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程林团队与太空中的“山大创造”
时间:2015-04-10   点击量:

      北京时间2011年5月16日,由诺贝尔奖获得者丁肇中教授领衔研制的阿尔法磁谱仪(AMS),搭乘“奋进号”航天飞机,从美国佛罗里达州肯尼迪航天中心升空,标志着粒子太空探测新时代的开始。以山东大学程林教授为首席科学家的山东大学科研团队,在AMS项目中承担了重要任务——热系统的研发,首次成功解决了带电磁铁太空运行的温度控制这一关键科学难题,为人类历史上的这一重大科学实验作出了杰出贡献。 
  
为AMS穿一件衣服
  程林和他的学生辛公明是肯尼迪发射中心现场仅有的2名来自中国大陆的学者。他在当时发回的微博感言中说:“‘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。”在这样一个举世瞩目的时刻,在人类飞向宇宙的茫茫探寻中,能够和伙伴们一起用智慧和汗水为它打上深深的中国印记,他们怎么能不为之激动?
  AMS项目是上世纪末和本世纪初世界上最重要的科学工程之一,旨在寻找宇宙中的暗物质和反物质,这是人类第一次在太空中进行的大型科学研究。它汇集了美国、中国、俄罗斯、意大利、瑞士、德国等16个国家和地区的600多位科学家共同工作,历时近17年,耗资20亿美元。AMS被安装在国际空间站S3构架上,将承受太阳照射、星体反射和地球辐射等复杂环境。它每绕地球1圈需90分钟,这之间温度在零下40℃和零上60℃之间循环变化,而AMS各探测器及电子设备要求工作温度变化必须维持在1℃范围内。所以,热系统研制的水平及质量,直接决定着AMS的工作状态、运行寿命及实验的可靠性,决定着AMS科学目标的实现。
  丁肇中曾经用形象的语言描述他的科学实验:“就像在中国下了一场倾盆大雨,如果1000亿个雨滴中有一滴是彩色的,我们要把它找出来。”而程林对他们的工作也有形象的描述:“给AMS穿一件衣服”,使它能够承受太空中恶劣复杂的工作环境。这件衣服需要具备两种功能,一个是散热系统,当AMS过热时,把热散发出去;一个是加热系统,当AMS过冷时,使之保温。因此,热系统是AMS所有部件正常工作的基础。客观环境如此复杂,现实要求却又如此苛刻,此“衣”只能天上有,它需要怎样的才能和智慧来设计?需要怎样的力量和灵巧来剪裁?
  
AMS热系统首席科学家
  2004年初,丁肇中先生应邀访问山东大学。山大从规模浩大、集各种高新技术于一体的AMS实验项目中看到学校未来发展的一个机会和空间。丁肇中先生先后考察了5个实验室,包括程林所在的热科学实验室,并和程林交流了一些问题。最后丁先生说,“就让他们去做吧。”2月29日,山大与丁肇中先生签署合作协议,正式加盟AMS项目,全面负责其热系统的研究与设计,由程林教授担任首席科学家。
  初闻此讯,程林心中忐忑不安,好奇和期盼交织,“毕竟要和一位伟大的科学家合作,过去我们只是在课本上读到他的。”更何况对于AMS是做什么的?为什么要做?怎么去做?他都一无所知。丁肇中先生似乎看透了程林的心思:“我所需要的就是什么也不知道的人,因为你所做的东西没有人做过。只要你做,你就是第一个做的。”这给了程林极大的勇气和信心。
  丁肇中选择程林领军来做这件从来“没有人做过”的事,是有理由的。年轻的程林,在自己的科研经历中,已经做过一些前人没有做过的事情。1962年,程林出生于山东淄博一个医生家庭。优越的家庭环境,正直向上的天性,使他一直是同龄人中的佼佼者。他自信将来也能像父母那样,成为一名优秀的外科医生,为千百人解除病痛。然而高考那年,他填报第一志愿的那家著名医学院,在当地只有2名“医学化学”的招生名额,与他当医生的梦想相距甚远。后来他误打误撞地来到山东工业大学(2000年并入山东大学)学习热能与动力工程。本科毕业后,他又相继获得该校硕士学位和东南大学博士学位,获教授职称时年仅33岁。
  自小到大,程林不管扮演哪个角色,他都会尽全力做到最好。是父母的好孩子、老师的好学生、学生的好老师、妻子的好丈夫、儿子的好父亲,用他自己的话说,“从来没有超出主流价值观的要求”。
  尽管工科不是自己最初的理想,程林还是做得非常出色。上世纪90年代初,一家中央级大报曾在头版报道程林的16项专利。他的突出贡献是,以自己的理论和实践,打破了国际上延续了30年的定论和设计模式,带动了换热设备的深刻变革,产生了巨大的社会与经济效益。此后10多年的时间里,“程林”两个字频频出现在中国热科学研究和换热设备领域。1995年程林的专著《换热器运行导论》出版,这是中国换热领域的第一部理论专著。此后程林又相继推出了多部专著,其中《传热的原理与分析》一书作为高校研究生教材被广泛应用。
  
与合作者成为朋友
与朋友成为合作者

  2004年3月10日,山东大学成立了校属独立科研机构热科学与工程研究中心,组建了以程林教授为首席科学家的山东大学AMS项目组,承担AMS项目热系统的研究与设计任务。
  科学发展到今天,任何重大的科研项目都必然是多学科交叉、在合作互补中取胜,谁都不可能单枪匹马取得成功,程林深明此理。作为首席科学家,不仅需要站在科学的高度,把握前沿闯关夺隘,更需要具备总揽全局领军作战的将帅风度。AMS热控制系统的研究、结构设计和硬件制造,涉及热能工程、机械制造、材料科学、电子信息等多个学科领域。
  程林领命之后,首先调兵遣将,组建团队。博士生导师栾涛教授是程林大学时代的同班同学,此时从加拿大归来担任热科学与工程研究中心副主任,在项目组织管理上成为程林的得力助手。另一位中心副主任张树生,机械制造专业出身,负责热控制系统结构测试件的加工制造,并协助程林做好中心的行政、人事和研究生管理工作。王立秋教授以及张洪才、郑继周、朱新军、赵忠超、闫法义、曲燕、陈岩、宋继伟、王乃华、崔峥、罗峰等博士、硕士,以及日本富山大学博士邹勇教授和香港大学博士许明田教授,也相继加盟团队。回顾团队7年来的相处,程林的概括很经典:“与合作者成为朋友,与朋友成为合作者”。与此同时,实验室建设也在短时间内初步完成。
  2004年4月,程林和团队成员首次踏上了日内瓦之途。在听取了项目组最初的工作汇报后,丁肇中先生对这支团队严谨、高效的工作给予充分肯定,山东大学(SDU)团队给各国科学家们留下了深刻印象。
                                                             

程林(左)和丁肇中教授在一起。


团结协作  闯关夺隘
  笔者问程林教授工作的主要难点在哪里?程林说,“不知道应该做什么和不做什么,这可能是面临的最大挑战。”如同问登泰山最困难的是什么,登过的人可能会说是十八盘;登喜马拉雅山呢?去过的人会说缺氧、雪崩等等;而去火星的最大困难是什么则没有人知道,因为谁也没去过。AMS太空运行会遇到什么问题?没有经验,没有借鉴,没有任何参考,“没有问题是我们最大的问题”。所有的问题都是设想出来的,然后再把它一一解决。比如,运行过程中适用的温度范围是什么?怎样保持恒温?再如,升空的速度非常高,硬件设计需要什么样的强度才能承受?既要考虑强度还要考虑重量,因为探测器的总重量是一定的,这又涉及到对材料的要求,诸如此类。
  他们兵分两路,协同作战。一方面,针对太空环境和地面环境的不同,通过分析与设计,研究出不同于地面的排除热量的新方法。此外还要满足航天器的设计要求、航天飞机的发射要求和在空间站上的安装使用要求,使整个热控制系统能够保证AMS在多种工况下的正常工作。另一方面,研制加工AMS热控制系统的结构测试件,待美国航天局地面测试证明达到航天飞行和国际空间站运行的各种要求后,再据此做出飞行结构件。
  2004年7月,程林把杜文静和辛公明两位博士生送往瑞士日内瓦,到欧洲核子研究中心从事AMS热控制系统的分析、研究和设计。此后又有多名博士和博士后陆续进驻日内瓦,组成了一支山东大学(SDU)博士团队,他们带着和AMS有关的研究课题,既是学习也是工作。7年来,山东大学先后有30余位学者和博士研究生长期在欧洲核子中心工作。
  而在山东大学的热科学与工程研究中心,由张树生教授负责的结构测试件加工制造也紧锣密鼓开始。经过近1年的反复构思、精心设计、修改制作,2005年4月,他们终于把第一件结构测试件送到了日内瓦。最初,没有任何人相信中国人能够做出符合要求的测试件,美国宇航局的官员看都不愿意看。经过一番例行公事般的测量,他们感觉尺寸还合适。然后进行测试,令他们没有想到的是测试结果竟然完全符合要求,不得不点头认可。意大利合作伙伴非常满意,一向惜字如金的丁肇中教授一连说了好几个“不错”。中国“SDU创造”由此一炮打响!
  后来,山东大学负责的结构测试件加工制造任务,由最初的40多个增加到了300多个,并继续增加。与此同时,热控制系统的“软件”部分——分析、研究和设计,也不断取得进展。2006年10月31日,凝聚着山大学者心血和智慧的这批测试件,终于如数、如期完工,装箱通过济南国际机场运抵日内瓦。全部测试件包括AMS电子箱体200多片,箱体连接件100余件,支架12件,配重棒147根,各种紧固件3000余件。11月22日,在欧洲核子中心的一间厂房里,张树生与队友们进行整体组装,这个高2.2米,宽2.2米,总重量520公斤的热控制系统结构测试件(STA),终于稳稳地屹立在了这座科学城里。程林描述它时就像一个父亲夸奖自己的孩子:“非常漂亮!设计非常精巧,外观整洁,特别有秩序……”

 

                                          团队成员在荷兰欧洲航天局做热系统真空热平衡测试。

  2007年1月,丁肇中教授主持的AMS的新年度首次技术交流会在位于休斯敦的美国航天局举行,美国、中国、俄罗斯、意大利、德国、瑞士等国家的100多位科学家参加了会议。栾涛教授就山东大学所承担的热控制系统结构测试件(STA)的整体设计、优化和制作过程作了主题报告。他通过翔实的设计数据、生动的实物图片和工作实景,向与会科学家介绍了山东大学团队的工作成果。美国航天局的专家和有关官员表示:中国山东大学的设计完全没有错误。这标志着最后加盟AMS的这支团队,最先使自己所承担的全部工作接近尾声。
  这之后,程林作为第一责任人,继续频繁往来于日内瓦与大本营之间,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30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,做了全部的热模型和热模拟,提出了不同结构形式的散热元件,保证了系统的高效散热以及温度场的均匀性和稳定性,设计了AMS在国际空间站环境下运行热控制系统,直到2010年4月,整体设计通过了美国宇航局的严格评估与实验。
  随着“奋进号”的跃入云层,AMS上的“中国SDU创造”,带着山大人的汗水和气息,光荣地留在了国际空间站上,运行在既定的轨道中。
  山东大学AMS团队圆满完成任务,得到丁肇中教授和美国宇航局以及各国科学家的高度评价,也得到了来欧洲核子研究中心访问的中国国家领导人的关注与赞赏。
    
年轻的团队走向成熟
  2010年7月,山大就参加AMS项目的后续工作与丁肇中教授达成一致,签署了一系列合作协议。AMS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。中国的山东大学将与美国的休斯顿、日内瓦的欧洲核子研究中心同步接收来自国际空间站AMS发回的海量数据,进行数据分析、数据重组和数据服务工作。
  AMS实验是个巨大的平台,为所有参与者提供了学习的课堂和展现聪明才智的机会。团队的每个成员,都非常珍惜这种机会,在这个过程中学到很多东西。程林说,等于在一所最好的大学里学习了几年。
  团队的整体素质产生了质的飞跃。程林的博士生杜文静、辛公明,从事AMS热系统前期设计和模拟,那是整个团队工作中最困难的一部分,一切从零开始,他们的艰辛探索取得杰出成果。在每季度一次的AMS技术交流会上,杜文静曾经代表山大团队作技术报告,有美国专家告诉她:“你(的报告)是唯一一个让丁教授说好的报告。”2006年4月,在AMS项目组工作了2年也学习了2年的杜文静、辛公明,在欧洲核子研究中心举行了博士学位论文答辩会,他们的论文内容就是在AMS项目中所做的课题。答辩委员会认为,杜文静和辛公明在本学科已掌握了系统的基础理论和专业知识,具有独立进行科研工作的能力。论文书写规范,课题研究深刻,具有很强的创新性。这是程林领衔的热科学与工程研究中心首批在国外完成课题和学位论文答辩的博士。热科学与工程研究中心先后有博士后5名、博士研究生32名、硕士研究生47名,已有10人获得国家留学基金委的资助,陆续奔赴海外高水平大学深造。中心呈现出多学科交叉与融合的结构,这支年轻的队伍迅速走向了成熟。
  参与AMS项目过程中,山东大学开发了10余项具有自主知识产权的先进传热技术,这些技术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,孕育着巨大的产业化潜力。
    
每一个人都有自己独特的光辉
  程林曾经用诗一般的语言形容自己的团队:“我们是一个没有英雄的英雄团队。一种独特的气质和精神,使每一个人都有种英雄主义的情怀。每个人都有自己独特的光辉,犹如冬天里的万家灯火,每一扇窗户后面,都有自身的温暖和独特的个性。”大家为着一个共同的理想默默付出,没有假期,没有时差,多年来辛苦备尝,程林从心灵深处理解自己的每一位队友。
  热系统方面的技术交流会每周一次,会议成员分处瑞士日内瓦、美国休斯顿、中国济南,开会的时间一般是选择日内瓦的下午3点,这时是休斯顿的上午9点,而济南是晚上9点,恰是忙碌一天该休息的时刻。每次会议结束便至午夜,栾涛教授回到家中都已是凌晨。

 

                                                  团队成员在做结构测试件的组装。

  结构测试件加工开始后,张树生教授仿佛成了一台持续不停、高速运转的机器。他的银色丰田车,只在济南市内,从办公楼到实验室再到住所,一条简单的行车路线,一年就跑了2万多公里。
  在欧核中心模拟太空测试,机器运转后人不能离机,王乃华曾连续值班1个月,每天24小时吃住在实验室,一次买来几公斤三文鱼连续吃好几天……这样的故事太平常,每天每时都在发生。
  “程老师考虑问题特别缜密、细致,精细到报告的每一个数据、每一个标点……”宋继伟说。彼此的理解、信任、默契、鼓励,形成巨大的热能,推动着团队的一步步前行。
  
责任——中国学者的巨大动力
  丁肇中教授2006年曾在致国家教育部的信函中写道: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。面对成功,程林只是谦逊地说他比较幸运,在一个恰当的时机,遇上了AMS,遇上了丁肇中教授。让程林最为感动的是丁先生的执著,不管遇到任何困难,从来没有过犹疑和动摇。
  7年相处,丁肇中先生“已经由教科书走进了我们的生活”,不知不觉间,丁先生的某些风格已经潜移默影响了程林。丁先生经常说的一句话“不知道”,是这位著名的世界级科学家留给人们最深的印象之一。而程林在面对鲜花和掌声时,也淡定地说:“最重要的原因可能就是因为‘我们什么也不懂’。”丁肇中先生说,“科研是实实在在的东西,需要百分之百的努力”。程林说,“AMS要安装在国际空间站上,去了就回不来了。等于买的是单程票,每走一步,都必须是百分之百的成功。”
  不在其中者,也许很难体会这些年他所承受的压力和艰辛,直到临近最后发射,直到已经发射成功的目前。2011年5月14日,程林和辛公明就到了休斯顿。“奋进号”发射前的2天,其实没有什么事可做,但那两晚程林就是睡不着。5月16日早上4点多,天还没亮,他们就动身启程,赶往发射中心。不知是由于紧张还是兴奋,车速过快引起高速公路警察的提醒:“要去看发射吗?请注意速度!”……“奋进号”腾空了!浓烟、火光、巨大的轰鸣,银灰色的庞然大物,伴着剧烈的心跳,冉冉升起……那时的心情,除了眼泪,无法用任何语言形容。当所有人都为他们的成就欢欣鼓舞时,程林却不敢有片刻轻松,“我们完成的只是阶段性的工作”,程林反复强调。热系统在天上运行,那里有几十名团队成员7年的心血,那里有他们青春的梦想与追求,那里有他们打上的“中国SDU创造”印记!他们每时每刻都在关注着它的“呼吸”、“心跳”、“血压”,以及所有的运转状况,犹如父母牵挂自己远在异乡的孩子。
  当年丁肇中先生获得诺贝尔奖时,第一次让斯德哥尔摩授奖大厅里响起了汉语——这一古老的东方语言。笔者注意到,山东大学举行国际科学计划AMS新闻发布会的那天,一向衣着朴素的程林,特意在胸前佩戴了一枚国旗徽章,他希望以此表达的某种心意与丁先生异曲同工。笔者联想到几年前的一次讲座中,面对学生提问程林的一句话:“兴趣不应成为学习的唯一动力,学习的真正动力应是——责任。”“责任”两个字,相信也是7年来每一个团队成员心中的圭臬。
  “百分之百”,该是一种怎样的苛求和自律?该以怎样的信念和意志来支撑?“百分之百”,就是责任在肩时的昂然挺立,就是全心全意的无私付出,就是义无反顾地永远向前。并不是每个人都能把握住来到面前的机遇,令程林团队不辱使命的真正原因,正是这种叫做“责任”的东西,沉甸甸的,一刻也不曾忘怀。

                                                         
                                                 程林(中)和部分团队成员。

  程林,1962年生,1983年毕业于山东工业大学动力工程专业,随后在该校获工学硕士学位,在东南大学获工学博士学位。
  现为山东大学能源与动力工程学院学术委员会主任、山东大学热科学与工程研究中心主任。欧洲核子中心高级合作研究员,国家“973计划”项目首席科学家。教育部“长江学者奖励计划特聘教授”、入选教育部跨世纪优秀人才培养计划、国家百千万人才工程,是国家有突出贡献的中青年专家、国务院政府特殊津贴获得者。
  曾先后获得国家科技进步奖2项,国家发明奖1项以及教育部科技进步奖一等奖2项、二等奖1项,山东省科技进步一等奖2项、二等奖3项。
  2003~2007年,多次赴瑞典皇家理工学院访问、学习,2004年加盟丁肇中教授领衔研制的阿尔法磁谱仪(AMS)项目,全面负责其热系统的研究与设计,并担任首席科学家。

                                                                                                                                                     ——转自《神州学人》杂志
 

 

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