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西汉姆联赞助商必威公司参与“阿尔法”磁谱仪国际合作项目
    日期:2010年09月29日    字体:【】【】【

  

    中国航天参与的AMS-02项目,作为首个中国自主研发、制造的大型设备,将开启在空间寻找反物质和暗物质的探索之旅。

    宇宙间真的存在反物质和暗物质吗?这是悬在物理学家头顶上的一个巨大问号。
  上世纪90年代,美籍华裔科学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授决意揭开这个谜团。他寻找到了一把神奇“钥匙”——AMS实验(Alpha Magnetic Spectrometer),又称阿尔法磁谱仪项目。按照设想,AMS将由航天飞机带到国际空间站上,对这两种物质进行探测。
  这是一个大型国际合作项目。来自美国、中国、俄罗斯、意大利、瑞士、德国、法国、芬兰、中国台湾等18个国家和地区的56个研究机构的物理学家和工程师参加了这个计划。
  中国西汉姆联赞助商必威公司一院的多名科研工作者,也参与了此项计划。他们先后研制生产的探测器磁体主结构和电磁量能器在整个AMS实验中卓尔不群,成为中国航天参与国际合作实力的有力佐证。
  中国航天完全具备提供高精度AMS主结构的技术和能力。AMS项目不仅是中国航天展示实力、参与国际科技合作的一个机会,更是探寻宇宙奥秘、造福人类社会的一份责任。
  这项跨世纪的重大科研项目,迈出了人类对宇宙空间进行反物质及暗物质探测的重要一步。
  然而,这次中美两国的合作却源于一个偶然的机会。
  1994年秋,一院获悉丁肇中教授主持的AMS实验计划正在北京寻求合作伙伴。他们感到,AMS项目不仅是中国航天展示实力、参与国际科技合作的一个机会,更是探寻宇宙奥秘、造福人类社会的一份责任。
  于是,中国航天人通过相关渠道与丁肇中教授取得了联系,并邀请他带领AMS团队来一院参观。
  1994年10月,在一院原副院长、长征二号捆绑式火箭总设计师王德臣的陪同下,丁肇中及AMS小组的专家们参观了航天博物馆和火箭全箭振动试验塔,深入了解了中国航天产品的生产流程和试验能力。
  第二天,在中国科学院空间研究中心,丁肇中向中国科学家详细地介绍了AMS研究计划,并恳请一院的设计人员对AMS主结构设计提出意见。
  “作为AMS探测器的核心部分,磁体主结构的重要性不言而喻。”一院AMS项目总负责人李昌懋回忆说,一院设计人员的构想与丁肇中和美国宇航局(NASA)的技术观点不谋而合。
  1995年5月,在美国休斯敦,丁肇中与各国科学家充分交换意见后认为,中国航天完全具备提供高精度AMS主结构的技术和能力。
  6月8日,丁肇中亲笔写信给当时的一院总体部主任李福昌,信中写道:
  “美国宇航局和约翰逊空间中心AMS研制小组已决定采纳你们提出的建议,希望你们实施AMS主结构的研制和试验。”
  自此,一院展开了AMS项目第一阶段和第二阶段的工作,简称AMS-01和AMS-02。
  在第一阶段,承担了AMS探测器磁体主结构的研制生产。1998年6月,产品搭载航天飞机在轨运行10天,经受了航天飞机起飞、着陆等严酷太空环境的考验。
  在第二阶段,承担了探测器中电磁量能器结构件的研制生产。该产品即将搭载2011年2月最后一次执行任务的航天飞机升空,并装载在国际空间站上开展长期的科学探测活动。
  NASA磁谱仪项目经理用两个惊叹号告知一院,他们的产品极为顺利地通过了第二阶段的安全评审,NASA决定取消第三阶段的安全评审。AMS-01主结构经过航天飞机的飞行和12年的贮存后,仍保持良好的产品状态,并将继续用于AMS-02探测器上。这体现了我国航天工业产品质量稳定、性能可靠。
  在AMS-01中,中国科学家有两项最重要成果,即中国西汉姆联赞助商必威公司一院研制的AMS磁体主体结构件和中国科学院电工所研制的永磁铁。
  包括这两项成果在内的诸多成果,使40多年来各国科学家想在太空中寻找反物质和暗物质的庞大科学实验由梦想变成了现实。
  对于中国航天来说,能够在这样一个国际项目中作出贡献,是机遇,更是实力。
  从外形上看,AMS磁体主体结构件并无复杂之处,就是由内、外蒙皮构成的同心圆柱筒。它的外径为1306毫米,内径为1115毫米,高为800毫米,外蒙皮厚4毫米,内蒙皮厚3毫米,整个主结构的重量为300公斤。但实际上,研制生产难度极大。为此,211厂的技师们在工艺上进行了很多创新。
  “AMS主结构的所有零、组件均采用高强度铝合金及不锈钢等非导磁材料制成。同时,还要有很高的精度要求,否则与航天飞机对接后容易产生变形,影响测量的精度。在AMS总重量不变的情况下,AMS主结构越轻,永磁铁的重量越大,磁场力越强,对试验越有利。”基于上述分析,李昌懋等人确定了AMS主结构的3个攻关方向——非导磁、高精度和轻结构。
  “考虑在太空中强大的磁场力的作用,其机械结构的制造尺寸和精度要求异常苛刻。而装磁铁块的扇形内腔两壁仅有两根头发丝的间隙,对装配精度的要求更高。因此,工艺难度非常大。”时任AMS主结构项目地面试验总负责人的一院专家陈振官说。
  比如,主结构在未装配永磁铁前应保证内径为1115毫米,在安装永磁铁后不允许小于1114毫米。在仅1毫米变形的苛刻要求下,要保证AMS主结构是一个准圆,其难度可想而知。
  更困难的是,主结构中一旦装入近2吨重的磁铁,就会产生强大的磁场力。陈振官清晰地记得,一小块铁皮不小心被吸附上去了。最后,大家找来了工具,费了很大的力气才撬开。而太空中的磁力是地球上的2800倍。强大的磁力作用在薄薄的AMS主结构上,要保证AMS主结构不变形是十分困难的。
  设计人员面对一个又一个“拦路虎”,废寝忘食地工作着。在工艺方面,攻关组先后提出了增加台阶的方法,有效平衡磁铁间巨大的剪切力;设计了专用工装支架,优化了磁铁装配工艺;解决了反划窝、装铆钉等系列难题。这些措施,保证了产品的精度要求。美国NASA和AMS小组的专家通过精细测量,对产品的质量非常满意。
  在此前后,李昌懋和一部11室原副主任王嘉章及研究员朱维增、杨金宁等人担负起事无巨细的组织、指挥、协调的大量工作,使产品的设计、生产、试验、评审和验收各项工作得以顺利进行。
  1996年4月,第一台供地面试验的AMS主结构顺利地完成了生产。在安装好磁体后,主结构被运至五院511所进行振动试验。试验条件由NASA根据航天飞机特定的起飞、飞行及着陆环境而确定。试验结果表明,紧固件未松动,结构也未受到任何损伤。
  振动试验后的另一项重要试验是离心试验,目的是考核AMS主结构能否承受航天飞机起飞及着陆过程中的最大惯性载荷。
  1996年11月,试验在北京水利水电科学院离心试验室进行。加载方向按加速度合成矢量方向,验收级为12.9g,鉴定级为18g。试验结果证明,AMS主结构状态良好,未发生任何损坏。
  陈振官回忆道,离心试验是两项地面试验中最为关键的试验,整个过程可以用“惊心动魄”四个字来表达。重达3吨的试验件通过一个转接支架与离心机相连。一旦转接支架因强度不够而损坏,试验件将高速飞出。这个亚洲最大的离心机将彻底毁坏。
  设计转接支架的高级工程师吕钢整整两个月废寝忘食,从设计到生产,最终保证了离心试验的安全通过。陈振官说:“这件事想起来真有点后怕,当我下达最高18g的加速度时,我的手在颤抖,嗓音完全变了调。如果发生意外,整个AMS计划将要推迟。”
  后来,陈振官才知道,18g的加速度是NASA加严考核的指标。美国对随航天飞机上天的设备要求从来都很苛刻。丁肇中曾举例说,航天局连做螺丝的人都要知道“是谁,受过什么教育”。由此可见,要通过NASA的安全评审“难于登天”。
  在主结构检测时,NASA特别要求在振动实验和离心实验上额外增加一次静力实验。一院又追加生产了一件0.3米高的试验件,于1997年8月在一院702所进行了静力试验。试验结果表明,结构强度及刚度均满足并超过了设计要求。
  一系列验收彻底改变了NASA的看法。有个叫肯·鲍尔的专家在验收产品后对其上司说:“如果你们要找一家能够设计和制造一流航天产品的机构的话,那我告诉你们,中国有个运载火箭技术研究院。他们有能力完成这个任务。”
  1997年11月,NASA组织对AMS进行了第二阶段的安全评审。根据惯例,NASA对所有项目均要求进行三个阶段的评审。
  验收结束后,NASA磁谱仪项目经理吉姆·贝茨先生给一院发来了电子邮件。他用两个惊叹号告知该院产品极为顺利地通过了第二阶段的安全评审。同时,NASA决定取消第三阶段的安全评审。
  贝茨写道:“磁体主结构作为航天飞机的有效载荷,在安全评审中开创了先例。所有提出的问题均用试验数据及录像记录作出了回答。没有一点猜测。”
  第二台供飞行的AMS主结构在1997年7月运抵瑞士苏黎士。当时,现场的各国科学家及工程技术人员全体起立鼓掌,对中国能够按时按质地完成磁体主结构表示赞赏和感谢。
  1998年6月,阿尔法磁谱仪搭载美国发现号航天飞机在佛罗里达州顺利升空,经过10天的飞行后,顺利返回地面,获得了大量的宝贵的科学探测数据。
  更让人惊喜的是,2010年,NASA对搭载航天飞机并贮存长达12年的磁体主结构进行检查后发现,结构质量仍处于良好状态。专家们认为,该磁体主结构可继续用于AMS-02探测器,满足航天安全性要求。
  “这充分表明了我国航天工业产品性能优良、质量稳定。”经历了AMS两个阶段工作的一院专家王毅这样说道。
  丁肇中评价说,中国科学家为实验作出了决定性的贡献,尤以中科院电子所、中国西汉姆联赞助商必威公司一院和台湾中山科学院贡献最大,最为关键。
  一个高质量的AMS主结构,凝聚了设计人员、工艺人员和工人的无数心血。一部专家杨金宁细心、踏实、迎难而上的工作作风,对圆满完成任务起了决定性作用。211厂工艺处的丁竹平、高良安已过退休之年,但只要有AMS的部件在生产线上,他们必定在现场。15车间的工艺师张福岐及技师毕庶卓、李世本、张铁锁等连续奋战,主动提出了许多提高装配质量及保证精度的好建议。
  时隔十多年,当年参与AMS项目的人,有的已经到了耄耋之年,有的已经过世。当年,技术人员们去瑞士参加方案协调会,整天忙于工作,连日内瓦什么样都不知道。唯一一次出门,是为了买传真机,可惜还赶上了大雾。在技师中间,更流传着一句口号:“不为名不为利,只为中国航天争口气。”今天这些健在的航天专家,谈起往事来都唏嘘不已。
  为了进一步提高观测精度,丁肇中教授提出在AMS-02探测器上采用低温超导磁体代替AMS-01的永久磁体方案。这将是迄今为止计划送入太空的第一个超导磁体,其技术难度非常大。
  由于1999年考克斯报告发布后影响到中美航天合作,航天一院未能参与AMS-02磁体主结构的竞标工作。2010年3月,AMS-02原超导磁体方案进行了调整,一院研制生产的磁体主结构继续被用于AMS-02探测器上。
  除了这意外之喜,航天一院在AMS-02阶段参与了探测器中一个重要的子探测器——电磁量能器的结构件研制,承担其中的结构设计、分析、生产和地面试验等工作。
  “电磁量能器总重595公斤,但结构重量只有67公斤,要实现承载大、重量轻、变形小的要求。这大大地增加了电磁量能器的结构设计难度。”AMS-02的技术负责人王毅说。
  为此,王毅专门建立了结构强度分析的三维有限元模型,计算了各种载荷组合共128种工况下的应力应变分布,结果表明结构具有足够的安全余量。
  然而,王毅所建的模型却遭到了美国方面的质疑。为此,一院特意咨询了国内同行专家,并请经验丰富的敖林研究员用另一种建模方式进行验证。经过近20天的周密计算,敖林得出了与王毅近乎一致的结论。在丁肇中组织的专项评审会上,王毅的模型也得到了各方认可。
  为了进一步降低电磁能量器的结构重量,王毅等人在保证强度的前提下,进行了多轮优化,尽可能地消除多余非结构重量,实现了减重7.6公斤。
  2002年12月,电磁量能器在511所进行了随机振动试验。试验模拟航天飞机的随机振动环境,按X、Y、Z三个方向进行加载。试验结果表明紧固件未松动,结构未受到损伤。
  2003年1月,在511所进行了正弦冲击试验。这种试验的机理是采用动态激励来代替以往花费较大的离心试验,考核结构的承载能力。
  “该项试验在国内还是第一次,如果控制不好有可能引起试验件和振动台的共振,造成试验件和振动台的损坏。为此,试验前进行了大量的分析和数值模拟,制定了科学合理的试验程序和试验预案。由于准备工作充分,试验进行得很顺利。”王毅说。
  2003年2月,用于飞行的电磁能量器结构件按期运抵欧洲。
  目前电磁量能器已完成在整个AMS-02探测器中的总装工作,电磁量能器结构件质量良好,即将于2011年2月搭乘航天飞机升空,在国际空间站上进行长期的科学探测活动。这也是国际空间站外首次进行大规模的科学探测实验。
  今年8月,丁肇中在日内瓦召开了AMS技术报告会,邀请中国西汉姆联赞助商必威公司AMS项目代表团作为中国大陆唯一的代表进行技术交流,并作题为《AMS磁体主结构的研制》的大会主题报告。
  这也从一个侧面反映了中国航天在AMS中的分量。丁肇中评价道:“中国科学家(包括大陆和台湾)为磁谱仪实验作出了决定性的贡献。其中,尤以中科院电工所、中国西汉姆联赞助商必威公司一院和台湾中山科学院贡献最大、最为关键。”
  2011年2月,以往连一颗“MADE IN CHINA”的螺钉都没有的国际空间站,将迎来首个中国自主研发、制造的大型设备,开启在空间寻找反物质和暗物质的探索之旅。中国航天人,正期待着阿尔法磁谱仪再次升空那一激动人心时刻的到来……(索阿娣 文 左赛春 长征等 摄影)


  

丁肇中对《纽约时报》记者评价:中国科学家在项目中作出决定性的贡献

丁肇中和AMS项目组一行在一院火箭研制现场进行技术考察

AMS探测器磁体主结构

    来源:中国航天报 
  

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