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AMS热控制系统

发布日期:2014年05月06日 14:41 点击次数:

  由诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目,汇集了16个国家和地区的60个著名大学和研究机构的600位科学家共同工作,历时近20年,耗资21亿美元,是20世纪末和21世纪初世界上规模最大的科学工程之一,是人类第一次在太空中进行的大型科学研究,与国际空间站、人类基因组测序和大型强子对撞机一起并称为世界四大科学工程。AMS的物理学使命是在太空中探索暗物质和反物质的存在,以及宇宙起源等,是唯一被安装在国际空间站的大型永久性的科学实验装置,将开启人类粒子太空探测的新时代。
  山东大学于2004年参加到AMS项目,程林教授在其中担任热系统首席科学家,全面负责热系统的研究与设计。作为第一责任人与来自美国麻省理工学院、瑞士苏黎世高工、美国宇航局等不同单位的三十多位科学家一起,对AMS在各个季节的温度、运行方式以及空间站的方位,作了全部的热模型、热模拟和热测试,解决了人类历史上首次带电磁铁在太空中运行的温度控制这一关键问题,为国际空间站上唯一的科学实验的建设作出了杰出贡献。
  AMS是一项史无前例的科学工程,没有任何经验可以借鉴,没有任何以前的资料和数据可以参考。AMS有六个非常精密的粒子探测器和650个微处理机,将在国际空间站上工作十年以上,是人类第一次使用精密的探测器探测一个全新领域,而热系统则是所有这些仪器正常工作的基础。在AMS研究过程中,山东大学AMS团队在程林教授带领下,提出了大型科学仪器太空运行的散热蓄热协同原理、周期性冷热交替的最小温差原理和不稳定分散热源的最优传热方法,解决了粒子探测仪在国际空间站运行的关键科学问题;提出了不同结构形式的散热元件,保证了系统的高效散热以及温度场的均匀性和稳定性;提出了利用热管既作为散热元件又作为局部支撑元件的思路并构建了一种新的特殊结构的热管,设计完成了主散热板,全面完成了热控制系统的热分析及其热控元件的相关设计。整体设计经过NASA严格的技术评估与实验,完全满足任务要求,得到高度评价。丁肇中教授在提交的一份报告中指出:“The entire thermal system was designed in Shandong University under the leadership of Professor Cheng Lin. The Engineering Model made in Shandong arrived at CERN last year(注:2007年)on time and has been meticulously checked,and receive well-deserved high recognition by NASA.”“...the work of Shandong University has received the highest recognition from the entire collaboration. Indeed,the work of Shandong University has made this experiment possible.”在致教育部的函中写道:“1976年以来,先后有数百位中国科学家和我一起工作,程林教授是最优秀的。”在致山东省科技厅的项目鉴定意见中提道:“您将会高兴地获知整个项目组对山东大学工作最高程度的认可。事实上,正是山东大学的工作让这个实验真正成为可能。”
  山东大学AMS团队在AMS项目所有参与机构中第一个完成任务,不仅得到了丁肇中教授和美国宇航局的高度评价,也得到了来欧洲核子研究中心访问的吴邦国委员长、陈至立副委员长、刘延东国务委员等党和国家领导人的高度赞赏。
  2009年10月,国务委员刘延东视察山东大学AMS中心时说:“看了实验室以后,留下了很深的印象,你们和国际科学前沿接轨,做出了非常卓有成效的工作。我们国家正在由大国向强国迈进,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。”
  2010年7月,在日内瓦参加世界议长大会的吴邦国委员长一行专程到欧洲核子研究中心(CERN),参观正在这里建设的AMS。程林教授在AMS组装现场,向吴邦国委员长汇报了山东大学负责的工作,详细介绍了山东大学参与AMS项目中所产生的若干独有技术和创新之处,并向吴邦国委员长汇报了时任校长徐显明与丁肇中教授就山东大学继续进行AMS项目后续工作的一些具体事项达成的共识。吴邦国委员长在听取了程林教授的汇报之后说:“山东大学的工作非常了不起,非常了不起。”
  按照2010年7月山东大学时任校长徐显明访问AMS项目组期间,与丁肇中教授就山东大学参加AMS项目的后续工作达成的一致意见,AMS在国际空间站安装完成之后,将在全球建立三个数据中心,一个在美国、一个在欧洲核子研究中心、一个在山东大学,山东大学将继续承担AMS后续工作,全面负责热系统在轨运行监测和控制,而山东大学也将在第一时间共享AMS的数据和相关研究成果。
  2011年5月16日,AMS搭乘美国“奋进号”航天飞机位于佛罗里达州的肯尼迪航天中心(Kennedy Space Center,KSC)顺利升空,19日,被安装在国际空间站上,当日,北京时间上午10时12分,设在山东大学的“AMS数据中心”开始接收AMS热系统八个温度测点的数据信号。以此为标志,山东大学开始全面负责AMS热系统的监控,这也意味着山东大学热科学团队进入到了国际科学研究的最前沿。随后的时间,来自国际空间站上AMS连续数据显示,在太空环境剧烈变化的情况下,AMS各部件实际工作温度分布完全符合设计要求,由山东大学设计完成的AMS热系统表现出了极高的稳定性和可靠性,历时七年的研究获得了突破性成果。
  AMS是一项伟大的科学研究,同时,又是一个不断产生新思想、新发明、新技术的工程平台。整个过程诞生了诸多目前尚没有被推广应用的先进技术,具有广阔的产业化前景。事实上,仅AMS热系统即有十余项技术是目前我国不具备甚至今后一个时期也很难自主产生的,这些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,不仅具有世界领先水平,也具有批量生产的能力和广阔的应用前景。
  应用于大规模集成电路、深冷、航空航天等领域的环路热管,基本垄断于美国等极少数国家,我国既缺乏真正有效的自主知识产权,又受到严格技术封锁与限制,因此未见批量生产。以AMS热控制系统为目的研制的新型环路热管具有独特的旁路阀及主副毛细芯结构,完全实现了35W~600W热量间大范围负荷的高效运转,并能在-20℃环境正常工作,代表了当今世界环路热管最高技术水平,不仅目前性能世界上最优异,同时也是AMS产生的最具代表性和实用性的典型技术。该技术完全产生于AMS,具有清晰和无可争议的完全的知识产权。


【作者:            来自:《山大第一》    责任编辑:榭亭  】

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