張雙虎

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）近期發(fā)布實(shí)施了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)——《磁懸浮轉(zhuǎn)子真空計(jì)的規(guī)范、校準(zhǔn)和測(cè)量不確定度》。這是我國(guó)首次在真空測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域牽頭制定的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了這一領(lǐng)域“從0 到1”的突破。

該標(biāo)準(zhǔn)由中國(guó)航天科技集團(tuán)五院五一〇所（蘭州空間技術(shù)物理研究所）研究員、中國(guó)工程院院士李得天牽頭制訂，標(biāo)志著我國(guó)在真空計(jì)量領(lǐng)域達(dá)到國(guó)際一流水平，掌握更多的技術(shù)話(huà)語(yǔ)權(quán)。在這項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的背后，有一群數(shù)十年如一日，默默“數(shù)分子”的人。

談及取得的成績(jī)，李得天感慨良多：“我們團(tuán)隊(duì)就是在國(guó)家杰出青年科學(xué)基金、國(guó)家重大科研儀器研制項(xiàng)目、航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金等各類(lèi)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的長(zhǎng)期支持下成長(zhǎng)起來(lái)的。正是科學(xué)基金的穩(wěn)定支持，讓我們能夠不斷攀登真空計(jì)量領(lǐng)域的高峰，為基礎(chǔ)研究貢獻(xiàn)力量?！?/p>

“數(shù)”分子“個(gè)數(shù)”的研究

在人類(lèi)探索太空的征程中，由于真空泄漏，曾發(fā)生過(guò)數(shù)次嚴(yán)重事故。

1971年6月30日，俄羅斯宇航員完成“禮炮號(hào)”空間站任務(wù)返回途中，“聯(lián)盟11 號(hào)”飛船因壓力閥失效，僅數(shù)十秒時(shí)間，真空泄漏導(dǎo)致3 名宇航員窒息身亡。1986年1月28日，美國(guó)“挑戰(zhàn)者號(hào)”航天飛機(jī)發(fā)射73 秒后解體，7 名宇航員犧牲。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，事故原因是火箭推進(jìn)器密封圈失效造成燃料泄漏。

近年來(lái)，國(guó)際空間站也因真空泄漏而事故頻發(fā)。2020年9月，因氣體泄漏速率變快（漏率增至每天1.4kg），國(guó)際空間站中全體宇航員被迫轉(zhuǎn)移至俄羅斯艙段隔離14 天。

我國(guó)自上世紀(jì)末至今的數(shù)百次航天發(fā)射，從未發(fā)生過(guò)因真空泄漏而導(dǎo)致的重大航天事故。這只是真空計(jì)量保障航天工程的“冰山一角”。實(shí)際上，從國(guó)防建設(shè)到工業(yè)制造，再到民生工程，真空計(jì)量不只關(guān)乎前沿研究和高端制造，也與人們的日常生活息息相關(guān)。

“計(jì)量是關(guān)于測(cè)量的科學(xué)，真空計(jì)量主要研究真空壓力和氣體微流量的測(cè)量與校準(zhǔn)?！崩畹锰煺f(shuō)，“只不過(guò)長(zhǎng)度、質(zhì)量、溫度等日常計(jì)量‘考察’的是我們可見(jiàn)可感的東西，真空計(jì)量‘考察’真空中氣體‘稀薄’程度，我們看不見(jiàn)、摸不著”。

真空是地外空間的首要特殊環(huán)境。人類(lèi)探索太空、研究宇宙奧秘，離不開(kāi)真空計(jì)量，真空獲得、真空維持（防止泄漏）、真空測(cè)量以及真空校準(zhǔn)都屬于真空計(jì)量的研究范疇。

“前沿研究、高端制造尤其和真空計(jì)量關(guān)系密切。實(shí)際上，越是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，越是重視真空計(jì)量研究，”李得天說(shuō)，“因?yàn)檎婵諝怏w稀薄，真空計(jì)量實(shí)際上就是在真空中找氣體分子，所以可以將真空計(jì)量通俗理解為‘?dāng)?shù)’空間中的氣體分子個(gè)數(shù)。”

嫦娥五號(hào)月面采樣封裝示意圖

李得天在介紹真空標(biāo)準(zhǔn)裝置

從跟跑到領(lǐng)跑

根據(jù)空間（密閉容器）內(nèi)氣體分子數(shù)的多少，科學(xué)家將真空劃分為粗真空、低真空、高真空、超高真空、極高真空等不同等級(jí)。通常離地球越遠(yuǎn)，環(huán)境的真空度越高。

進(jìn)入本世紀(jì)，隨著我國(guó)空間探測(cè)活動(dòng)從地面到近地軌道、再到宇宙深空，真空測(cè)試計(jì)量需求也逐步延伸到了極高真空范圍，因此必須建立相應(yīng)的超高/極高真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。

在地球上研究極高真空的前提是“獲得”極高真空，這需要將密閉容器空氣抽“干凈”的真空泵和真空分析儀器。當(dāng)時(shí)，這些領(lǐng)域是我國(guó)的短板，國(guó)外又高筑技術(shù)壁壘。

2021年1月，李得天在人民網(wǎng)參加節(jié)目時(shí)講述科研歷程

“當(dāng)時(shí)國(guó)外普遍采用液氦冷凍、液氮保護(hù)等低溫手段獲得極高真空，這樣的標(biāo)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行成本很高，還會(huì)造成溫度不均勻，從而帶來(lái)測(cè)不準(zhǔn)的問(wèn)題，”李得天補(bǔ)充說(shuō)，“即便如此，人家仍然不會(huì)把設(shè)備賣(mài)給我們?！?/p>

李得天曾遍訪全球主要的真空研究機(jī)構(gòu)和相關(guān)企業(yè)。得知國(guó)外一家企業(yè)有款真空泵能在室溫條件下獲得極高真空，他立即動(dòng)身前往拜訪。盡管雙方溝通順暢，交流融洽，但人家“炫技”后表示，這不是錢(qián)的事兒，設(shè)備不能賣(mài)。

沒(méi)有選擇，李得天團(tuán)隊(duì)只能自主研制。

此后，他開(kāi)展調(diào)研、查閱文獻(xiàn)、繼續(xù)走訪國(guó)際知名企業(yè)，并進(jìn)行分析研究，對(duì)比技術(shù)路線(xiàn)。如何突破封鎖、解決“卡脖子”問(wèn)題，一度成為李得天的一塊“心病”。直到受邀參加一次學(xué)術(shù)研討會(huì)，會(huì)上有學(xué)者介紹了一種用于生產(chǎn)惰性氣體的吸氣劑材料，李得天終于“眼前一亮”。

“當(dāng)時(shí)，這種吸氣劑材料還沒(méi)有應(yīng)用于真空計(jì)量的先例，但是它具有獨(dú)特的抽除混合氣體中活性氣體、保留惰性氣體的特性，”李得天說(shuō)，“這一特性激發(fā)了我的思路。在真空計(jì)量中，惰性氣體（氦氣、氬氣等）通常作為校準(zhǔn)氣體。這種對(duì)活性氣體選擇性抽除的吸氣劑，應(yīng)該有望解決當(dāng)時(shí)極高真空獲得和校準(zhǔn)難題?！?/p>

這個(gè)電光石火般的靈感被李得天緊緊抓住，這使得他有機(jī)會(huì)向交叉學(xué)科領(lǐng)域作一次大膽跨越。經(jīng)過(guò)多輪試驗(yàn)，李得天團(tuán)隊(duì)證實(shí)了這一技術(shù)的可行性，在此基礎(chǔ)上，創(chuàng)新性地提出磁懸浮渦輪分子泵級(jí)聯(lián)與非蒸散型吸氣劑選擇性抽氣相結(jié)合的室溫抽氣方法。

歷時(shí)5年，李得天團(tuán)隊(duì)最終突破了室溫條件下極高真空獲得和校準(zhǔn)技術(shù)瓶頸，解決了傳統(tǒng)“靜態(tài)膨脹法真空標(biāo)準(zhǔn)”的活性氣體脫附和滲漏等干擾問(wèn)題，將國(guó)際最好水平延伸了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，并自主研制了我國(guó)首臺(tái)超高/極高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置，將我國(guó)真空校準(zhǔn)能力首次延伸至10-10Pa的極高真空范圍。

相關(guān)成果發(fā)表后，得到了國(guó)際同行的認(rèn)可和好評(píng)：“李得天提出的分流法校準(zhǔn)方法，校準(zhǔn)下限達(dá)到了極高真空范圍，校準(zhǔn)范圍寬，測(cè)量不確定度小，校準(zhǔn)裝置不需要采用低溫抽氣手段，操作容易，是近年來(lái)在極高真空研究領(lǐng)域很有意義的一項(xiàng)工作。”“該技術(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)方法?！薄霸摴ぷ魇菄?guó)際上‘僅有的’實(shí)際可行的常溫下極高真空標(biāo)準(zhǔn)?！薄@項(xiàng)工作為我國(guó)月球探測(cè)、航天器空間環(huán)境模擬、重離子加速器、同步輻射光源、受控核聚變裝置等國(guó)家重大科技工程提供了重要的技術(shù)支撐和計(jì)量保障服務(wù)。

通過(guò)自主創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了精度更高的真空標(biāo)準(zhǔn)后，戲劇性的一幕出現(xiàn)了。原來(lái)將自己產(chǎn)品和技術(shù)捂得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的國(guó)外企業(yè)，開(kāi)始轉(zhuǎn)過(guò)頭來(lái)學(xué)習(xí)我國(guó)的創(chuàng)新技術(shù)。

“以前我們每個(gè)項(xiàng)目都要對(duì)標(biāo)國(guó)際先進(jìn)水平。這項(xiàng)技術(shù)出來(lái)后，歐洲計(jì)量發(fā)展規(guī)劃明確提出要參考我們的技術(shù)，建立室溫條件下極高真空標(biāo)準(zhǔn)裝置?！崩畹锰祛H為自豪。

建立真空計(jì)量技術(shù)體系

扎根西部30 多年來(lái)，李得天在真空計(jì)量領(lǐng)域不斷開(kāi)疆拓土，帶領(lǐng)科研團(tuán)隊(duì)，依靠自主創(chuàng)新，突破了真空中性氣體測(cè)試計(jì)量系列關(guān)鍵技術(shù)，建成了以國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)防最高計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)防軍工計(jì)量規(guī)范等為核心的國(guó)防真空計(jì)量技術(shù)體系。

自上世紀(jì)90年代開(kāi)始，真空計(jì)量工作直接支撐了我國(guó)航天泄漏檢測(cè)工程。李得天帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制的系列化真空泄漏檢測(cè)裝置為火箭和衛(wèi)星提供了計(jì)量保障；艙門(mén)快速檢漏儀完成了載人飛船交會(huì)對(duì)接、航天員出艙和返回等全過(guò)程在線(xiàn)檢漏；月球樣品密封封裝和漏率測(cè)量裝置保證了月球樣品無(wú)泄漏污染帶回地球。

進(jìn)入本世紀(jì)，為滿(mǎn)足我國(guó)對(duì)空間電推進(jìn)技術(shù)發(fā)展的需求，李得天帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)持續(xù)攻關(guān)，研制成功大型系列電推進(jìn)綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)系統(tǒng)，突破了高真空、等離子體等復(fù)雜環(huán)境下電推進(jìn)產(chǎn)品的在線(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)試與評(píng)價(jià)難題，實(shí)現(xiàn)了電推進(jìn)真實(shí)工況下的天地等效測(cè)試，加速了我國(guó)電推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，使我國(guó)航天領(lǐng)域步入了電推進(jìn)時(shí)代。

目前，該項(xiàng)目成果已應(yīng)用于眾多航天器所需的電推進(jìn)產(chǎn)品，相關(guān)技術(shù)也推廣應(yīng)用于空間環(huán)境模擬真空裝備中,為我國(guó)航天技術(shù)的不斷進(jìn)步提供了重要技術(shù)支撐。2020年，該技術(shù)獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

“最讓我自豪的是中國(guó)現(xiàn)在已經(jīng)建立了完整的真空測(cè)試計(jì)量體系，而且用到了國(guó)家的重大工程，”李得天說(shuō)，“我有些深切的體會(huì)，很多解決‘卡脖子’問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)是‘討不來(lái)’的，科技必須自立自強(qiáng)，這需要我們一代代科技工作者接力和傳承。老一輩科學(xué)家為我們打下了基礎(chǔ)，我們?cè)诖嘶A(chǔ)上推進(jìn)一步，還要培養(yǎng)好年輕人才，把事業(yè)延續(xù)下去?！?/p>

近期，繼發(fā)布我國(guó)在真空測(cè)試計(jì)量領(lǐng)域主導(dǎo)制定的首項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后，李得天團(tuán)隊(duì)又開(kāi)始部署第二項(xiàng)真空測(cè)量方面國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定。下一步，李得天團(tuán)隊(duì)將從三個(gè)方面持續(xù)奮斗，一是開(kāi)展高端真空測(cè)量?jī)x器研制，結(jié)合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，不斷提高國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器在國(guó)際上的主動(dòng)權(quán)和話(huà)語(yǔ)權(quán)；二是推動(dòng)計(jì)量前沿科技發(fā)展，將真空參數(shù)與物理常數(shù)聯(lián)系起來(lái)，促進(jìn)真空計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)逐步邁向量子化；三是隨著我國(guó)空間探測(cè)正在走向更遠(yuǎn)的深空，構(gòu)建我國(guó)空間探測(cè)計(jì)量保障體系，確?？臻g探測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，為高質(zhì)量航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。