國產“超級低溫工廠”攻堅紀實

2008年9月，神舟七號飛船發射，我國成為繼美國、俄羅斯之后，獨立掌握出艙活動關鍵技術的國家。就在舉國歡慶之時，中國科學院理化技術研究所（以下簡稱理化所）的科學家們卻在思考一個關乎中國航天事業持續發展的重要問題。

航天事業要發展，需要依靠推力更大、效率更高、清潔環保的大型運載火箭。液氫液氧作為比推力高且環保的火箭推進劑，在相同條件下能夠產生更大的速度增量，采用液氫液氧的火箭發動機效率更高。氫氣在-253℃才能變為液態，想生產液氫，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構向中國出口-250℃以下的低溫制冷機及核心部件。

“大型低溫技術是太空安全體系不可或缺的關鍵技術之一。”2009年1月，理化所科學家主動向中國科學院請纓，申請攻克大型氫氦低溫制冷技術的“堡壘”。

一場大型低溫制冷裝備國產化的攻堅戰悄然開始。

前奏：“砸鍋賣鐵也得做”

低溫環境的創造要靠低溫制冷機不斷把環境內的熱量向外抽，同時又不讓外面的熱量進來。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，能夠將溫度降到-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”是國家重要的戰略支撐裝備，在航天低溫推進劑保障、特種材料提取、氫能利用與氫儲能、戰略氦資源開采、國家重大科技基礎設施等重要領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技術的發展。從上世紀50年代開始，理化所老一輩科學家洪朝生院士、周遠院士就開啟了低溫技術研究，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項目立項，零敲碎打的小課題無法撐起建制化攻關。相關科學家心急如焚，向中國科學院提出立項建議。

詳細了解情況后，院領導當機立斷：“還等什么，砸鍋賣鐵也得做！”中國科學院向理化所特批經費，緊急部署重要方向上的項目。

與此同時，中國科學院相關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新，并以中國科學院為試點，探索國家財政對重大科研裝備自主創新的支持模式。

項目立項論證過程中，長期從事液氫溫區低溫制冷技術研發工作的理化所研究員李青帶著團隊反復論證方案。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。

在組織專家進行廣泛調研和嚴格論證的基礎上，2010年，財政部和中國科學院共同啟動“大型低溫制冷設備研制”項目，由理化所牽頭攻關，項目經費1.73億元，李青任首席科學家。

這個項目后來被很多人稱為“一期項目”。在該項目的支持下，中國科學家自主研制出一臺萬瓦級液氫溫區制冷設備，突破了高速氦氣體軸承透平膨脹機穩定性技術、超低漏率板翅式低溫換熱器設計和制造技術、高精密油分離技術、氣動低溫調節閥制造技術及系統集成調控技術五大關鍵技術。

研制初期，由于國內很少進行大型低溫制冷相關設備的設計和制造，國產的壓縮機、低溫換熱器等關鍵設備的密封性能比需求差兩個數量級。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，手腳冰涼通宵達旦地工作。

功夫不負有心人。2015年4月29日，在李青及其團隊的努力下，一期項目通過驗收，我國初步具備了自主設計與制造液氫溫度級大型低溫制冷設備的能力，解決了大型液氫溫區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化的大門。而對于科學家來說，他們的征途才剛剛開始。

目標：“還要繼續往下降” 

從“十二五”時期開始，我國部署了大量大科學裝置項目。看著裝置一個個“上馬”，理化所的科學家們卻想得更遠。 

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

當時，國內沒有能力生產更低溫區的大型低溫制冷裝備。一些大科學裝置項目因為進口產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，溫度還要繼續往下降，覆蓋全溫區，降到液氦溫區甚至超流氦溫區。”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。

以當時的技術能力，大型低溫制冷機做到-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，從一期經費里“擠”出小部分經費，論證實現全溫區大型低溫制冷技術的可行性。

在此基礎上，理化所于2014年向中國科學院提交報告，申請將項目延續下去。

這份報告被反復修改了不下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制冷裝備，再立一個項目攻克超流氦溫區制冷裝備。這種做法步子穩，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，但風險高。

起初，大部分人支持走更穩妥的路線。“液氦溫區的裝置我們有把握，而超流氦制冷機很多人連見都沒見過，更別說把它制造出來。”理化所研究員、二期項目常務副總指揮龔領會說。

但國內對制冷的現實需求、國際競爭的膠著局勢不等人。中國科學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“液氦到超流氦溫區大型低溫制冷系統研制”無縫銜接，經費為1.87億元。

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

“項目內容多，時間又緊，真怕拿不下。”龔領會坦言。

征程：向-269℃進發 

不出所料，技術和時間的雙重壓力讓項目難度倍增。

按照計劃，研究團隊先要研制一臺冷量相對小的液氦系統。2016年9月，250瓦液氦系統集成完畢，開始調試。“沒承想，全不是那么回事兒。開機一試就出問題，溫度降不下去。”理化所時任副所長、二期項目總指揮劉新建說。

討論會開了無數次，原因查了無數遍，問題卻一直沒能解決，大家的信心一點點跌到谷底。“干到一半就干不下去了，往下怎么辦？”劉新建心里打鼓。

到2017年夏天，大家覺得修修補補的“保守治療”已無濟于事，便決定破釜沉舟：“拆了！重新組裝！”

要拆的設備主要是冷箱。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。

拆裝任務在理化所廊坊園區開展。那時，園區還沒竣工，廠房剛剛通上水電。為了節省時間，龔領會帶著團隊幾個年輕人，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。調試進度隨之順暢起來。到2017年10月，250瓦液氦制冷機通過專家驗收，關鍵部件國產化率達100%。

攻關團隊信心倍增。基于成功經驗，他們進一步研發并完善關鍵核心設備——高速氦透平膨脹機，集成出2500瓦液氦制冷機。2019年9月，大型液氦制冷系統性能達到設計指標。

用于2500瓦低溫系統的氦氣螺桿壓縮機測試驗收。

不過，研制出百瓦級和千瓦級液氦制冷設備，項目任務只完成了一小半，更大的挑戰在等著他們。

突破：向-271℃沖刺 

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

超流氦制冷機的關鍵設備是離心式冷壓縮機，也是整個項目中最讓大家提心吊膽的設備。

冷壓縮機能在低溫下工作，采用電磁軸承，要求控制系統在0.5毫秒內對轉子可能發生的偏離作出準確反應。低溫技術實驗中心（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，卻從沒研制過電磁軸承壓縮機。

為穩妥起見，項目組準備了兩條路線，一是從國外購買整機或零部件，二是全部自主研制。兩條路線，齊頭并進。

結果，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，科研團隊尋得一家有冷壓縮機生產經驗的外國公司，都已談妥購買事宜，沒想到招投標之前，這家公司發來郵件說：“為獲得出口許可證，我們上周與政府部門進行了討論和協商，但是它們對發放出口許可證持較負面觀點，理由是貴所被列入了政府的禁購名單。”后來，科研團隊又找到另一家外國企業，可是這家公司生產的冷壓縮機運到廊坊，第一次試車就失敗了，返修進度也一拖再拖。

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，科研團隊已經積累了多年技術經驗，自主攻克了電磁軸承的技術難題。此后，科研團隊將全部精力集中到第二條路線上。到2019年，團隊自主研制出的冷壓縮機進入技術測試環節。

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院合肥物質科學研究院強磁場科學中心。在這里，冷壓縮機試驗整體非常順利。2019年11月，冷壓縮機搬回廊坊，集成到超流氦系統試驗臺上。

科研人員接下來的目標是將超流氦系統做到500瓦，與2500瓦的液氦系統結合。

聯調：實現一機兩用

2019年11月，冷壓縮機樣機裝上超流氦系統，首次和液氦系統聯調；12月，第二次聯調，超流氦系統首次達到-271℃……試驗看上去一切順利。然而，就在他們逼近500瓦、-271℃的更高目標時，問題出現了。

2020年2月，第三次聯調獲得一個好結果和一個壞結果，好結果是超流氦系統在-271℃下，獲得了瞬時502.9瓦制冷量；壞結果是儀表系統發生故障停機。

那時候，試驗經常做著做著就停機，電機過熱，儀表報警。“自己研發的裝備，自己能推斷問題在哪兒，可以不斷地進行技術迭代。”二期項目首席科學家、理化所研究員劉立強雖然心急，卻有底氣。

他們一邊繼續完善冷壓縮機各種性能，一邊努力解決包括電機過熱在內的各類問題，超流氦系統穩定運行時間逐漸延長：2020年7月初，第九次聯調，穩定運行1小時；月末第十次聯調，穩定運行5小時；8月，第十一次聯調，穩定運行7小時。可是，電機過熱的問題還是未能根治。

一狠心，大家決定給冷壓縮機做一次“大手術”，換掉電機里所有線圈，優化冷卻結構。

團隊每個人都覺得，就算進展慢一點，交給國家的設備也容不得一絲隱患。“‘保守療法’也許可以達到72小時的穩定性指標，但任何一個偶然因素的出現都會讓它處于不穩定狀態。”劉立強說。

2020年10月，廊坊園區里，電機線圈更換完畢，準備進行第十二次聯調。這一次，他們要挑戰72小時。

1小時、5小時、7小時、10小時……劉立強看到了成功的征兆。以往的調試，總會有數值偏高或偏低的問題，這次卻特別順，系統一直平穩運行。

12小時、24小時、36小時、48小時……系統依然平穩。直到10月20日，設備平穩運行了72小時。

“這件事終于完成了!”劉立強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冷箱（左）和-271℃溫度下冷量為500瓦的百瓦級超流氦制冷機冷箱（右）。

未來：打造世界低溫技術產業高地

2021年4月15日，二期項目通過項目驗收和科技成果鑒定。

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

這是我國首臺可以達到超流氦溫區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，中國科學院又設立戰略性先導科技專項，繼續支持理化所研制5噸/天級大型氫液化系統。2024年3月8日，該系統通過測試驗收，系統滿負荷穩定運行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制。

理化所所長王雪松介紹，低溫設備項目實施過程中，理化所探索了獨具特色、卓有成效的管理機制，打造了“邊研究、邊應用、邊轉化”的創新研發模式和完整的發展鏈條。

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，組建起面向重大戰略目標的研究中心，形成了合力做大事的科技架構，為項目的統籌管理奠定了堅實基礎。”王雪松說。

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

我國首套出口國際的200瓦液氦溫區制冷機。

與此同時，理化所在螺桿壓縮機、氦氣閥門、高速電機、電磁軸承等部件的研制方面與企業協力攻關。山東、福建等地20多家企業在短時間內實現技術突破，其中有些技術達到國際先進水平。

“我們承擔國家大項目，不光要完成項目，而且要為國家打下工業基礎。”龔領會說。

從2010年一期立項，到2021年二期驗收，再到如今先導專項接續突破，中國科學家僅用10余年就走完了西方國家數十年的路，我國大型低溫制冷技術隨之進入新的發展階段。

如今，這些科學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研究，助力中國成為世界低溫技術和低溫產業高地，全面支撐國家戰略資源、航空航天、科技創新等發展。

大型低溫制冷團隊。理化所供圖