作者:倪思洁 来源:中国科学报 发布时间:2024/6/17 16:50:52
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25年“死磕”降温神器,他们为中国补齐这块短板

 

这是一个不经常申报奖项的团队,团队成员也很少在国际期刊上发表论文,但各种奖牌还是把实验室的白墙填得满满当当。最近,在由中国科学院工会委员会组织的一场颁奖仪式上,他们又获得了一块奖牌,上面写着红彤彤的四个字——“科苑名匠”。

这个团队就是中国科学院理化技术研究所(以下简称理化所)空间制冷技术研究团队。他们的拿手绝活儿是研制宇航级脉冲管制冷机——一种可以为卫星载荷降温的“神器”。

过去25年里,他们将脉冲管制冷机的关键技术与工艺性能一点点推向极限,最终打破国外垄断,让我国卫星用上了国产的、长寿命的宇航级“降温神器”。

实验室里满墙的荣誉奖牌。倪思洁摄

“科苑名匠”奖牌。受访者供图

“用上才是真本事”

很多卫星怕热,特别是红外成像类的探测卫星。由于距离目标探测物遥远,卫星上的红外探测器需要保持在低温甚至极低温水平,才能敏锐地探测出遥远目标上的细微差别。

制冷机就是为探测器降温的仪器,它的性能直接决定着星载仪器能不能看得清,卫星的工作寿命有多长。

在过去很长一段时间,宇航级制冷机都是我国探测卫星的“短板”。我国卫星上使用的微型制冷机,大多是地面级制冷机,精密程度和稳定性都远不如宇航级制冷机,寿命也只有宇航级制冷机的十分之一。

团队成员、理化所研究员陈厚磊告诉《中国科学报》,宇航级制冷机主要采用脉冲管制冷方式,原理是通过机械运动使气体在特定的位置膨胀,而气体膨胀时会出现降温现象。

其实,从上世纪80年代开始,原中国科学院低温技术实验中心(理化所前身之一)就率先开始了脉冲管制冷技术的基础研究。到上世纪90年代,他们已经数次创造最低制冷温度纪录,取得一系列原创性成果,并获得国际制冷学会“卡皮查奖”和“林德奖”。

年轻时的理化所研究员、团队前任负责人梁惊涛就曾是国际学术交流活动的“宠儿”之一,他拿过很多奖项,包括国际制冷学会首届“卡皮查奖”。上世纪90年代末,正当他和团队在为我国脉冲管制冷技术研究走在世界前列而欣喜时,美国不声不响地将脉冲管制冷机“打上了天”。梁惊涛如梦初醒:“他们表扬你有什么用?用上才是真本事!”

自那之后,他和同事们决定转换赛道,将目标瞄准到脉冲管制冷技术的工程化与应用上。1999年6月,理化所组建,原中国科学院低温技术实验中心的脉冲管制冷研究团队整体进入理化所。踏上新赛道的团队,开始面向国家空间遥感及红外探测领域的重大需求,开展脉冲管制冷机的工程化和空间应用研究。

团队成员在实验室里讨论技术问题。受访者供图

从“7年”到“7天”

新的赛道,是一条与以往的基础研究和技术探索完全不同的赛道。团队成员们开始切身体会到,科学研究与工程应用之间的差异有多大。

最让团队成员印象深刻的,是板弹簧的研制过程。板弹簧是脉冲管制冷机的关键技术难点之一,它是压缩机里支撑活塞运动的部件,看上去像是一盘迷你的“金属蚊香”,而压缩机是脉冲管制冷机的“心脏”。

为了避免磨损,压缩机的活塞与气缸之间需要保持微米级的间隙,这就要求由板弹簧支撑的活塞,丝毫不能偏离中心轴。不仅如此,板弹簧还必须具备极强的抗疲劳性,经得起上百亿次的拉伸。

一开始,团队里每个人都知道板弹簧长什么样,却从来没人做出过板弹簧。梁惊涛带着团队成员找来国际学术期刊,照着上面的板弹簧图纸依样画葫芦,可最后做出来的板弹簧性能不行,根本经不住寿命试验的考验。之后,他们采用“土方法”,一点点摸索改进工艺,将板弹簧的断裂时间一点点往后延。

用了7年时间,团队终于研制出了一个能满足压缩机性能需求的板弹簧。在此基础上,2008年时,他们研制出我国首台空间长寿命脉冲管制冷机,并成功进行在轨验证,使我国成为继美国之后第二个掌握空间长寿命制冷技术的国家。

然而,梁惊涛等人没能因此松口气,他们意识到,用“土方法”试出来的板弹簧虽然“成了”,但如果要给板弹簧换个尺寸、厚度或材质的话,他们就又不会做了。

“根本不敢有任何变动,厚度、形线、大小、材质都不敢变,可每个任务对压缩机、板弹簧的需求都不一样,一款板弹簧无法满足多元化的应用需求。”梁惊涛说。

看来,要真正攻下板弹簧技术,不仅要知其然,还必须知其所以然。之后的10多年里,团队成员继续“死磕”板弹簧,一点点摸透板弹簧的“脾气”,确定各种性能指标的临界值,并开发出专用的仿真软件。

“现在,如果要开启一项新的工程任务,我们设计板弹簧的时间已经可以从最初的7年,缩短到7天。”团队成员、理化所高级工程师荀玉强自信地说。

实验室里各式各样的板弹簧。倪思洁摄

板弹簧只是脉冲管制冷机空间应用道路上诸多拦路虎中的一只。除了最核心的压缩机相关工艺之外,为了提升脉冲管制冷机的性能,团队还在交变流动阻力匹配、超高频精准调相、主动减振等关键核心技术及工艺上不断挑战极限。

随着技术障碍被一一克服,我国不仅补上了空间长寿命脉冲管制冷技术的短板,而且在技术水平上已不输美国。“我们研制的47台脉冲管制冷机发射入轨,服务的卫星数量达24颗。我们所有的制冷机均在轨正常运行,没有一台发生过故障或质量问题。”过去25年、9000多天、无数次失败后的成功,让梁惊涛和团队成员们底气十足。

“挺过瘾”

转换赛道之后,团队成员发表学术论文或申报科技奖项的机会也少了,就连他们的实验室也是在一栋外观不太起眼的小楼里。可是,团队成员却觉得“挺过瘾”。

“我们的获得感更多地来自于团队内部。”梁惊涛说,“我们与志同道合的人,一起‘出生入死’,最后干成一件事,而那件事恰恰又是国家急需的,确实挺过瘾的。”

梁惊涛带团队的“秘诀”是“共赢不内耗”。他会根据团队发展战略和成员的长处和兴趣,将大家安排进不同的“跑道”,“跑道”之间互不重叠但相辅相成,比方说,脉冲管团队把脉冲管做好了,节流制冷团队就能实现更高的性能,为极低温团队奠定更好的基础,久而久之,团队内部形成了“你越好,我越好”的氛围,成员之间也会相互帮忙和鼓励。

有了合适的跑道,还要有奔跑的动力。脉冲管制冷机的用户单位在报奖时常常主动带上他们,每到此时,梁惊涛等中心领导就把署名的前排位置和领奖代表的位置留给年轻人。“人活一辈子图个啥?不就是被认可吗?大家的价值要得到团队的承认,才会有做事的动力。”梁惊涛说。

为了提振士气,梁惊涛还在时任支部书记洪国同研究员的提议下,为团队所在的理化所空间功热转换技术重点实验室写了一首室歌。歌词里写道:“燃烧青春的热血,铸造祖国的利剑,空间功热肩负着民族复兴赋予的重担。”

在实践中,他们也总结出了一套工作经验,其中之一就是“三线工作法”。陈厚磊介绍,“三线工作法”是他们针对航天任务特点提出的工作方法,即在传统的航天产品研制过程的两条线——管理线、技术线的基础上,增设思想线,使党支部的战斗堡垒作用和党员的先锋模范作用在科研工作中得到发挥。

2018年,“三线工作法”被评为中国科学院的品牌工作法。目前,该工作法已在理化所重大任务团队中推广应用。2022年,团队党支部还被评为中央和国家机关“四强”党支部、中国科学院“四强”标兵党支部。

梁惊涛作词的室歌。受访者供图

“科学技术的道路上没有捷径可走,不经过长期专一的坚守,打磨不出过硬的技术,更磨砺不出真正的巨匠大师。技术要发展,精神必传承。”梁惊涛说。

如今,这支团队刚刚完成新老交替,曾经被扶持的年轻人成了学术带头人,他们又以同样的胸襟扶持更年轻的一代。

新任团队负责人、理化所研究员赵密广告诉《中国科学报》,未来,团队将继续发扬传统,秉持精益求精的工匠精神,继续打磨提升空间制冷技术,并将其延伸到极低温,逼近绝对零度,同时,他们还将依托空间制冷技术积累,开展空间热力发电方面的研究和应用,为空间科学、深空探测等领域奠定技术基础。

团队合影,前排居中为梁惊涛。受访者供图

 
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