中山大学热控系统护航阿尔法磁谱仪2

2011-5-18 08:45 来源: 科学时报
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“奋进”号整装待发

  当地时间5月16日上午,美国“奋进”号航天飞机携带着阿尔法磁谱仪2(AMS-02)发射升空,前往国际空间。在环境复杂的太空中,谁来保障AMS-02核心探测器的正常工作?由我国中山大学研发的热控系统在其中起到了关键作用。

“没有TTCS就没有AMS-02”

  应著名物理学家丁肇中邀请,中山大学于2004年初参加了AMS-02项目。

  硅微条轨迹探测器是AMS-02的核心探测器。中山大学负责研制的硅微条轨迹探测器热控制系统(TTCS),为硅微条探测器提供了高度稳定和均匀的温度环境,是保证该探测器正常运作的热控系统。

  “没有TTCS就没有AMS-02。”AMS-02团队如是评价TTCS的重要性。TTCS具有极为重要的技术意义,它是国际航天领域第一次采用机械泵驱动两相液体的回路应用技术。

  2010年11月19日,丁肇中在中山大学演讲时认为:“中山大学在AMS-02实验中作出了重要贡献”。

  TTCS将随AMS-02一起在国际空间站工作10年以上,以确保该探测器实现其设计精度。

  早在2008年7月23日,中山大学TTCS团队负责人何振辉在AMS-02交流会上作了TTCS工程件测试结果工作汇报后,丁肇中给予了充分肯定,美国国家宇航局(NASA)项目经理Martin也认为该研究“令人印象深刻”。

  2011年4月,TTCS在欧洲航空航天局参加了热真空测试后,再次得到了丁肇中的高度赞扬:“TTCS意想不到的稳定,你们对此应该感到自豪。”

技术攻关难于“上青天”

  AMS-02在太空上每转一圈,温度波动在上百摄氏度,在完全真空、热量散不出去的情况下,如何有效地散热、实现良好的温度控制精度,满足常规航天装置的苛刻要求,这是两相热控系统TTCS的关键创新点和技术水平所在。

  “系统要上太空,这是最关键和最难的。”中山大学工学院教授郭开华说,系统最初面临两个难题:一是控制硅微条的温度;二是同时防止热量散到超导磁铁上。“超导磁铁里面有液氦,需要接近0度才能运作。因此在控制硅微条温度的同时,还要保证它的寿命。”

  “AMS-02绕地球转一圈是90分钟,硅微条每一层温度稳定性,即片之间的温差不能超过1度。”中山大学化学与化学工程学院教授吕树申介绍说。

  “我们利用导热性能好的材料,把每层硅微条的热量散到周围,周围用铅管二氧化碳搜集起来,把热量扩散出去,严格控制温度。”吕树申说,“2010年1月欧洲海洋航天局地面试验表明,TTCS温度变化范围小于0.1度,连丁肇中都难以置信。”

  “两相系统在一定压力下,温度非常稳定。所以我们的重点在控制它的压力。”郭开华说。

  在研究过程中,AMS-02决定用永久磁铁取代超导磁铁,但因超导磁铁而诞生的TTCS,却没有随之退出。相反,其超乎寻常的温度稳定性赢得了硅微条探测器团队的认可,TTCS被保留下来,并随AMS-02一起升空。

  据介绍,TTCS为了确保升空后的安全运行,采用了整体双备份方案。一个系统有两套备份,每套又有双备份。在有限的空间、质量、电力情况下,力求多重保障,确保万无一失。

  中山大学科学家介绍,除了AMS-02系统之外,TTCS还能应用于其他领域,具有广泛的社会效益。TTCS既可以运用于国家航空航天军事领域,如登月、飞船等;同时惠泽民用设施,诸如机房节能、电子元件的冷却等。

  “这是研发之初就考虑到的问题。”郭开华说。目前,两相热控系统已列入国家“十二五”空间计划。看来,TTCS不仅可以在天上飞,还可以在地上发挥更多作用。

  新闻链接

  5月16日,美国“奋进”号航天飞机从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心发射升空,服役近20年的“奋进”号踏上了自己的“绝唱”之旅。

  此次“奋进”号的主要任务是为国际空间站运送名为“阿尔法磁谱仪2(AMS-02)”的太空粒子探测器。AMS-02具备强大而特殊的磁场,根据带电粒子进入磁场的轨迹变化,就可以推知这是何种粒子。因此AMS-02能够发现暗物质和反物质。

  AMS-02项目是继人类基因组计划、国际空间站计划、强子对撞机计划之后的又一大型国际科技合作项目。项目会聚了全球16个国家和地区的科学家,历时17年,耗资20多亿美元。磁谱仪的主要部件完工于欧洲和亚洲,中国科学家对项目的完成作出了十分重要的贡献。

  参与该项目的中国大陆科研团队主要有8个,分别为中科院电工所、中国运载火箭技术研究院、山东大学、东南大学、中山大学、上海交通大学杨煜普小组、中科院高能所以及航空科学与技术国家实验室;来自中国台湾的团队主要有“中央研究院”、中山科学院等。他们的贡献各不相同,但都必不可少。