山大破解带电磁铁太空温控难题

2011-5-18 08:42 来源: 科学时报
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  北京时间5月16日晚8时56分,诺贝尔奖获得者丁肇中领衔的国际科学计划——阿尔法磁谱仪2(AMS-02)搭乘美国“奋进”号航天飞机从肯尼迪航天中心升空进入国际空间站,人类从此进入粒子物理探测新时代。在未来20年里,AMS-02都将是国际空间站唯一的大型科学实验。

  在该项目中,AMS-02热系统首席科学家、山东大学教授程林带领他的研究团队,在人类历史上首次解决了带电磁铁在太空中运行的温度控制这一关键的科学问题。

中国领衔AMS-02热系统

  2004年,山东大学加入项目组,全面负责热系统的研究与设计,程林也成为AMS-02热系统的首席科学家。AMS-02热系统是一个非常复杂的系统,涉及热能工程、机械制造、材料科学、电子信息等多个领域,并且没有任何成功的经验和先例。

  国际空间站每90分钟就绕地球转一圈,这样AMS-02的温度每隔90分钟就要在-40℃~60℃之间循环变化一次,而AMS-02各探测器及电子设备的热控制要求极其苛刻,工作温度变化必须维持在1℃以内。在此情况下,热系统研制的水平及质量,直接决定着AMS-02的工作状态、运行寿命及实验的可靠性。

  “绝对不能过热或者过冷,温度一升高,就需要把热谨慎地排放到外层空间,还不能散发到太阳能电池板及其他元器件上,要求相当高。”程林说。

  程林与来自美国麻省理工学院、美国宇航局(NASA)等机构的30多位科学家一起,对AMS-02在各个季节的温度、运行方式,以及空间站的方位,作了热模型和热模拟,提出了不同结构形式的散热元件,保证了系统的高效散热及温度场的均匀性和稳定性,设计了AMS-02在国际空间站环境下运行的热控制系统。

  2007年4月,该系统在德国通过了机械性能测试,结果完全合格。

  “AMS-02有多个系统,其他系统在测试时都有各种各样的不合格,只有我们的这个系统完全合格,这是一件很了不起的事。”程林说。

  2010年4月,组装完成的AMS-02在荷兰进行了太空模拟实验,证明热系统没有任何问题。

  “热系统是其他各系统工作的基本保障,这个系统的研制成功得到了丁肇中和NASA的高度评价。”程林说。

  随着AMS-02的升空,山东大学研究设计的AMS-02热系统也成为国际空间站上中国制造的重要大型组件。

产能转化潜力巨大

  当AMS-02顺利升空,开始履行它的使命时,山东大学也拥有了该技术应用领域的“话语权”,为成果产业化提供了增长点。

  2008年11月,丁肇中就曾指出,程林团队为AMS-02作出了非常重要的贡献,按照国际惯例,山东大学应该分享AMS-02的所有成果。AMS-02中的先进传热技术可在山东进行产业化,山东大学具有清晰和无可争议的完全知识产权。此后,丁肇中也反复强调过这些技术的重要意义。

  于是,山东大学成了新技术的“摆渡人”,使这项国际前沿成果可以顺利在我国实现产业化。目前环路热管技术已经开始中试研究。产业化完成后,将会带来巨大的经济和社会效益。

  山东大学校长徐显明说,此前应用于大规模集成电路、深冷和航空航天等领域的环路热管基本被美国等少数国家所垄断,但程林团队研制的新型环路热管,完全实现了35W~600W热量之间的大范围负荷的高效运转,并能在-20℃的环境中正常工作,代表了当今世界环路热管的最高水平。

  “以程林为首席科学家的山东大学热科学研究中心拥有世界领先的10余项完全自主产权的科学技术,孕育着巨大的产业化潜力,其中高精度热控制技术、环路热管技术和大功率热机械泵具有批量生产的能力和广阔应用前景。”山东省科技厅厅长翟鲁宁说,日后山东将在这方面加大投入,以促进先进技术的产能转化。

  在热科学研究中心,记者见到了应用到AMS-02中的环路热管。一根一米长、成人拇指粗细的热管就价值3万多元人民币。“越细的越贵。”中心一名研究人员说,这根环路热管的导热性能远远高过铜或铁等已知的导热体,其导热性能是NASA标准产品的4倍,是中国航天标准产品的10倍。“如果将热管的一头放到开水里,不到1秒钟另一头就能将手烫起泡。”

  山东大学一名老师说,如果产能转化能把价格降下来,将这项技术应用到暖气片上,每年取暖消耗的煤炭估计能节约九成。

后续研究还将继续

  2010年7月,徐显明访问AMS-02项目组时,就山东大学参加项目的后续工作签署了一系列合作协议。AMS-02在国际空间站安装完成之后,将通过数据中继卫星,分发给地球上的数据中心。山东大学将同步接收AMS-02发回的海量数据并进行研究。

  “这种全新的研究让山大站在了世界学科研究的最前沿,研究中可能得出改变我们自身认识的科学发现。”程林说,同时,山东大学还将全面负责热控系统在国际空间站运行状况的实时监控,进行数据分析、存储和服务等工作。

  徐显明认为,这次的机会让山东大学向世界一流大学的目标迈进了一大步,“山东大学以文史成名,程林团队的研究让山大的热传递学科站在了世界最高点,我们学科多元化建设取得的成果越来越多,这是我们最欣慰的。”

  山东大学AMS-02团队圆满完成任务,也得到了党和国家领导人的关注与赞赏。

  2010年7月,中共中央政治局常委、全国人大常委会委员长吴邦国一行专程到欧洲核子研究中心,参观正在那里建设的AMS-02。程林向吴邦国汇报了山东大学负责的工作,详细介绍了山东大学参与项目时所产生的若干独有技术和创新之处。吴邦国听取汇报后说:“山东大学的工作非常了不起!”

  国务委员刘延东视察山东大学AMS-02实验室时说:“你们和国际科学前沿接轨,做出了卓有成效的工作。我国正由大国向强国迈进,在科学进步方面,我们应该在国际科学领域占有一席之地,你们的实验室做到了这一点。”

  5月16日晚9时,程林在美国肯尼迪航天中心通过微博直播美国“奋进”号航天飞机的成功发射。程林在现场发来感言:“‘奋进’号跃入云层,巨大的轰鸣声滚滚而来,那一刻,我们泪流满面。”