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2008年9月，神舟七號飛船發(fā)射，我國成為繼美國、俄羅斯之后，獨(dú)立掌握出艙活動關(guān)鍵技術(shù)的國家。就在舉國歡慶之時，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡稱理化所）的科學(xué)家們卻在思考一個關(guān)乎中國航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要問題。

航天事業(yè)要發(fā)展，需要依靠推力更大、效率更高、清潔環(huán)保的大型運(yùn)載火箭。液氫液氧作為比推力高且環(huán)保的火箭推進(jìn)劑，在相同條件下能夠產(chǎn)生更大的速度增量，采用液氫液氧的火箭發(fā)動機(jī)效率更高。氫氣在-253℃才能變?yōu)橐簯B(tài)，想生產(chǎn)液氫，先要有大型低溫制冷裝置。然而，此時的大洋彼岸，美國明令禁止各類機(jī)構(gòu)向中國出口-250℃以下的低溫制冷機(jī)及核心部件。

“大型低溫技術(shù)是太空安全體系不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)之一?！?009年1月，理化所科學(xué)家主動向中國科學(xué)院請纓，申請攻克大型氫氦低溫制冷技術(shù)的“堡壘”。

一場大型低溫制冷裝備國產(chǎn)化的攻堅戰(zhàn)悄然開始。

1?前奏：“砸鍋賣鐵也得做”

低溫環(huán)境的創(chuàng)造要靠低溫制冷機(jī)不斷把環(huán)境內(nèi)的熱量向外抽，同時又不讓外面的熱量進(jìn)來。大型低溫制冷裝備素有“超級低溫工廠”之稱。它如同超大型冰箱一般，能夠?qū)囟冉档?253℃以下乃至-271℃超低溫，并維持百瓦至萬瓦制冷量。

這種“超級低溫工廠”是國家重要的戰(zhàn)略支撐裝備，在航天低溫推進(jìn)劑保障、特種材料提取、氫能利用與氫儲能、戰(zhàn)略氦資源開采、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施等重要領(lǐng)域有不可替代的作用。

正因為這種不可替代性，一些西方國家試圖借此鎖死中國相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。從上世紀(jì)50年代開始，理化所老一輩科學(xué)家洪朝生院士、周遠(yuǎn)院士就開啟了低溫技術(shù)研究，嘗試突出重圍。

然而，直到2009年，國家還未正式為面向新需求的大型低溫制冷裝置研發(fā)項目立項，零敲碎打的小課題無法撐起建制化攻關(guān)。相關(guān)科學(xué)家心急如焚，向中國科學(xué)院提出立項建議。

詳細(xì)了解情況后，院領(lǐng)導(dǎo)當(dāng)機(jī)立斷：“還等什么，砸鍋賣鐵也得做！”中國科學(xué)院向理化所特批經(jīng)費(fèi)，緊急部署重要方向上的項目。

與此同時，中國科學(xué)院相關(guān)部門也開始研究大型低溫制冷裝置是否具備成為國家重大科研裝備研制項目的條件。

當(dāng)時，恰逢國家重大科研裝備研制項目試點啟動。財政部安排專項資金用于支持重大科研裝備的自主創(chuàng)新，并以中國科學(xué)院為試點，探索國家財政對重大科研裝備自主創(chuàng)新的支持模式。

項目立項論證過程中，長期從事液氫溫區(qū)低溫制冷技術(shù)研發(fā)工作的理化所研究員李青帶著團(tuán)隊反復(fù)論證方案。他常常因腰疼而汗透衣衫，卻依然在為我國大型低溫制冷技術(shù)在國際上占有一席之地而努力。他一度住在辦公室里，幾乎每天都忙到下半夜。

在組織專家進(jìn)行廣泛調(diào)研和嚴(yán)格論證的基礎(chǔ)上，2010年，財政部和中國科學(xué)院共同啟動“大型低溫制冷設(shè)備研制”項目，由理化所牽頭攻關(guān)，項目經(jīng)費(fèi)1.73億元，李青任首席科學(xué)家。

這個項目后來被很多人稱為“一期項目”。在該項目的支持下，中國科學(xué)家自主研制出一臺萬瓦級液氫溫區(qū)制冷設(shè)備，突破了高速氦氣體軸承透平膨脹機(jī)穩(wěn)定性技術(shù)、超低漏率板翅式低溫?fù)Q熱器設(shè)計和制造技術(shù)、高精密油分離技術(shù)、氣動低溫調(diào)節(jié)閥制造技術(shù)及系統(tǒng)集成調(diào)控技術(shù)五大關(guān)鍵技術(shù)。

研制初期，由于國內(nèi)很少進(jìn)行大型低溫制冷相關(guān)設(shè)備的設(shè)計和制造，國產(chǎn)的壓縮機(jī)、低溫?fù)Q熱器等關(guān)鍵設(shè)備的密封性能比需求差兩個數(shù)量級。項目組在理化所5號樓旁邊搭建起一座簡易小樓。夏天，大家包扎絕熱材料時，汗水嘩嘩往下流。冬天，大家靠著一個小小的取暖器，手腳冰涼通宵達(dá)旦地工作。

功夫不負(fù)有心人。2015年4月29日，在李青及其團(tuán)隊的努力下，一期項目通過驗收，我國初步具備了自主設(shè)計與制造液氫溫度級大型低溫制冷設(shè)備的能力，解決了大型液氫溫區(qū)低溫制冷裝備從無到有的問題。

它如同一把鑰匙，開啟了中國大型低溫制冷裝備國產(chǎn)化的大門。而對于科學(xué)家來說，他們的征途才剛剛開始。

2?目標(biāo)：“還要繼續(xù)往下降”

從“十二五”時期開始，我國部署了大量大科學(xué)裝置項目?？粗b置一個個“上馬”，理化所的科學(xué)家們卻想得更遠(yuǎn)。

很多大科學(xué)裝置需要使用超導(dǎo)設(shè)備，包括超導(dǎo)磁體和超導(dǎo)高頻腔。為獲得良好性能，這些超導(dǎo)設(shè)備大多必須在液氦溫區(qū)（-269℃左右）至超流氦溫區(qū)（-271℃左右）工作。有人說，“如果沒有大型液氦或超流氦溫區(qū)的制冷裝備，大部分大科學(xué)裝置無異于一堆廢鐵”。因此，更低溫區(qū)的低溫制冷機(jī)成為必需。

當(dāng)時，國內(nèi)沒有能力生產(chǎn)更低溫區(qū)的大型低溫制冷裝備。一些大科學(xué)裝置項目因為進(jìn)口產(chǎn)品的供貨時間不可控等問題，在爭分奪秒的國際科技競爭中陷入被動。

“我們不能只滿足于做到液氫溫區(qū)，溫度還要繼續(xù)往下降，覆蓋全溫區(qū)，降到液氦溫區(qū)甚至超流氦溫區(qū)。”理化所時任所長張麗萍與原所長、一期項目總顧問詹文山商量。

以當(dāng)時的技術(shù)能力，大型低溫制冷機(jī)做到-253℃已屬不易。若要降到-269℃甚至-271℃，難度可想而知。大家討論后決定，從一期經(jīng)費(fèi)里“擠”出小部分經(jīng)費(fèi)，論證實現(xiàn)全溫區(qū)大型低溫制冷技術(shù)的可行性。

在此基礎(chǔ)上，理化所于2014年向中國科學(xué)院提交報告，申請將項目延續(xù)下去。

這份報告被反復(fù)修改了不下25次，爭論最多的問題是，接下來是“一步一個臺階”還是“一步跨兩個臺階”。

“一步一個臺階”，指先立一個項目攻克液氦溫區(qū)制冷裝備，再立一個項目攻克超流氦溫區(qū)制冷裝備。這種做法步子穩(wěn)，但速度慢。

“一步跨兩個臺階”，指只立一個項目，攻克液氦和超流氦溫區(qū)的裝備，研制出一臺能同時提供-269℃和-271℃溫度的裝備。這種做法速度快，但風(fēng)險高。

起初，大部分人支持走更穩(wěn)妥的路線?！耙汉貐^(qū)的裝置我們有把握，而超流氦制冷機(jī)很多人連見都沒見過，更別說把它制造出來?！崩砘芯繂T、二期項目常務(wù)副總指揮龔領(lǐng)會說。

但國內(nèi)對制冷的現(xiàn)實需求、國際競爭的膠著局勢不等人。中國科學(xué)院和理化所最終決定，“一步跨兩個臺階”。

2015年，立項申請得到國家認(rèn)可。在國家重大科研裝備研制項目的支持下，二期項目“液氦到超流氦溫區(qū)大型低溫制冷系統(tǒng)研制”無縫銜接，經(jīng)費(fèi)為1.87億元。

龔領(lǐng)會覺得壓力大極了。二期項目研制內(nèi)容包含3種制冷機(jī)，一是-269℃溫度下冷量為 250 瓦的百瓦級液氦制冷機(jī)，二是-269℃溫度下冷量為2500 瓦的千瓦級液氦制冷機(jī)，三是-271℃溫度下冷量為500瓦的百瓦級超流氦制冷機(jī)。不僅如此，后兩種制冷機(jī)還需要集成到一臺裝備上。

“項目內(nèi)容多，時間又緊，真怕拿不下?！饼忣I(lǐng)會坦言。

3?征程：向-269℃進(jìn)發(fā)

不出所料，技術(shù)和時間的雙重壓力讓項目難度倍增。

按照計劃，研究團(tuán)隊先要研制一臺冷量相對小的液氦系統(tǒng)。2016年9月，250瓦液氦系統(tǒng)集成完畢，開始調(diào)試。“沒承想，全不是那么回事兒。開機(jī)一試就出問題，溫度降不下去?！崩砘鶗r任副所長、二期項目總指揮劉新建說。

討論會開了無數(shù)次，原因查了無數(shù)遍，問題卻一直沒能解決，大家的信心一點點跌到谷底?！案傻揭话刖透刹幌氯チ耍略趺崔k？”劉新建心里打鼓。

到2017年夏天，大家覺得修修補(bǔ)補(bǔ)的“保守治療”已無濟(jì)于事，便決定破釜沉舟：“拆了！重新組裝！”

要拆的設(shè)備主要是冷箱。從外觀看，冷箱像個大罐子，里面有許許多多的零部件，氦氣在這里變成液氦或超流氦。

拆裝任務(wù)在理化所廊坊園區(qū)開展。那時，園區(qū)還沒竣工，廠房剛剛通上水電。為了節(jié)省時間，龔領(lǐng)會帶著團(tuán)隊幾個年輕人，把涼席、被單、水壺、“熱得快”和成箱的方便面搬進(jìn)廠房，就地住了下來。

沒日沒夜地干了一個多月，他們總算找到了問題。調(diào)試進(jìn)度隨之順暢起來。到2017年10月，250瓦液氦制冷機(jī)通過專家驗收，關(guān)鍵部件國產(chǎn)化率達(dá)100%。

攻關(guān)團(tuán)隊信心倍增。基于成功經(jīng)驗，他們進(jìn)一步研發(fā)并完善關(guān)鍵核心設(shè)備——高速氦透平膨脹機(jī)，集成出2500瓦液氦制冷機(jī)。2019年9月，大型液氦制冷系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。

用于2500瓦低溫系統(tǒng)的氦氣螺桿壓縮機(jī)測試驗收。

不過，研制出百瓦級和千瓦級液氦制冷設(shè)備，項目任務(wù)只完成了一小半，更大的挑戰(zhàn)在等著他們。

4?突破：向-271℃沖刺

項目的另一半任務(wù)是研制出百瓦級超流氦制冷機(jī)。這部分任務(wù)與液氦制冷機(jī)研制幾乎同步啟動。

超流氦制冷機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備是離心式冷壓縮機(jī)，也是整個項目中最讓大家提心吊膽的設(shè)備。

冷壓縮機(jī)能在低溫下工作，采用電磁軸承，要求控制系統(tǒng)在0.5毫秒內(nèi)對轉(zhuǎn)子可能發(fā)生的偏離作出準(zhǔn)確反應(yīng)。低溫技術(shù)實驗中心（理化所前身之一）從1959年起就在研制各種接觸式、非接觸式軸承壓縮機(jī)，卻從沒研制過電磁軸承壓縮機(jī)。

為穩(wěn)妥起見，項目組準(zhǔn)備了兩條路線，一是從國外購買整機(jī)或零部件，二是全部自主研制。兩條路線，齊頭并進(jìn)。

結(jié)果，第一條路線狀況百出，大家的心就像坐過山車一樣忽上忽下。

2015年，科研團(tuán)隊尋得一家有冷壓縮機(jī)生產(chǎn)經(jīng)驗的外國公司，都已談妥購買事宜，沒想到招投標(biāo)之前，這家公司發(fā)來郵件說：“為獲得出口許可證，我們上周與政府部門進(jìn)行了討論和協(xié)商，但是它們對發(fā)放出口許可證持較負(fù)面觀點，理由是貴所被列入了政府的禁購名單?！焙髞?，科研團(tuán)隊又找到另一家外國企業(yè)，可是這家公司生產(chǎn)的冷壓縮機(jī)運(yùn)到廊坊，第一次試車就失敗了，返修進(jìn)度也一拖再拖。

第二條路線雖然同樣困難重重，卻讓人踏實許多。

在第一條路線徹底行不通時，科研團(tuán)隊已經(jīng)積累了多年技術(shù)經(jīng)驗，自主攻克了電磁軸承的技術(shù)難題。此后，科研團(tuán)隊將全部精力集中到第二條路線上。到2019年，團(tuán)隊自主研制出的冷壓縮機(jī)進(jìn)入技術(shù)測試環(huán)節(jié)。

由于試驗需要使用大量液氦，他們將試驗場地搬到具備試驗條件的中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場科學(xué)中心。在這里，冷壓縮機(jī)試驗整體非常順利。2019年11月，冷壓縮機(jī)搬回廊坊，集成到超流氦系統(tǒng)試驗臺上。

科研人員接下來的目標(biāo)是將超流氦系統(tǒng)做到500瓦，與2500瓦的液氦系統(tǒng)結(jié)合。

5?聯(lián)調(diào)：實現(xiàn)一機(jī)兩用

2019年11月，冷壓縮機(jī)樣機(jī)裝上超流氦系統(tǒng)，首次和液氦系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；12月，第二次聯(lián)調(diào)，超流氦系統(tǒng)首次達(dá)到-271℃……試驗看上去一切順利。然而，就在他們逼近500瓦、-271℃的更高目標(biāo)時，問題出現(xiàn)了。

2020年2月，第三次聯(lián)調(diào)獲得一個好結(jié)果和一個壞結(jié)果，好結(jié)果是超流氦系統(tǒng)在-271℃下，獲得了瞬時502.9瓦制冷量；壞結(jié)果是儀表系統(tǒng)發(fā)生故障停機(jī)。

那時候，試驗經(jīng)常做著做著就停機(jī)，電機(jī)過熱，儀表報警?！白约貉邪l(fā)的裝備，自己能推斷問題在哪兒，可以不斷地進(jìn)行技術(shù)迭代?！倍陧椖渴紫茖W(xué)家、理化所研究員劉立強(qiáng)雖然心急，卻有底氣。

他們一邊繼續(xù)完善冷壓縮機(jī)各種性能，一邊努力解決包括電機(jī)過熱在內(nèi)的各類問題，超流氦系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時間逐漸延長：2020年7月初，第九次聯(lián)調(diào)，穩(wěn)定運(yùn)行1小時；月末第十次聯(lián)調(diào)，穩(wěn)定運(yùn)行5小時； 8月，第十一次聯(lián)調(diào)，穩(wěn)定運(yùn)行7小時?？墒?，電機(jī)過熱的問題還是未能根治。

一狠心，大家決定給冷壓縮機(jī)做一次“大手術(shù)”，換掉電機(jī)里所有線圈，優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊每個人都覺得，就算進(jìn)展慢一點，交給國家的設(shè)備也容不得一絲隱患?！啊Ｊ丿煼ā苍S可以達(dá)到72小時的穩(wěn)定性指標(biāo)，但任何一個偶然因素的出現(xiàn)都會讓它處于不穩(wěn)定狀態(tài)。”劉立強(qiáng)說。

2020年10月，廊坊園區(qū)里，電機(jī)線圈更換完畢，準(zhǔn)備進(jìn)行第十二次聯(lián)調(diào)。這一次，他們要挑戰(zhàn)72小時。

1小時、5小時、7小時、10小時……劉立強(qiáng)看到了成功的征兆。以往的調(diào)試，總會有數(shù)值偏高或偏低的問題，這次卻特別順，系統(tǒng)一直平穩(wěn)運(yùn)行。

12小時、24小時、36小時、48小時……系統(tǒng)依然平穩(wěn)。直到10月20日，設(shè)備平穩(wěn)運(yùn)行了72小時。

“這件事終于完成了！”劉立強(qiáng)感覺肩上的壓力終于釋放了。

2020年12月29日，液氦、超流氦低溫制冷裝置通過專家組驗收。

-269℃溫度下冷量為2500 瓦的千瓦級液氦制冷機(jī)冷箱（左）和-271℃溫度下冷量為500瓦的百瓦級超流氦制冷機(jī)冷箱（右）。

6?未來：打造世界低溫技術(shù)產(chǎn)業(yè)高地

2021年4月15日，二期項目通過項目驗收和科技成果鑒定。

驗收意見認(rèn)為，該項目“全面突破了大型氦低溫制冷裝備核心技術(shù)”；鑒定意見認(rèn)為，該項目“形成了千瓦級大型氦低溫裝置的研制能力，打破了發(fā)達(dá)國家的技術(shù)壟斷，項目整體技術(shù)達(dá)到國際水平”。

這是我國首臺可以達(dá)到超流氦溫區(qū)的大型低溫制冷裝置。從這天起，中國有了自己的“超級低溫工廠”。

在二期項目之后，中國科學(xué)院又設(shè)立戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項，繼續(xù)支持理化所研制5噸/天級大型氫液化系統(tǒng)。2024年3月8日，該系統(tǒng)通過測試驗收，系統(tǒng)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行8.5小時，氫氣液化率約5.17噸/天。

在很多親歷者看來，“超級低溫工廠”的成功得益于一套行之有效的重大項目管理體制和機(jī)制。

理化所所長王雪松介紹，低溫設(shè)備項目實施過程中，理化所探索了獨(dú)具特色、卓有成效的管理機(jī)制，打造了“邊研究、邊應(yīng)用、邊轉(zhuǎn)化”的創(chuàng)新研發(fā)模式和完整的發(fā)展鏈條。

在管理方面，“我們打破原有‘PI（課題組長）制’課題組之間的藩籬，實體整合3個課題組，組建起面向重大戰(zhàn)略目標(biāo)的研究中心，形成了合力做大事的科技架構(gòu)，為項目的統(tǒng)籌管理奠定了堅實基礎(chǔ)?！蓖跹┧烧f。

目前，理化所大型低溫制冷機(jī)已實現(xiàn)18臺（套）的應(yīng)用。其中，百瓦級液氦制冷機(jī)不僅應(yīng)用于中國科學(xué)院高能物理研究所超導(dǎo)磁體測試裝置、中國原子能科學(xué)研究院直線加速器，還走出國門，用在韓國聚變大科學(xué)裝置（KSTAR）上；液氦、超流氦制冷機(jī)應(yīng)用于中國科學(xué)院近代物理研究所的加速器驅(qū)動嬗變研究裝置試驗線。

我國首套出口國際的200瓦液氦溫區(qū)制冷機(jī)。

與此同時，理化所在螺桿壓縮機(jī)、氦氣閥門、高速電機(jī)、電磁軸承等部件的研制方面與企業(yè)協(xié)力攻關(guān)。山東、福建等地20多家企業(yè)在短時間內(nèi)實現(xiàn)技術(shù)突破，其中有些技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

“我們承擔(dān)國家大項目，不光要完成項目，而且要為國家打下工業(yè)基礎(chǔ)?！饼忣I(lǐng)會說。

從2010年一期立項，到2021年二期驗收，再到如今先導(dǎo)專項接續(xù)突破，中國科學(xué)家僅用10余年就走完了西方國家數(shù)十年的路，我國大型低溫制冷技術(shù)隨之進(jìn)入新的發(fā)展階段。

如今，這些科學(xué)家又一次看到國家對低溫制冷裝置的新需求，布局極低溫大冷量制冷機(jī)研究，助力中國成為世界低溫技術(shù)和低溫產(chǎn)業(yè)高地，全面支撐國家戰(zhàn)略資源、航空航天、科技創(chuàng)新等發(fā)展。

大型低溫制冷團(tuán)隊。理化所供圖

（原載于《中國科學(xué)報》?2024-05-20?第4版?專題）