4.  3.6万吨垂直挤压机(360工程)2009年7月,由清华大学颜永年团队负责设计的全球最大吨位的3.6万吨黑色金属垂直挤压机组,在中国兵器工业总公司北方重工业集团有限公司完成了热调试,成功挤出第一根合格的厚壁无缝钢管,这一成果标志着我国重型钢管制造技术达到了世界的先进水平。该项目是我国进展最快、最早建成的16个重大专项之一,使用了清华大学独创的预应力钢丝缠绕结构,建成后为我国提供了优质的炮管、飞机涡轮盘和大型核电、火电设备。该项目还打破了锻压设备传统的设计理念,在多个方面实现了重大突破,是我国“极端制造”的跨越式进步。 5.  流化床甲醇制丙烯(FMTP)工业技术在煤的清洁高效利用中,煤制烯烃是公认和可行的发展方向,其中甲醇制烯烃曾是世界范围内未实现工业化应用的关键技术。2013年,由清华大学化工系魏飞团队在流化床甲醇制丙烯(FMTP)工业技术上获得重大突破,该成果的新闻发布会在人民大会堂举行。这项具有完全自主知识产权、达到世界先进水平的煤化工技术在清华大学小试研究工作基础上,将小试成果放大到万吨级规模,各项指标达到国内外先进水平,实现了丙烯转化原料多样化和“对石油的部分替代”。这对突破我国资源瓶颈、推进国家能源结构调整具有十分重大的意义。

6. 流化床甲醇制芳烃(FMTA)工业技术2013年4月,清华大学化工系魏飞教授负责研发的流化床甲醇制芳烃(FMTA)工业技术获得重大突破,成果发布会在人民大会堂举行。万吨级FMTA技术由中国华电集团与清华大学联合攻关,清华大学是该技术的提出方并全面负责FMTA技术攻关,魏飞教授为技术负责人。该成果具有完全自主知识产权、达到世界先进水平。万吨级FMTA工业技术开发成功,既开拓了不以石油为原料生产高端石油化工品的途径,也标志着流化床放大依据与催化剂稳定性问题已经有效解决,为下一步百万吨级工业化装置建设提供了基础。

7.  高端数控机床2004年清华大学与齐二机床厂联合研制了中国首台XNZD2415型大型数控龙门五轴联动混联机床,这是机床上的一次技术革命,打破了国外对该领域重大数控装备的技术封锁,对我国军工生产具有极其重大的意义。同年,清华还与齐二机床厂联合研制了XNZD755型数控卧式并联机床,解决了复杂曲面形状精密零件和箱体结构件生产制造的难题,达到世界先进水平。2006年清华再次与齐二机床厂联合研制了世界首台XNZ2430新型大型龙门式五轴联动混联机床。2007年清华与大连光洋科技联合研制成功我国第一台全数字总线开放式高档数控系统,写就了中国数控系统发展史上具有里程碑意义的一段纪录,该项目创造了国内数控系统研发的五个第一。

8.  复杂电网自律-协同自动电压控制关键技术(出口到美国)清华大学电机系张伯明、孙宏斌教授率领的团队历经20多年的研发,提出了复杂电网主从分裂理论,构建了“自律协同”的复杂电网AVC技术体系,研制出世界上首套复杂电网AVC系统,大规模应用于我国电网,闭环控制了全国81%的水/火电、88%的220kV以上变电站和55%的集中并网风机/光伏。该项目还在2009年出口到世界上最大的集中控制电网-美国PJM电网,这一成果在美国电力工业界产生了广泛影响,也是我国先进电网控制技术输出到美国的首例,具有里程碑意义。该项目获得2018年度国家科技进步一等奖。

9.  有机发光显示器(OLED)2008年,经过12年的不懈努力,采用清华大学化学系自主研发技术的维信诺公司有机发光显示器(OLED)大规模生产线在昆山投产,这是我国在显示产业领域第一次靠自主掌握的技术实现大规模生产,标志着我国第一次依靠自主研发和创新,实现了光电显示技术的产业化,避免了走CRT和TFT- LCD全面引进的老路,对我国显示产业的跨越式发展具有重大现实意义,使我国直接进入显示屏制造和上游材料领域。该项目荣获2011年度国家技术发明一等奖。

10.  光刻机双工件台系统2016年5月,由清华大学机械系朱煜教授团队历经5年时间研发的“光刻机双工件台掩模台系统α样机”成功通过了国家科技重大专项“极大规模集成电路制造装备及成套工艺”实施管理办公室的项目验收。在光刻机核心部件中,双工件台拥有着最尖端的地位。该成果打破了荷兰ASML公司在工件台上的技术垄断,以此成立的华卓精科公司也成为世界上第二家掌握双工件台核心技术的公司。该成果对我国高端光刻机的国产化有重大意义。

11.  数字电视传输技术经过多年的努力,清华大学信息学院负责研发了具有完全自主知识产权的地面数字电视广播传输标准(DMB-T)及其高、中、低传输速率的多工作模式兼容终端专用芯片和系统解决方案。在2006年8月,清华的DMB-T标准成为中国大陆、香港和澳门地区的地面数字电视传输标准,为我国的数字电视事业做出了重大贡献。清华的DMTB标准成功应用于北京2008奥运会,其演进版本DTMB-A标准在2015年被国际电联列为数字电视国际标准,是继美、欧、日之后的第四个数字电视国际标准。目前全球20亿人口,在亚、非、拉等14个国家和地区采用清华的DMTB数字电视标准。该成果荣获2017年国家科技进步一等奖。

12.  世界首台60万千瓦超临界循环流化床锅炉2013年4月,由清华大学能源与动力工程系吕俊复教授团队负责研发、东方锅炉制造的世界首台600MW超临界循环流化床(CFB)锅炉顺利通过168小时试运行,正式投入商业运行,该工程整体性能优于当时的国际最高水平的,它顺利运行是中国在循环流化床锅炉技术方面的重大突破,进一步巩固了清华大学在循环流化床燃烧领域研究的国际领先水平。该项目也摘得2017年度国家科技进步奖一等奖。

13.  第二代高速互联网2004年3月19日,清华大学计算机系牵头的中国首个全国性下一代互联网,也是世界上最大的纯IPv6试验网CERNET2开通,这也是全球首个稳定运行的第二代互联网主干网,其中80%的主干网核心路由器采用清华大学研制的具有自主知识产权的IPv6核心路由器。该项目在国际上首次提出下一代互联网的新型寻址体系结构和两代互联网的独特过渡方式,向国际组织提交7项标准草案,下一代互联网大厦的部分结构也是按中国人设计的蓝图搭建。中国第二代互联网示范工程的成功,有力地推动了我国下一代互联网的技术研究、重大应用和产业开发,为提高我国在国际下一代互联网技术竞争中的地位作出了重要贡献。

14.  世界上第一个“天机芯”人工智能芯片2019年8月,清华大学施路平团队联合7个学院的师生,历经7年研制成功面向人工通用智能的新型类脑计算芯片-“天机芯”,并成功在无人驾驶自行车上进行了实验,引起美国科技界高度关注。该成果以封面文章的形式发表于国际上最顶级的综合性科技期刊《Nature》上。该芯片首次体现了中国在人工智能和计算机芯片两大领域结合中零的突破,也是世界首款异构融合类脑芯片。美国《麻省理工学院技术评论》就此评论说:(该成果)体现了中国在提升自身芯片设计能力方面的重大进展,并入选2019世界互联网15项领先科技成果、2019年中国十大科技进展。

15.  直流电网的“芯”-IGCT-Plus器件2019年9月,清华大学电机系和株洲中车时代电气历史多年攻关,率先成功研制了新一代直流电网用IGCT-Plus器件。该项目攻克了影响IGCT在电网领域推广应用的科学和技术难题,经测试和应用检验验证,研制的直流电网用4500V/5000A IGCT-Plus器件在机理模型、性能调控方法、门极驱动等方面达到国际领先水平。IGCT-Plus器件被视为直流电网的“芯”,可在MMC、直流断路器、直流变压器、直流耗能装置等直流电网关键装备中应用,同时在高压大容量SVG等柔性交流输电装备中也具有应用前景。

16.  高速高精度DAC芯片作为必不可少的核心通用芯片,高速高精度DAC将数字信号转换为模拟信号,广泛应用于宽带通信,尤其是雷达和5G通信等高性能军民用领域。目前,国际上高速高精度DAC产品主要被美国的亚诺德半导体公司(ADI)和德州仪器公司(TI)垄断 。在2018年,清华大学电子工程系杨华中教授和李学清助理教授团队取得重大进展,他们设计出14位精度、支持高达3.0GS/s采样率的数模转换器(DAC)集成电路芯片。在当前中美贸易战的大背景下,这一重要基础芯片的研制成功,对突破国外技术封锁、促进高性能芯片的自主设计产业化有着积极的意义。

17.  世界首台采用水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉2013年至今,清华大型山西清洁能源研究院牵头与阳煤化机等单位先后研制成功四代“清华炉”。2014年,他们首先联合研制成功6.4MPa节能环保型高参数级水煤浆水冷壁气化炉(俗称“清华炉”),是当时世界上压力级别最高的造气设备。随后,他们又联合研制成功世界首台采用水煤浆+水冷壁+辐射式蒸汽发生器的气化炉(从第一代到第四代)。该技术成功投运实现了两个全球第一,开创了新型煤气化技术改造先河,对改造传统煤化工和发展煤制天然气、煤制油、煤制烯烃、煤制乙二醇、化工新材料等新型煤化工产业具有划时代的意义。该项目荣获2019年度国家科技进步一等奖。

18.  可重构神经网络计算芯片2017年,清华大学微电子所魏少军、尹首一成功研究和设计了可重构多模态混合神经计算芯片(代号“Thinker”),这是世界上首枚利用可重构计算芯片技术实现深度神经网络学习的芯片。该芯片突破了神经网络计算和访存的瓶颈,实现了高能效多模态混合神经网络计算,同时支持电路级编程和重构,是一个通用的神经网络计算平台,可广泛应用于机器人、无人机、智能汽车、智慧家居、安防监控和消费电子等领域。该成果也在国际微电子领域顶级会议VLSI上发表。

19.  世界首套万吨级聚甲氧基二甲醚工业化装置2014年7月,清华大学化工系王金福、王铁峰团队负责全面负责技术攻关,山东玉皇化工有限公司建造的国际上首套万吨级固体酸催化法制聚甲氧基二甲醚的工业化试验装置通过技术鉴定。该成果以清华大学的聚甲氧基二甲醚专用固体酸催化剂和气-液-固三相流化床多级反应器技术为基础,具有能源和环保双重战略意义。该工程的顺利运行,标志着我国在该领域处于国际领先水平。

20.  世界首套2.2万吨/年MBT和1.2万吨/年MBTS微化工连续流生产装置2019年10月,由清华大学化工系王凯副教授牵头,清华大学化学工程联合国家重点实验室与蔚林新材料科技股份有限公司共同组织攻关、开发的国际上首套2.2万吨/年MBT和1.2万吨/年MBTS微化工连续流生产装置通过技术鉴定,引领了橡胶助剂产业转型升级和可持续发展。该项目创新性强,开发了国际上首套基于微混合强化的连续流生产MBT万吨级工业化装置和首套万吨级MBTS微反应连续合成装置与技术,总体技术达到国际领先水平。

21.  歼10战斗机、歼20隐身战斗机DSI进气道喷涂机器人我国的先进战斗机歼10战斗机和歼20隐身战斗机都采用了无隔板超声速进气道(DSI)技术,目前全世界只有中美两国掌握了DSI进气道技术。清华大学与中国航天科工集团公司第三研究院239厂联合研发了DSI进气道喷涂机器人,为歼20战斗机的研制和生产做出了重要贡献。

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