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43岁的李洪正值壮年,在中国航天事业的大军里却已是一名不折不扣的“老兵”。自1988年参加工作以来,李洪就将自己的青想编织进了中国运载火箭的研制和发射中。20年过去了,他对中国运载火箭的热情依然如故,唯一变化的是,当年的莘莘学子已经成长为中国运载火箭技术研究院的领军人。自从接过研究院院长的大旗,李洪深感责任重大,他说,“这是一份荣耀,也是一副重担,自己一定会全力以赴,圆满完成党和国家交付的这份重任。”
在中国运载火箭技术研究院工作的20年间,他先后负责科研生产、质量管理等多项工作,涉及了运载火箭研制管理的许多重要环节。航天技术特有的严密性、精确性让这些工作在旁人眼里都十分艰苦,但李洪认为,这些工作就像一趟神奇的旅行,让他享受其中。用他自己的话来说:“我这个人兴趣爱好广泛,但更热爱祖国的航天事业,只要投入到火箭的研制发射中我就信心十足,就精神百倍。”在这片诞生光荣与梦想的土壤,每一枚运载火箭的成功发射,都能让他兴奋不已。
遨游太空是中国人的千年梦想,也是几代航天人的心血结晶。2003年“神舟五号”载人航天飞行时,李洪就在发射现场,他知道此次发射任务的重要性,毕竟是中国首次载人航天飞行,“人命关天啊”,李洪的脑海里不时闪过这句话,兴奋而紧张。当发射成功的消息被大声宣布出来,李洪从座位上一跃而起,与身边每一个人紧紧拥抱,满眶热泪痛快地潸然落下。
“神舟五号”的发射,是李洪记忆中最珍贵的片段之一,他坦言,不管过去多少年,只要想到这一幕,他都会感到无比的自豪。
“更上层楼”的责任心
在享受工作带给他快乐的同时,李洪也在运载火箭事业上领受过悲痛的回忆。1996年,中国一枚运载火箭在发射时出现意外,李洪的两名同事还因此殉职。
火箭发射失败让李洪震惊并痛心,而同事的殉职更是让他伤心不已。此后发生的事情则更让人忧心,在这次事故之前,中国的运载火箭在国际上口碑良好,价格较低,在运载火箭商业发射市场上有着很强的市场竞争力,原本已经签下了不少发射合同,但随着发射的失败,客户对中国运载火箭的信心产生了动摇,并且在此后的很长一段时间内,中国运载火箭技术研究院没有再拿到一份运载火箭的商业发射订单。
正因如此,李洪在负责质量管理工作时,坚持实行“零缺陷”质量管理理念,严格对待产品质量,在这一点上,原本随和、幽默的李洪异乎寻常的严厉,他表示,航天企业是特殊的“三高”行业:高投入带来高产出,更伴随着高风险。高风险在于其产品一般是在恶劣环境中使用,而且一旦使用,就不可逆转。因此,指挥员按下发射启动按钮的瞬间,既宣告了对产品的正式使用,又检验着无数航天人的责任心。
即使在“神七”航天任务圆满完成后的今天,李洪在谈到运载火箭的质量问题时仍显得严肃而谨慎:“中国古语有云‘千里之堤,溃于蚁穴’,每一个航天型号产品都是由数以万计的元器件、零部件构成的整体,即便是一个小小的螺丝钉、一根导线、一个焊点出了问题,甚至一个细微的多余物存在,都将导致整个型号任务的失败。细微程度比蚁穴有过之而无不及。而一枚发射载人飞船的火箭试验费用价值不菲,凝聚着成千上万人的辛勤劳动,一旦发射失利,将给国家造成重大的经济和声誉损失。特殊的风险决定了特殊的质量,特殊的质量要求更上一层楼的责任心。航天高科技企业的质量观已经远远超越了简单利益层面,上升到“质量是政治、质量是生命”的高度。这种质量,关系着国家的地位和形象,关系着国防建设大局,关系着民族尊严,在载人航天工程中更是与人的生命紧密地联系在一起,因此,势必要求更为过硬的技术,更为严丝合缝的质量标准。”
在介绍近年来中国运载火箭技术研究院所采取的质量管理体系时,李洪说:“我们在零缺陷管理理念的指导下,在产品出现问题前就做出了有效地预防,比如,谨慎、细致地制定设计试验发射的规章制度,并严格执行落到实处,在寻找问题的过程中,从产品的设计方案提出到最终开始正式生产的过程中,都加以严格的监控,找到问题后迅速将其解决,这样就形成了一个完整的闭环模式,不给问题的产生留下任何接口。”担任研究院院长后,他依然把加强质量管理作为重点工作来抓,在二号F遥七火箭质量评审会上,李洪严肃地要求:“我们要以对国家对人民对历史高度负责的态度,增强历史使命感,以最严最慎最细最实的工作作风,确保载人航天的工程质量。”
中国运载火箭技术研究院十几年严格质量管理,使中国运载火箭发射捷报频传,自1996年以来,系列运载火箭已经连续69次成功发射,其中,中国运载火箭技术研究院研制的运载火箭已经连续49次成功发射,中国火箭在国际市场的良好口碑重新铸就。2008年,在成功将一颗尼日利亚卫星运送进太空后,又成功发射委内瑞拉卫星,火箭重新回到了国际市场中。
“新时期”有“新挑战”
近年来,中国运载火箭技术研究院在大力开展技术创新,狠抓运载火箭质量的同时,也在积极地发展航天技术应用产业和航天服务业。李洪认为,发展军工产品是中国运载火箭技术研究院的历史使命,是增强国防实力的需要,容不得半点马虎,而发展航天技术应用产业和航天服务业对实现研究院更好更健康的持续发展,同样有着举足轻重的地位。
事实上,在改革开放之初,中国运载火箭技术研究院经历了一个发展中的动荡时期,当时,政府放开了对研究院经营权的管理,研究院的很多员工开始三五成群地组织民用产品的生产,但产品都不具备过硬的市场竞争力,很快就被市场淘汰,另外一些员工选择了跳槽,李洪介绍,当时的人员流失相当严重,以至于一些知名企业都直接将接送员工上下班的班车停到了研究院门口。
这段经历让李洪痛心不已,不少当时的同事、战友都在那个时候分道扬镳。他暗下决心,再也不能让“班车停到大门口”的事情发生,而要想彻底杜绝这个现象,一是要实现内部职工的个人价值,二是要军品民品两手抓。
正是因为经历过这样的坎坷,李洪接任院长后,把打造职业化团队作为提高企业核心竞争力的重要举措,制定干部员工量化考核标准、职位晋升标准和任职资格体系,实现岗位与能力的有机结合。原本酷爱篮球的李洪这样向我们解释了他关于职业化团队的理解:“搞火箭这么多年,我深刻体会到这是一个浩大的系统工程,个人的力量是重要的,但是没有一个人能够仅仅凭借自己的力量独立完成一枚火箭的研究开发,我们需要有一个团队。这就像组织一支球队一样,要万无一失地打好比赛取得胜利,就一定要把球队状态调整到最好,把这支队伍各个环节可能会存在一些薄弱环节和隐患找出来。怎么找?需要每一个成员的努力,需要每一道程序的高标准严要求。只有这样,整个队伍才能被串联起来,形成一股强大的向心力,而事实证明,这种向心力远比每一个个体的力量要强大得多。”
近年来,在中国运载火箭技术研究院的发展规划中,航天技术应用产业和航天服务业所占比例越来越高,在“十一五”规划中,280亿的经济指标中,航天技术应用产业和航天服务业占有180亿的份额,已成为研究院最为重要的经济来源。
在谈到最近中国运载火箭技术研究院在航天技术应用产业和航天服务业上取得的成绩时,李洪笑言,“航天技术应用产业和航天服务业近些年来确实有了不小的突破,航天煤气化等新技术的应用,风力发电等新能源设备的开发,以及碳纤维、缝编复合材料等新材料的生产,为我们带来了较为丰厚的收入,在这一领域我们还有很大的市场潜力,我们曾经落后,是因为起步晚,市场的规律还没摸透,然而我们相信自己能够继续前进,毕竟我们有先进的技术和航天人特有的迎难而上的精神作为后盾”。
在最后谈到对中国运载火箭技术研究院的展望时,李洪足足沉默了一分钟之久,当他开口时已明显有了一些激动:“中国运载火箭技术研究院是国防科技工业重要的骨干力量,肩负着提升我国综合国力、展示大国地位和形象、增强民族自豪感和凝聚力以及促进国民经济发展的重大责任。我们可以说,确保型号研制生产任务按期完成,确保型号任务发射成功,不仅是研究院发展的需要,更是富国强军的需要。因此,我们要把对责任制的全面落实转变为责任心的全面提升,把对成功的愿望和信心转变为对成功十足的把握,把发展的机遇期转变为能力的成长期,始终坚持遵循型号研制的客观规律,吃透技术、吃透状态、吃透规律,采取科学的方法,加强型号质量管理,有效控制技术状态,提前认识并控制或消除型号研制过程中存在的技术风险,始终坚持以更加严谨的态度对待质量,从源头抓起;从严控制、关注细节;坚决落实“零缺陷”质量管理,以更加求实的精神钻研技术,以创新的精神瞄准世界一流水平,顽强拼搏、刻苦攻关,确保产品设计的可靠性。”这是一名“航天老兵”的心声。
《经济》:在今后,中国运载火箭技术研究院会以怎样的理念来发展航天技术应用产业和航天服务业?
李洪:以前我院在发展航天技术应用产业和航天服务业时走过弯路,就是因为没有从航天技术特点出发。当前,我院会充分利用航天技术优势,大力加强航天技术应用产业和航天服务业,在做大做强一些重点项目的基础上,辐射其他的中小项目,实现航天技术应用产业和航天服务业发展的市场化、产业化和国际化。
《经济》:如今,中国运载火箭在国际市场的地位开始回暖,中国运载火箭技术研究院为此做出了哪些努力?
李洪:目前,我国的运载火箭技术处于国际领先地位,能够取得如此辉煌的成就要得益于我院拥有一批技术精湛、作风过硬、勇于攻坚的人才队伍。正是因为他们十几年的不懈努力,才保证了系列火箭自1996年以来的连续成功发射,在国际上打响了火箭的品牌。同时,我院把运载火箭的质量视为生命线,在每一枚火箭的设计、试验、生产、发射的过程中,严格加强质量管理,不断在火箭的可靠性、安全性上下功夫,对火箭性能进行改进和完善,做到精益求精,提高我院火箭技术在国际市场的竞争力。当前,中国的运载火箭在国际市场还是很有竞争力的,而我院也会不断的加强技术创新和提升整体能力,在国际市场上占有一定的市场份额。
《经济》:您觉得中国运载火箭在国际市场的潜力还有多大?
李洪:现在是一个“太空经济”的时代,对于“空天”的需求不断扩大,比如气象卫星,资源普查、通讯、广播电视、导航、速传等方面,这些技术都是全球经济发展到一定程度带来的新技术。这些技术的应用需要航天技术的支撑和带动,尤其是中国火箭技术的支撑。伴随着这些行业的快速发展,航天技术发展的前景非常广阔,这必将给我院火箭的未来发展带来良好的契机。因此,我院一定会抓住机遇、迎接挑战,面向市场,提升能力,满足国内国际对中国运载火箭的需求。
为了这7分多钟的完美一瞬,各研制单位参与奋斗了16年之久。
精密复杂的对接机构
空间交会对接是载人航天最光辉的技术亮点。没有两个飞行器之间的对接,人类就无法长期在太空进行活动。
1994年,我国开始启动对接机构预研工作,决定瞄准国际先进水平,采用“导向板内翻式的异体同构周边式构型”,以实现对接机构研制的跨越式发展。上海航天技术研究院研制队伍从1995年开始对接技术原理研究。
两个航天器在绕地轨道上飞行速度达每秒79千米,进入行星轨道速度更高,在太空中处于失重、真空状态,在高低温的环境下,还有强烈的辐射和宇宙射线侵入。因此,要让这两个“庞然大物”在太空对接起来绝非易事,许多问题都是我国航天界以前从未遇到过的。
研制团队列出了对接机构四大关键技术:系统集成技术、动力学仿真技术、关键单机研制技术和地面试验技术。遵循对接动力学研究、参数设计、动力学仿真、机构设计和试验齐头并进、不断循环迭代的研究思路,贯彻系统工程研究思想进行产品研制。
经过不懈努力、刻苦攻关,对接机构的第一台原理样机于1999年成功问世。为了使样机达到空间对接任务所要求的性能指标,必须对所有关键零部件的性能进行研究,这些零部件包括主驱动组合、差动组合、捕获锁、对接锁、摩擦制动器、电磁阻尼器、弹簧机构、电连接机构、密封技术、技术等。针对关键部件,上海航天技术研究院805所牵头汇集全国多家单位,逐个攻克技术难关,带动了国内相关专业的自主创新及发展。
安装在神舟八号和天宫一号上的对接机构共有118个传感器进行测量,5个控制器接发指令,上千个齿轮轴承进行力和运动的传递,通过18个电机和电磁拖动机构进行动作,由数以万计的零件和紧固件组成。活动部件多,传动链长,精度要求高,目前已成功申报了20多项专利。
自主创新的仿真先行
为了确保两个航天器在太空成功对接,在“上天”之前必须在地面上开展大量试验。
众所周知,地面与太空的环境条件有着天壤之别。要在地面模拟太空对接过程,必须在地面模拟太空环境,模拟两个飞行器对接的初始条件,同时实时检测对接过程力和位姿的变化。
上海航天技术研究院本着“仿真先行”思想,在样机研制之前,首先完成了一整轮的对接过程动力学分析,用以指导产品设计。仿真与试验在整个对接机构研制过程中,呈现“你中有我、我中有你”的循环迭代过程。
对接机构地面试验系统牵涉到复杂的地面模拟技术,其中许多方法需要创新思维巧妙构思,许多试验设备只能自行研制、自主创新。由805所牵头,汇集国内多家单位,成功研制开发了空间对接机构缓冲试验台、空间对接机构综合试验台、空间对接机构整机特性测试台、空间对接机构热真空试验台4个大型试验设备,一举使我国太空对接的地面模拟技术跻身世界一流,创造了“外国有的我们有、外国没有的我们也有”的试验条件,使国外同行刮目相看。
16年的研制之路充满着艰辛与坎坷。2006年,方案样机总装完成,开始试验验证,但在试验过程中却出现了缓冲碰撞力超差和分离角速度超差问题,这两项指标是对接任务中的重要性能指标。上海航天技术研究院领导对此高度重视,专门组织攻关队伍进行专题攻关,运用仿真、理论计算、故障树分析等手段确定了对碰撞力、分离角速度敏感的因素,进行了上千次的验证试验;采用创新思维,研制了不少辅助设备协助解决问题。经过近一年的努力,两个技术指标超差问题终于得到解决,相关攻关成果还申请了专利。
老中青结合
的团队
任何一次对高难技术的攻克过程也是一支研制队伍的成长过程。
上海航天技术研究院早期的对接机构预研小组只有6人,他们用生命中最宝贵的10年,奠定了对接机构坚实基础。随着事业的召唤,一大批年轻人加入到对接机构的研制队伍中来。如今,上海航天技术研究院执行首次交会对接任务的两支试验队近250人,其中40岁以下青年人有164人,占到总人数的66%,平均年龄36.84岁。
岁月因平凡而伟大,事业因执着而非凡。将毕生精力都奉献给航天事业的陶建中研究员退休后仍然奋战在对接机构研制一线,带领空间对接机构综合试验台研制团队的年轻人,克服技术要求高、研制周期紧、关紧技术多等重重困难,在两年半时间内,攻克了运动模拟器、大回路控制系统等技术难关,顺利完成了综合台研制并交付使用,为对接机构突破捕获缓冲关键技术作出了重要贡献。
[关键词]:先进制造技术 军事 航天产品
1 引言
近年来,高科技产业的发展,迫使先进制造技术快速发展,在信息化快速发展的今天,信息技术、微电子技术、光电子技术的发展在计算机、微电子产品中的作用非常明显,电子技术产品更新换代的速度前所未有。在国际形势复杂变化的今天,国家将先进制造业的发展列为国防建设的首位。现代化的军事作战将以快速化和准确性为特点,那么地面控制将依赖先进的全方位信息控制系统,这些控制系统构建,则依靠先进的制造技术,生产制造出的高精度,低功耗、高可靠的卫星、飞机、坦克、火箭等等。以上这些技术以航天应用技术为纽带,将推动先进制造业的快速发展,所以先进制造业不是“夕阳产业”,它以强健的市场竞争力迅猛发展。
2 先进制造技术的发展特点
先进制造技术(AMT)是一个全新的概念,被称为21世纪的高新技术。先进制造技术以强调实用性为主要特征,通过提高企业竞争能力为主要手段,以达到提高综合经济效益的目的,所以成为发展现代高科技民用产业和国防重要设备建设的主要技术支柱,从而大大促进了整个国民经济的发展。先进制造技术以“转”、“合”、“新”、“洁”为主要特点:
2.1“转”是将设计快速转变成为产品
AMT以动态技术实现快速的发展,将各种高新技术成果应用到产品的设计、制造、生产管理及市场营销的所有领域及其全过程,以人性化的管理模式、高效的生产效率、较少的运作成本、优良的产品质量,实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产模式,从而满足可持续发展的要求。
2.2“合”就是指产品从设计到售后服务的一个统一的有机整体
AMT是面向工业应用的技术。AMT不仅包括加工制造过程本身,而且还涉及市场调研、产品设计、材料分析、工艺设计、加工制造、售前售后服务等产品寿命周期的所有内容,并将它们结合成一个有机的整体。
2.3“新”是产品要不断地创新
AMT将创新设计快速转变为企业的发展资源。因为先进制造本身是针对一定的应用目标,不断地吸取各种高新技术,它是一个系统工程,将先进的计算机技术、信息技术和现代管理技术快速的应用到产品设计、制造和生产组织管理等方面。
2.4 “洁”是指产品为绿色商品。AMT追求环境保护
它要求产品是绿色商品的基础上,同时要求产品的生产过程是环境型的。这说明普通的制造技术已经不能适应环境。AMT运用先进的工艺技术,以消耗最少的资源制造出对环境无污染、对人体无危害、对空间占有面积最小的优良产品,甚至废品便于回收利用。
3先进制造技术的发展应用
3.1 军事领域的应用概况
先进制造技术的突破是武器装备更新换代的动力,它是国防工业生产和军队武器装备现代化不可缺少的关键技术,是武器和军事尖端技术的发展基础。
在现代化战争中,精确打击是新型武器发展的重要技术。洲际导弹的造价成本高昂,发度成了导弹能否精准的命中打击目标的关键技术,但打击精度主要由惯性器件的精度决定;而精密导引部件是米级精度的精确打击武器的关键技术。因此先进制造技术成为惯性器件、导引部件及伺服机构等关键部件制造的关键技术。
3.2航天领域的应用概况
航天技术作为高科技领域的前沿,对先进制造技术有着更大的需求和依赖性,新型航天系统和武器的发展应用是与先进制造技术的突破分不开的。现代化的战争离不开高分辨率的军事卫星,卫星不但要有机动性而且要有较高的分辨率,国外军事高分卫星的分辨率达十几厘米,其核心技术是摄像机光学零件的精密加工,此外在激光核聚变、高能武器等新型武器中,先进加工也成为关键核心技术。
应用陀螺气浮轴承和浮子高精度金刚石切削加工技术,制造除了航天气浮平台;静压液浮陀螺平台的成功研制,主要得益于形状位置精度达0.1-0.3μm的动压马达制造技术;平面度0.03μm,表面粗糙度0.5nm以内的超光滑表面研抛技术的应用,使得激光陀螺精度达到0.01°/h数量级,从而进入高精度武器系统应用领域。
超精密偶件以惯性器件和伺服机构为典型代表。其中一维偶合,如陀螺的浮子及支架、陀螺马达轴承等,零件的尺寸精度、圆度和圆柱度要求都达到亚微米级精度;人造卫星仪器轴承是真空无轴承,其孔和轴的表面粗糙度达到1nm,圆度和圆柱度均为纳米级;多维偶合,如动压马达孔、轴、轴向与锥平面副复合偶合,伺服阀方孔偶件;多层次二维偶合,如精密伺服阀。超精密异形零件,如高速多瓣防滑轴承的内滚道、激光陀螺微晶玻璃腔体,惯性制导平台的框架、台体、基座、六面体等的加工精度在0.5μm以内,舵机壳体、雷达探测、光电探测,瞄准、捷联惯导的复杂壳体、框架等,空间几何精度很高且形状复杂的系统。
电场测量仪主要用于地球地震监测,通过测量地球电磁场的变化来预测地壳内部的活动情况,从而达到预报地震的目的。其核心部件球体的加工精度影响此项技术的成败,面轮廓度达0.003μm,表面粗糙度0.3nm,此零件的技术指标要求依赖于先进加工技术。
4结束语
先进制造技术是军事及航天产品乃至整个制造技术的核心,将推动航天技术更快的发展,国内制造业需要引起足够的重视,国家应该作为一项长远发展战略,投入足够人力、物力、财力和精力,开展深入系统性地研究。利用世界先进科学技术的发展,大量掌握和利用信息,进行创新性研究。
参考文献:
[1]赵云龙,宋文学.先进制造技术[J].2006,(8).
[2]杨辉.超精密加工设备的发展与展望[J].航空制造技术,2008.
载人航天工程不仅仅是尖端科技的集合体,事实上,更是国家发展战略的重要体现。目前只有美国、俄罗斯和中国拥有完整的载人航天体系,这是航天大国和航天强国的一个重要标志。另外,从军事应用领域看,未来战争必然是空天一体化的战争,谁掌握了太空的制天权,谁就掌握了战争的主动权。中国航天装备能在太空中将两个高速飞行的航天器减速、变轨、接近和对接,意味着中国航天装备具有攻击或捕获敌国军事卫星的能力,这对维持世界长期稳定与和平发展具有重要的战略意义。
在浩瀚的地球外层空间,“神九”飞船与“天宫一号”的对接,包含四大技术领域的重要突破。
首先,对中国航天设计人员来说,“神九”飞船与“天宫一号”进行的载人交会对接,其技术状态新、安全标准高、涉及技术广、天地协同多,是未来建设空间站必须攻克的难题;另外,“神九”飞船有3名航天员参与交会对接,不确定因素多,所以“神九”飞船在空间运动控制、交会对接、组合体飞行、组合体载人的环控生保系统以及整个飞船的可靠性等诸多方面都包含着一系列的创新技术。
其次,“神九”飞天,航天员首次进入天宫一号。在这次任务中,“神九”飞船与“天宫一号”实现空间连通,航天员进入在轨的“天宫一号”驻留,并开展失重条件下的各种空间生活和科学实验,所以,在“神九”飞船与“天宫一号”组合体的控制与管理、舱内温控和生命保障等系统协调配合等技术方面包含着一系列创新技术。
第三,“神九”任务要求宇航员在太空停留超过10天。针对飞行时间较长的特点,为了保障航天员健康,避免抗失重环境对航天员健康的不利影响,“神九”飞船突破一些防护措施。如在飞行中,新增了自行车训练器、企鹅服、套带等对抗防护和锻炼用品。另外,因为3名宇航员在太空停留超过10天,所以“神九”飞船考核了地面向在轨航天器的工作人员和物资运输与补给技术。
第四,“神九”飞船首次搭载女宇航员。从航天医学角度看,男性和女性的生理结构不同,在太空生活期间的生理变化不同,女航天员对环控生保等一系列分系统的要求不同于男航天员。神舟飞船的多项设计考虑女性特点,在“神七”和“神八”飞船基础上,进行了修改和完善,在飞行程序设计和在轨运行的生活照料系统等方面,充分考虑到女性需求。
载人航天工程是一项系统化的工程,它与基础科学、材料科学、电子技术及控制工程等多个领域都有着密切的联动关系。“神九”飞天将带动整个中国科学技术的发展与经济繁荣。
过去的60年里,航天活动与自然科学和社会科学的每一个学科都有着密切的联动关系。首先,它无可辩驳地证明了近代科学过去所积累的知识绝大部分是正确的。天文、生物学、数学、物理学、化学和唯物论哲学的主要科学理论过去都是在地球上由观察、实验、抽象和推理得到的,航天事业的实践已经证明这些知识在地球以外也是可靠的、正确的和可以信赖的。其次,航天活动对现代科学技术的发展产生重大的影响。如地质学是航天探测其它天体的基础,航天探测结果对地质学又产生了重大影响,航天探测通过对月球的直接观察表明,在地球上找到46亿年以前的岩石可能性几乎没有;一批新的学科,如行星地质学和宇宙地质学已经诞生。航天探测对生命科学的触动最大,使得争论数百年的生命起源问题又进入了新的热潮,在航天活动的推动下,宇宙化学已经诞生,为了解生命起源提供新的知识。今天,人们不仅认同地外生命存在的可能性,而且竞相实施国家级的大科学工程去探测,如为了挖掘生命起源的“种子”,美国曾设计航天器“深度”撞击彗星。
航天产业的重要特点,就是能够带动其它科技领域的发展,进而推动社会经济发展。如美国的“阿波罗”登月计划持续近10年,耗资达255亿美元,但投入产出比却高达1:14,在此后的十多年间催生了液体燃料火箭、微波雷达、无线电制导、合成材料、高性能电子计算机等一大批高新科技产业群体,并衍生出了包括航空航天、军事、通信、材料、医疗卫生、计算机及其它方面的3000多项应用技术成果,并推动了从医药到材料加工等几十种行业的发展,航天工业如今已成为美国在世界上最具领先地位的产业之一。更重要的是,“阿波罗”计划还引领了科技进步,推动产业繁荣的浪潮,也为此后美国鼓励高校科研社会化和产业化法案的出台奠定基础。
同样,从“神一”飞船到“神九”飞船,中国航天技术的应用成果已经逐渐开始辐射到新材料、新能源、计算机、生物技术和精密制造等诸多领域。
“神九”飞船与“天宫一号”对接成功,整个中国大地一片欢腾,载人航天工程与老百姓的生活息息相关。
俄国航天理论先驱齐奥尔科夫斯基曾说过(1903年):“地球是人类的摇篮,但人类不能总在摇篮里生活。”著名的英国天文学家去年在多伦多大学的讲演中说(2010年):“地球在近两百年里,难免有毁灭灾难,人类要想世世代代的生存下去,必须移民到其它星球上去,所以我支持发展载人航天。”根据近百年天文学理论,地球的资源和太阳的能量总有一天要耗尽的,人类要可持续地发展,必须飞出地球或太阳系;由此可见,载人航天工程是造福子孙后代的事业,需要我们人类祖祖辈辈的不懈努力。
从历史发展的角度考察,尖端科技一般都会通过推进社会文明、积累社会财富来提升人民福祉,矫正社会治理方式,深化现代政治国家观念,并以“人的幸福、人的尊严”为最终旨归。目前,从个人电脑到手提电话,从数码相机到互联网通讯,所有这些都包含着航天科技的结晶,如果离开航天技术,像GPS导航、数字地球、卫星电视与通信等等,每个人的生活都会与“现代化”相剥离。
经过短暂而昂贵的太空旅行,在这些种子“身上”寻找未来有可能使人类受益的基因突变,将成为中国农业科学家的重要工作。
太空育种,也称空间诱变育种,为航天技术与生物技术相结合的产物,是利用返回式卫星或宇宙飞船等航天器将作物种子送到太空,利用太空特殊环境的诱变作用,使种子产生基因突变,再返回地面选育新品种的基因诱变技术。
自上世纪中叶,太空育种技术的产生、发展,与人类对外层空间的探索密不可分。不过,在航天技术迅速发展的21世纪,太空育种却并没有在美国、俄罗斯等航天大国中“形成气候”。
一个重要原因是,“不论是诱变原理,还是种子产生基因突变的概率,太空育种与传统的地面辐射育种没有太大差别。”中国农业科学院航天育种研究中心主任、中国国家航天育种工程首席科学家刘录祥说。
而中国对太空育种技术的推崇却方兴未艾,因此,北京大学生命科学学院院长饶毅等提出疑问,既然两者没有差别,中国为什么要花大量经费去把种子送入太空?
“撞大运”的基因突变
在太空环境中,宇宙射线、微重力、高真空等环境因素的综合作用下,可能会诱发种子产生基因变异,获得新的基因特性。这一辐射诱变的机理是:强烈的太空射线将种子的DNA打断,打断的DNA会被重新接上,其中接不好的就发生了基因变异。
1987年8月5日,中国第九颗返回式科学试验卫星成功发射,一批农作物种子、菌种和昆虫等地球生物被送向了遥远的天际,开启了中国农作物种子的首次太空之旅。
现已退休的中国科学院植物研究所研究员刘存德,就是当年第一个提出可以把种子作为卫星配重进行太空搭载的人。据她回忆,在与航天部门的多次协商之后,一个自成密封体系、经过反复严密包裹的石刁柏干种子随卫星搭载上了太空。七天后,卫星载着石刁柏种子返回地面。
但由于干种子水分含量少,对环境的忍耐力高,这些经历了“太空旅游”的珍贵种子没有发生任何改变。这也意味着中国第一次的太空植物飞行试验无功而返。
1987年之后,中国又连续发射了五颗返回式卫星,均搭载了育种材料。刘存德搭载的几十种植物种子回来种植之后,结果只有一种产量提高,就是芦笋,因为分枝增多,约增加了20%-30%的出笋率。不过增产的原因并非种子的遗传变异,而是所谓“营养生长”,即营养器官(芦笋的茎)发生了变化,到第二代时,变化就没有了。
对此,中国农业科学院蔬菜花卉研究所国家蔬菜改良中心研究员王晓武解释说,因为种子不是单一的受精卵,而是一个微型的植物胚胎,某个变异如果发生在将来发育成茎的那个细胞上,那么第一代植株的茎的生长就会起变化。但是,由于将来发育成种子的那个胚胎细胞有可能并不发生相应的变化,第一代植株的变异因此也无法遗传下去。
不过,这些现实问题并没有影响中国对太空育种的研究热情。1996年,中国实验原子核物理、宇宙射线及基本粒子物理研究的主要奠基人和开拓者王淦昌院士,联合七位著名专家学者给中央写信,建议把航天育种工程列入国家计划,发射一颗农业卫星,为中国农业发展服务。正是这一年,农业部正式将“作物空间诱变育种”列为“九五”部级重点课题。
2002年,科技部也将农作物太空育种课题正式列入国家“十五”“863”计划。而种子从作为零星搭载的“乘客”,在2006年甚至有了自己的“专机”。一颗专门的太空育种卫星――“实践八号”在当年9月9日发射成功,搭载了208公斤的生物材料,包括133种植物和微生物、模式动物等,以及一系列的试验装备。这也是中国第一颗、迄今世界上唯一专门用于太空育种的卫星。
江西省农科院有关负责人曾对媒体表示,太空诱变种子发生基因突变的几率仅为3%-10%,并且是随机的,“有益突变”的概率只有1%-3%。
刘录祥则认为,卫星搭载过的种子只有百分之几甚或千分之几可能发生变异。
这就意味着,即便按照3%的高概率计算,在100个种子里,仅有1个-3个种子会在第一代的地面种植时,表现出良好的性状。而一个太空育种的作物要想成为稳定的优良品种,至少要在第四代还保持同样的稳定性状。
另外,经过太空辐射的种子的变异,“也完全是随机的,就是说,有的会变好,有的会变坏。”刘录祥说,目前科研工作者并不能控制变异发生的过程,更无法预知其变异产生的效果。
即使水稻这种基因组不大的农作物,其碱基也高达4300万个,包含3万-6万个基因,要想从太空诱变的“小概率事件”中,寻找到给人惊喜的“超级品种”,可能性微乎其微。
香港浸会大学生物系副教授张建华曾撰文《我对太空育种的质疑》指出,按照辐射会破坏DNA的原理,应该先看到大量“变坏”的变异才对,变好的变异应是极少的。
昂贵的太空育种
从国际研究界的实例看,太空育种也乏善可陈。
上世纪50年代至60年代初期,前苏联和美国的科学家就已开始将植物种子搭载卫星上天,并在返回地面的种子中发现其染色体畸变频率有较大幅度的增加,但突变发生的概率极低。而当时试验的目的是探测空间环境的安全性,为载人航天进行前期准备。
美国宇航局(NASA)还曾经在上世纪80年代把数万粒番茄种子送到空间站里放了六年,回来后分给小学生进行对照试验,结果一无所获。
从此之后,美国的太空科学实验大都集中在植物太空生长方面的研究,目的是为将来在太空站种粮食做准备。利用太空诱变种子的实验则完全停止了。目前,俄罗斯亦是利用国际空间站进行太空植物试验研究,其目的也在于预先知道植物如何在宇宙生长,在执行长距离的空间项目时,宇航员将可以自己种植食物。
在与熟悉的外国同行打交道时,刘录祥经常会问,“你的诱变试验结果怎么样?”他得到的回答通常是“不怎么样”。
俄罗斯专家格林娜曾告诉他,俄罗斯多次搭载后的种子,现在还有很多只是在仓库里存着。
美国犹他州大学作物生理学家布鲁斯・巴戈比(Bruce Bugbee),致力于为NASA研究未来空间农业的可行性问题,在参观了刘录祥的实验室之后,他认为,在地球上很难复制一些来自宇宙的辐射。美国与俄罗斯相似的实验都未能产生出变异的种子,而且,必须非常精准地控制实验才有可能成功。
路易斯安那州大学育种专家柯恩(Marc Cohn)表示,太空试验对种子发展研究提供的特性只是看种子在完全无重力下的反应。
国际粮农组织目前倡导的是地面核辐射育种技术,即利用各种射线(如X射线、中子等)照射农作物的种子、植株或某些器官和组织,促使它们产生各种变异,再从中选择需要的可遗传优良变异,培育成新的优良品种。目前国际上已经通过这项技术培育出3000多个品种,美国有200多个品种,俄罗斯更多。
该领域的国外专家在与刘录祥交流时常告诉他,太空育种随机性太大,效率太低,且机会有限。
但刘录祥仍为自己的实验辩护称,化合辐射和微重力的结合作用,可能会比单受辐射影响产生更多的突变。他乐观地预测这项努力可能会带来新的商业化高产番茄、青椒作物。同时,他表示,传统育种培育出一个新品种至少要经过八代的培育才能稳定下来,太空育种可以把过程缩短一半,需要四代以上。不过,刘录祥亦承认,太空育种的优势目前也“仅此而已”。
但是,这项优势“仅此而已”的项目却花费不菲。
“十一五”期间,“863”计划中航天技术经费为2400多万元,太空育种斩获其中900多万元支持;2006年国家科技支撑计划启动“航天工程专项”,太空育种从中再获近800万元经费。
从中可见,太空育种已成为中国航天工程中一个重要项目。由于经费导向,继中国农业科学院,近年来中国热带农业科学院、华南农业大学、山东省农科院等陆续成立了航天育种研究中心。
目前,全国已有220多个研究团队投身其中,也从不同渠道获得了使自家种子搭载升空的机会。而每克种子搭载进入太空,每次也需要500元-1000元。
据刘录祥透露,“十二五”期间,太空育种将会得到更大的支持,一个与其相关的“863”计划即将启动。
太空育种的概念,以及国家计划的导向,也间接催生出了一个号称“太空产品”的市场。中国科学院遗传与发育所研究员刘敏说,“卫星搭载的(太空育种)商业色彩很浓,任何单位只要肯出钱都可以搭载,那些搭载的单位就拿这个做广告,卖太空产品,事实上很多单位都没有进行后续研究的实力,炒作的成分居多。”
刘录祥就时常收到各种各样的传真和电话,声称可以帮助他将种子送上待发射的卫星或飞船。“目前,中国的航天搭载市场很无序,甚至还有打着中国航天科技集团太空搭载旗号造假的公司。”刘录祥说。
空间种子基因突变的概率极小,且育种也是一个复杂而又漫长的过程,以刘录祥所在的中国农业科学院航天育种研究中心为例,其已经做试验近20年,培育的新品种也只有十几种,通过国家级验收的只有几种。
“可现在有人到处宣传说几年就搞出了多少新品种,很多是骗人的。”刘录祥说。