2008年9月，神舟七號(hào)飛船發(fā)射，我國(guó)成為繼美國(guó)、俄羅斯之后，獨(dú)立掌握出艙活動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)的國(guó)家。就在舉國(guó)歡慶之時(shí)，中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所(以下簡(jiǎn)稱理化所)的科學(xué)家們卻在思考一個(gè)關(guān)乎中國(guó)航天事業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要問(wèn)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(dòng)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(shí)的大洋彼岸，美國(guó)明令禁止各類機(jī)構(gòu)向中國(guó)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。”2009年1月，理化所科學(xué)家主動(dòng)向中國(guó)科學(xué)院請(qǐng)纓，申請(qǐng)攻克大型氫氦低溫制冷技術(shù)的“堡壘”。

一場(chǎng)大型低溫制冷裝備國(guó)產(chǎn)化的攻堅(jiān)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(shí)又不讓外面的熱量進(jìn)來(lái)。大型低溫制冷裝備素有“超級(jí)低溫工廠”之稱。它如同超大型冰箱一般，能夠?qū)�溫度降�?253℃以下乃至-271℃超低溫，并維持百瓦至萬(wàn)瓦制冷量。

這種“超級(jí)低溫工廠”是國(guó)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(chǔ)能、戰(zhàn)略氦資源開采、國(guó)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?yàn)檫@種不可替代性，一些西方國(guó)家試圖借此鎖死中國(guó)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(guó)家還未正式為面向新需求的大型低溫制冷裝置研發(fā)項(xiàng)目立項(xiàng)，零敲碎打的小課題無(wú)法撐起建制化攻關(guān)。相關(guān)科學(xué)家心急如焚，向中國(guó)科學(xué)院提出立項(xiàng)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(guó)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(xiàng)目。

與此同時(shí)，中國(guó)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(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目的條件。

當(dāng)時(shí)，恰逢國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目試點(diǎn)啟動(dòng)。財(cái)政部安排專項(xiàng)資金用于支持重大科研裝備的自主創(chuàng)新，并以中國(guó)科學(xué)院為試點(diǎn)，探索國(guó)家財(cái)政對(duì)重大科研裝備自主創(chuàng)新的支持模式。

項(xiàng)目立項(xiàng)論證過(guò)程中，長(zhǎng)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(duì)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(guó)大型低溫制冷技術(shù)在國(guó)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(cái)政部和中國(guó)科學(xué)院共同啟動(dòng)“大型低溫制冷設(shè)備研制”項(xiàng)目，由理化所牽頭攻關(guān)，項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)1.73億元，李青任首席科學(xué)家。

這個(gè)項(xiàng)目后來(lái)被很多人稱為“一期項(xiàng)目”。在該項(xiàng)目的支持下，中國(guó)科學(xué)家自主研制出一臺(tái)萬(wàn)瓦級(jí)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(jì)和制造技術(shù)、高精密油分離技術(shù)、氣動(dòng)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(guó)內(nèi)很少進(jìn)行大型低溫制冷相關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造，國(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)。項(xiàng)目組在理化所5號(hào)樓旁邊搭建起一座簡(jiǎn)易小樓。夏天，大家包扎絕熱材料時(shí)，汗水嘩嘩往下流。冬天，大家靠著一個(gè)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(duì)的努力下，一期項(xiàng)目通過(guò)驗(yàn)收，我國(guó)初步具備了自主設(shè)計(jì)與制造液氫溫度級(jí)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(wú)到有的問(wèn)題。

它如同一把鑰匙，開啟了中國(guó)大型低溫制冷裝備國(guó)產(chǎn)化的大門。而對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，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(shí)期開始，我國(guó)部署了大量大科學(xué)裝置項(xiàng)目�？粗�裝置一個(gè)個(gè)“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(shuō)，“如果沒(méi)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(wú)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(shí)，國(guó)內(nèi)沒(méi)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(xiàng)目因?yàn)檫M(jìn)口產(chǎn)品的供貨時(shí)間不可控等問(wèn)題，在爭(zhēng)分奪秒的國(guó)際科技競(jìng)爭(zhēng)中陷入被動(dòng)。

“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(shí)任所長(zhǎng)張麗萍與原所長(zhǎng)、一期項(xiàng)目總顧問(wèn)詹文山商量。

以當(dāng)時(shí)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(shí)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(guó)科學(xué)院提交報(bào)告，申請(qǐng)將項(xiàng)目延續(xù)下去。

這份報(bào)告被反復(fù)修改了不下25次，爭(zhēng)論最多的問(wèn)題是，接下來(lái)是“一步一個(gè)臺(tái)階”還是“一步跨兩個(gè)臺(tái)階”。

“一步一個(gè)臺(tái)階”，指先立一個(gè)項(xiàng)目攻克液氦溫區(qū)制冷裝備，再立一個(gè)項(xiàng)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(gè)臺(tái)階”，指只立一個(gè)項(xiàng)目，攻克液氦和超流氦溫區(qū)的裝備，研制出一臺(tái)能同時(shí)提供-269℃和-271℃溫度的裝備。這種做法速度快，但風(fēng)險(xiǎn)高。

起初，大部分人支持走更穩(wěn)妥的路線。“液氦溫區(qū)的裝置我們有把握，而超流氦制冷機(jī)很多人連見都沒(méi)見過(guò)，更別說(shuō)把它制造出來(lái)。”理化所研究員、二期項(xiàng)目常務(wù)副總指揮龔領(lǐng)會(huì)說(shuō)。

但國(guó)內(nèi)對(duì)制冷的現(xiàn)實(shí)需求、國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的膠著局勢(shì)不等人。中國(guó)科學(xué)院和理化所最終決定，“一步跨兩個(gè)臺(tái)階”。

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

龔領(lǐng)會(huì)覺得壓力大極了。二期項(xiàng)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(jí)液氦制冷機(jī)，二是-269℃溫度下冷量為2500 瓦的千瓦級(jí)液氦制冷機(jī)，三是-271℃溫度下冷量為500瓦的百瓦級(jí)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(tái)裝備上。

“項(xiàng)目?jī)?nèi)容多，時(shí)間又緊，真怕拿不下。”龔領(lǐng)會(huì)坦言。

3 征程：向-269℃進(jìn)發(fā)

不出所料，技術(shù)和時(shí)間的雙重壓力讓項(xiàng)目難度倍增。

按照計(jì)劃，研究團(tuán)隊(duì)先要研制一臺(tái)冷量相對(duì)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(méi)承想，全不是那么回事兒。開機(jī)一試就出問(wèn)題，溫度降不下去。”理化所時(shí)任副所長(zhǎng)、二期項(xiàng)目總指揮劉新建說(shuō)。

討論會(huì)開了無(wú)數(shù)次，原因查了無(wú)數(shù)遍，問(wèn)題卻一直沒(méi)能解決，大家的信心一點(diǎn)點(diǎn)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(bǔ)補(bǔ)的“保守治療”已無(wú)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(gè)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(shí)，園區(qū)還沒(méi)竣工，廠房剛剛通上水電。為了節(jié)省時(shí)間，龔領(lǐng)會(huì)帶著團(tuán)隊(duì)幾個(gè)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(lái)。

沒(méi)日沒(méi)夜地干了一個(gè)多月，他們總算找到了問(wèn)題。調(diào)試進(jìn)度隨之順暢起來(lái)。到2017年10月，250瓦液氦制冷機(jī)通過(guò)專家驗(yàn)收，關(guān)鍵部件國(guó)產(chǎn)化率達(dá)100%。

攻關(guān)團(tuán)隊(duì)信心倍增�；�于成功經(jīng)驗(yàn)，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(jì)指標(biāo)。

(關(guān)鍵字：制冷)