中国开启深空探测新工程——太阳系边际探测工程

自1957年人类开启空间探测新纪元以来,大量航天器进入空间轨道,极大地拓展了人类对空间的认知。
绝大多数卫星计划都是集中于几个AU以内的内日球层探测,只有少数飞船计划(如1977年发射的旅行者1、2号)完成其行星探索任务之后,踏上了星际探索的征程。

2006年1月,新视野号(New Horizons)发射升空,旨在对冥王星、冥卫一等柯伊伯带天体进行探测,预计将于2038年飞临日球层边缘。
然而这些计划都不是专门针对太阳边际开展探测的计划,其轨道设计、载荷配置都有很大的局限性。

旅行者1号的运行方向是34°N,而旅行者2号运行方向是26°S,没有穿越太阳风与星际介质相互作用最显著的区域,即没有迎着星际风方向的日球层鼻尖区。顺着星际风方向的日球层尾至今仍是探测的空白地带。

在科学探测方面,缺乏太阳系边际和星际空间的关键空间环境参数的探测,如太阳风拾起粒子、太阳系边际的低强度磁场、宇宙尘埃和星际中性成分等。

中国继1970年成功发射“东方红一号”卫星之后,中国在月球与深空探测方面取得了重大进展。

探月工程2020年完成了“绕、落、回”三步走的目标,“天问一号”作为中国第一个行星探测任务,标志着中国航天器脱离地球空间,进入到行星际空间。

站在历史新的起点,中国正在论证太阳系边际探测工程,中国航天器将从日球层鼻尖和尾部两个方向冲出行星际空间,勇闯“无人区”,迈向星际空间,这将是中国成为航天强国的标志性工程之一。

人类从来没有停止过探索的步伐。
继陆、海、空、天之后,深空日益成为探索宇宙奥秘、和平利用太空的“第五疆域”。

开启星际探测新征程,勇闯极远、极暗、极寒的未知区域,将为人类认识太阳系和宇宙打开一扇新窗口。

作为空间科学研究的前沿领域,太阳系边际探测也逐渐成为国际空间探测的热点。

中国发起的太阳系边际探测工程,不仅是建设航天强国的标志性工程之一,也是中国对构建太阳系知识体系的重要贡献。

【侯保荣院士:愿做一辈子的海洋“防腐卫士”】大海,有着千里波涛滚滚来的雄浑壮阔,有着三万里河东入海的博大胸怀。大海,这片赋予我们无尽遐想的蓝色国土,是他五十余年来一直致力降服的“吃铁老虎”。

他,就是中国海洋腐蚀与防护研究拓荒者、2021年度中国科学院杰出科技成就奖获得者——中国工程院院士、中国科学院海洋研究所研究员侯保荣。

立志防腐

攻坚克难

“我就是专心干好海洋腐蚀与防护这一件事。”侯保荣对《中国科学报》说。

1970年3月,年轻的侯保荣带着一身朝气,正式入职中国科学院海洋研究所,开启了他成才报国的峥嵘岁月。

资料少,基础弱,设备缺,来到海洋所,在老同志的帮助和指导下,侯保荣加入了这支专门的海洋腐蚀与防护研究队伍。

那时,大家认为海洋环境划分为大气区、潮差区和海水区三个腐蚀区带。潮差区潮水忽高忽低,加上风吹日晒,国人都认为这部分腐蚀最严重。

但事实果真如此吗?为了找出科学答案,团队在陈山码头海边临时构建了一个水池开展实海挂片实验。

“我们的工作环境、条件特别差,吃饭只能在露天,苍蝇‘嗡嗡’的围着人转,一挥手‘呼’的赶走一大群。”侯保荣笑着描述,一幕幕仿佛还在眼前。

功夫不负有心人,日复一日的实验得出结论,浪花飞溅区是我国腐蚀防护产业忽视的“大老虎”,它才是海洋钢结构腐蚀最严重的区域,是真正的腐蚀防护“短板”和“痛点”。

深耕防腐

攻克“短板”

摸清海洋环境腐蚀规律后,如何降服浪花飞溅区这个“吃金属的老虎”,成为萦绕在侯保荣心头的一大难题。

侯保荣发现,“在浪花飞溅区采用包覆防腐蚀技术,防腐蚀效果理想。”而该技术在当时的中国尚是空白。

“我就想啊,能否针对我国的腐蚀环境特点,研发针对性的包覆技术呢。”侯保荣带领研发小组,翻阅了大量外籍文献、专利等,每天做计划、每日一沟通,秉持着“一定能成功”的决心,干劲十足。

“浪花飞溅区是造成严重腐蚀的‘罪魁祸首’,既然不能避免潮湿环境和海浪冲击,那就直面这一难题!”侯保荣坚定提出。

当时,润滑脂是有效的防腐方法之一,侯保荣先后运用数十种润滑脂进行实验,取得了一定效果,但是被润滑脂包覆的钢铁表面始终有少量腐蚀。这是为什么呢?侯保荣陷入了思考。

实验、观察、思考、再实验……侯保荣终于揭秘:浪花飞溅区的钢结构表面一直有残留的海水,即使涂抹润滑脂,表面的海水也被一并包裹在里面,是这些残留海水导致了点蚀的发生!

但是,如何在不改变施工环境的前提下,把钢铁表面残余的水分去除呢?他专程请教了高分子专家,并与日本合作,提出在有机大分子极性基团上增加水油置换基团,将金属表面的水分置换出来,在金属表面只留下油性基团,避免腐蚀,这种改性防护脂的防护性能大大提高!

有了这一点突破后,他又集中力量对防护脂配方、缓蚀剂成分同时改进,多层复配,最终形成了由矿脂防蚀膏、矿脂防蚀带、密封缓冲层和防蚀保护罩组成的复层矿脂包覆防腐蚀技术(PTC)。

该技术表面处理简单,施工方便,可带水带锈施工,不但能够隔绝海水,外层的密封缓冲层和玻璃钢防蚀罩还能有效抵御机械损伤和外界冲击,兼具防腐、水下施工、环保等多个优点。

院企合作 打破垄断

侯保荣先后走访了二十多个沿海城市的港口及上百家企业,始终坚持在一线。

“实验室制备只是第一步,科学技术要服务于社会工程必须扩大生产。”侯保荣又指向了新的目标“山头”。

没有正式的中试实验平台,侯保荣就借用合作公司“四面漏风”的废弃大院,加工了简易的生产设备,如此热火朝天的做起实验来。

条件十分艰苦,设备调试困难重重,但侯保荣从未想过放弃。“世上无难事,只怕有心人”——这种信念鼓舞着他继续向前。

侯保荣提交了“我国海洋工程设施浪花飞溅区防腐蚀工作极待加强”的院士建议,获得了有关国家领导人的批示,得到“十二五”国家科技支撑计划项目的支持,由此完成了PTC技术扩大生产的关键一步。

数十年的探索,侯保荣与高新技术企业青岛迪恩特新材料科技有限公司建立稳定合作,共同研发的包覆技术生产设备从Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型,到可以批量稳定生产的Ⅳ型,设计建立了一套完整的自动化生产线,打破国外技术垄断,生产能力最终满足了防腐工程需要。

合作实现了该技术在国内的首次规模化、标准化生产,保障了产品性能达到国家标准GB/T32119-2015要求,产品质量稳定,具有中国计量认证机构(CMA)的合格检测报告。

“是时候真正将PTC包覆防腐技术服务于我们中华大地了!”侯保荣兴奋的表示。

目前,该技术在青岛港液体化工码头已使用近十五年,至今保护状态完好,无任何破损现象,检查内部钢结构无任何腐蚀,光亮如新,预计防护寿命可达30年以上。

就连在我国东北的极寒极恶劣服役环境下,PTC技术也能够有效抵御海冰碰撞,经受住恶劣环境的考验,在冬季结冰期长达5个月之久的丹东华能电厂煤码头,至今成果已顺利应用8年。

目前,PTC技术已经实现了我国全纬度的适用性,扎根我国防腐工程。产品在大连北良港码头、上海洋山深水港LNG码头、杭州湾大桥等近五十项国家重大工程中应用,全部为优良工程。

针对不同工程的特殊性,侯保荣又进行个性化PTC技术升级。利用多片嵌合式防蚀保护罩技术,解决了海上风电超大直径塔筒的现场包覆和陆地预包覆防腐难题,同时还解决了几十座桥梁锚室系统和埋地管道的防护难题,实现了PTC技术在多种场景的应用。

“随着近年来技术产品的逐渐成熟,我们注册了商标(迪恩特R)和防伪标识。基于产品优异的防腐性能和合作方的认可,我们投保商业综合责任险,由太平洋保险公司承保,保额可达RMB 1000万元。”侯保荣与时俱进的迈出了向市场探索的步伐。

矢志不渝 砥砺前行

科研的脚步是不停歇的。

针对海洋大气区异型钢结构的腐蚀防控难题、海工钢筋混凝土的腐蚀防控难题,侯保荣还率团队成功研发出了氧化聚合包覆防腐技术(OTC)、柔韧性钢筋混凝土涂层防腐技术(FCC)等一系列成果,填补了国内技术空白,并实现产业化。

这些成果在110余项重大工程中得到成功应用,创造了巨大的经济与社会效益,也因此,侯保荣被大家称作海洋的“防腐卫士”。

侯保荣常说,PTC技术是众多成果中最偏爱的一朵“浪花”,它承载着侯保荣与浪花飞溅区的不解情缘,这是他进入腐蚀领域的“萌芽”,也见证着他服务于我国多项防腐工程的“开花”“结果”……

对侯保荣来说,2021年是个丰收年。他获得了中国科学院杰出科技成就奖,还获得了联合国世界腐蚀组织(WCO)首届世界“腐蚀成就奖”,全球仅一人获奖。这不仅是对侯保荣在世界腐蚀防护领域突出贡献的高度总结,更是对侯保荣产学研结合、科研成果应用实际的充分认可。

多年来,侯保荣先后承担国家重大科研计划30余项,出版专著9部,主编论文集10部,发表SCI论文500余篇,授权专利100余项,制定国家和地方标准10余项;主持“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目,完成我国最全面系统的腐蚀调查,出版170余万字的《中国腐蚀成本》,英文专著The Cost of Corrosion in China全球发行;曾获国家科技进步二等奖、山东省科学技术最高奖、山东省技术发明一等奖、山东省科技进步一等奖、中国腐蚀与防护最高工程成就奖、何梁何利科技进步奖、美国腐蚀工程师协会(NACE)科技成就奖及NACE卓越组织奖等。

工作中的侯保荣,仿佛一台永动机。他始终坚守科研第一线,他三年的出差里程中,仅飞行距离就超过33.3万公里,相当于绕地球8圈多。

侯保荣对《中国科学报》表示:“荣誉仅仅是工作的开始,得到的成绩也只代表过去,我会继续奋斗在腐蚀研究的第一线,尽自己最大的努力,为我国防腐事业做出一点贡献!”https://t.cn/A6iS359a

#汤加火山喷发会造成多大影响#
我简略地从喷发形式,火山空间位置,火山喷发产物与副产物,火山周围原有环境状况举例说明火山喷发对周围环境、生物的影响。
喷发形式
中心式喷发:最常见的现代火山活动形式,岩浆以火山口为中心向四周喷发,在压力的作用下,会形成猛烈的喷发(汤加本次喷发属于此类,已达VEI 5-6级,)。
细分为宁静式喷发(夏威夷火山)、爆裂式喷发(维苏威火山、坦博拉火山、圣海伦斯火山),前者活动持续,爆炸较少,后者活动剧烈且迅速,可能炸毁原有火山锥形成破火山口,甚至导致局部气候剧变。自1983年起夏威夷基拉韦厄火山每天都流出熔岩,熔岩流入大海冷却后令夏威夷岛面积不断增大。坦博拉火山爆发后1816年全球年平均气温下降近3℃。
裂隙式喷发:岩浆沿地表裂缝处溢流,广大的裂缝喷发会形成大片熔岩平原高原,称之为洪流玄武岩或高原玄武岩。例如:德干高原、冰岛、峨眉山玄武岩、汉诺坝玄武岩。裂隙式喷发常见于洋中脊或地壳薄弱处,熔岩主要为基性,活动持久,在喷发期间可能会烘烤下伏地层使其发生热变质。
区域式喷发:一个区域中有大量火山喷发,形成大量的火山聚集。例如:日本、印尼的部分岛屿,中国的长白山、腾冲。考虑到在区域内有大量火山爆发,可能导致这种区域生态系统的抵抗力稳定性较弱,恢复力稳定性较强。
熔透式喷发:由于岩浆的高温,把岩浆库顶部的岩层熔化,使大量岩浆溢出地面。有时岩浆上升停留在浅处,没能熔化顶部岩层,而就地冷凝固结下来,使地面隆起成丘状,称为潜火山或地下火山,也叫次火山。目前这种火山不存在。
火山空间位置
大洋边界、洋岛与岛弧上的火山,因为对海水直接产生机械能传递,或靠近海洋与板块边界,所以容易诱发海底地震与海啸。汤加就是这种。
内陆的火山,可能指示“地幔柱”位置,可能是三叉裂谷的滥觞,如东非裂谷一带的火山。
高原火山,应为深部地层熔融的体现。可以为高原提供丰富地热能源。
水系周围火山,其活动可以改变水系流向,改变水中溶解的成分、温度等属性。
就人类聚居区与火山的布局来看,有必要事先详查火山活动状况再进行建设。维苏威火山在历史上多次爆发,掩埋多座人口众多的城市。1951年5月27日新疆阿什库勒火山爆发,但因为爆发地人迹罕至,因此几乎没有造成损失。
火山喷发产物与副产物
熔岩、火山灰、火山气体、内能直接由火山喷发释放,喷发时会直接毁灭或掩埋原有地貌并使原有生态系统毁灭。如北京西山可见一些杏仁状玄武岩层超覆于浅变质的泥岩、砂岩、砾岩的区域,是侏罗纪的古水系被燕山期的火山活动掩埋的证据;再如大家耳熟能详的富士山,江户时代爆发过一次,火山灰令100千米外也难见天日。
火山活动喷出岩浆与气体成分的不同,对环境的影响也不同。如大多数火山喷发的硅酸盐岩浆温度高,其中偏基性岩浆粘度低,挥发分多时易形成泡沫状玄武岩(浮石)等,地表呈现固结的熔岩流,这类岩浆凝固后易风化,地表植被恢复较快。偏酸性岩浆则形成流纹岩等,固结后不易风化,地表生物以地衣为代表。详细分析火山岩浆成分对找矿有参考价值:非洲东部喷出的碳酸盐岩浆温度相对较低,可形成碳酸岩型稀土矿床;智利的金属硫化物、氧化物矿浆则形成了品位较高的矿产;火山喷出的气体富含硫时,在地表形成硫磺层,并可使火山口湖酸化;山东昌乐等地的蓝宝石矿与岩浆富铝不无关系;日本和南极一些火山灰中,金品位达到80-2000ppm。可见,火山喷发对人类并非百害无一利,只是获利与受害不易同时。
火山可造成瀵泉喷涌与水溶盐类的沉积。火山活动使地下水被加热,蒸气与热水冲破地层裂隙产生瀵泉。同时地层中含有的多数盐类溶解度加大,被温泉带出地表后冷却结晶可形成盐华等。当火山活动在海底,可形成海底热液硫化物喷口(黑烟囱)与热液碳酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硫酸盐喷口(白烟囱),既为某些矿物富集提供条件,又为海底生物提供能量,这类现象常见于洋中脊。
火山活动停止时,首先岩浆固结(若是玄武岩,这一过程可产生柱状节理),然后火山颈内岩浆固结或者岩浆沿原有孔道退回地下会留下熔岩隧道。此后火山岩风化,周边生态系统恢复。当风化进一步加剧,火山锥也可能趋于平缓,而火山颈突兀。
火山周围原有环境
当火山喷发发生于“超级火山”,可能导致全球气候变暖或变冷,进而导致生物绝灭,取决于喷发物成分。有人认为雪球地球因火山活动而结束,进而为埃迪卡拉-寒武纪生命大爆发提供了条件。有人认为西伯利亚大火成岩省与二叠纪末超级火山喷发有关,德干高原玄武岩与白垩纪末超级火山喷发有关,从而导致同时期的气候变化与大灭绝。
当火山在海底喷发,则可形成新海岛或黑烟囱,并使局部海水升温,改变一定区域内海洋生态系统。这种火山喷发出的熔岩以呈枕状为特征。
当火山在水系或冰盖下喷发,则可能造成堰塞湖,引发洪水,并产生大量蒸气。且蒸气在密闭空间潴留可引发爆炸,“神秘岛”即为形象的例子。
当火山在地下水丰富的断裂带爆发,可形成的除了瀵泉,还有泥火山。
至于人类聚居区,前面已经提到,这里不赘述。当然,那不是普通人愿意看到的。


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