通州区看守所电话:美国“奋进”号航天飞机续写中国永磁体的太空之约

美国“奋进”号航天飞机续写中国永磁体的太空之约
这一天，陈和生期待了13年（近距离）
本报记者　杨旭　陈星星
《 人民日报 》（ 2011年06月03日   12 版）

1998年6月，陈和生在美国约翰逊航天中心值班。
资料图片

“阿尔法磁谱仪02”的核心部分：内径约1.2米、重约2.6吨的环形巨大永磁体。
新华社发
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6月1日下午，大洋彼岸，美国“奋进”号航天飞机安然着陆在肯尼迪航天中心，从此“解甲归田”。它的最后一程，为国际空间站送去了“阿尔法磁谱仪02”太空粒子探测器。鲜为人知的是，这个磁谱仪体内有一颗强大的“中国心”——一块巨大的永磁体。
记者走进中国科学院高能物理研究所，听磁谱仪的永磁体和主结构系统项目的负责人，中科院高能物理研究所所长、中科院院士陈和生讲述“中国心”的故事。
“这是在车公庄的水电科学院，正在对永磁体和主结构系统模拟航天飞机起飞时的加速度环境……” 指着15年前的照片，回忆起当初研发和测试永磁体的点滴，头发略显斑白、稍带南方口音的陈和生如数家珍。而在照片里的他，那时还是一头青丝。
“这是人类第一次在外层空间开展粒子物理实验”
留在空间站的“阿尔法磁谱仪02”，将在浩渺太空中开始寻找反物质和暗物质的漫长之旅。
“这是人类第一次在外层空间开展粒子物理实验，去寻找暗物质和反物质。”说到这个“第一次”，陈和生显得有些激动，也充满了期待。
他解释说，现有物理学理论所能认知的物质只占宇宙构成的4%，剩余96%则是暗物质和暗能量——现在的物理学无法解释。“这是21世纪物理学面临的最大挑战。”
反物质，即带负电的原子核，基于宇宙大爆炸理论，也应当存在于宇宙中。
寻找反物质和暗物质，对探究宇宙的起源和演变有着至关重要的意义。但是，“几十年来，科学界探测暗物质粒子的尝试还没有结果，反物质更是无法在地面的环境中探测到。”陈和生坦言。
于是，太空就成为科学家眼中寻找反物质和暗物质的绝佳场所。从1957年第一颗人造卫星进入轨道的那一刻起，他们就期盼着有朝一日能将磁谱仪送入太空，探测反物质和暗物质。
但是，在此后的40多年里，这都只是一个遥不可及的梦。
“磁谱仪的核心部件是大型磁体，而普通的磁体无法在太空中正常运行。”陈和生点出了要害所在。
在他看来，太空中的常规磁体存在两个致命缺陷：漏磁和磁二极矩。
“首先，泄漏的磁场会干扰航天器其他部件的运作。其次，磁二极矩的存在，会让磁体在地球磁场的影响下转动，需要耗费大量能量去抵消这种转动。”
另外，如果是电磁铁的话，在太空中也没有足够的功率去供给电能。
因此，“阿尔法磁谱仪”项目负责人、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中教授曾多次坦言，磁谱仪项目是他40多年科研生涯中遇到的“难度最大”的实验。
而在1998年6月，难题被一块中国磁体破解了。中国研制的大型永磁体作为“阿尔法磁谱仪01”的核心部件，由“发现”号航天飞机搭载，成为人类送入太空的第一个大型磁体。
“每一个铆钉的受力情况都考虑得一清二楚”
作为首批参与磁谱仪项目的科学家，当得知丁肇中教授在太空设置磁谱仪的意图时，陈和生也曾疑虑，中国的科研实力能否担此重担？
但在1995年磁体的初步方案确定后，他知道，这项工作非中国莫属！
“作为永磁体材料的钕铁硼，是中国特有的稀土资源。”陈和生解释道，“同时，自上世纪80年代以来，中科院电工所将钕铁硼磁体大量应用于核磁共振成像的永磁体，积累了丰富的经验。”
在丁肇中教授的指导下，电工所、高能所和中国运载火箭技术研究院联手打造，一个内径约1.2米、重约2.6吨，以钕铁硼为原材料，采用“魔环”设计的永磁体诞生了：环形的永磁体沿圆周分为64段磁条，磁条的磁化方向连续变化，将磁场严格约束在磁谱仪内部，并且消除了磁二极矩。
说着，陈和生顺手拿起纸笔，画起了“魔环”示意图。
“它的漏磁和磁二极矩比美国宇航局的要求小了一个数量级。”说到此处，陈和生难掩自豪之情，永磁体和主结构只经过美国宇航局的两次安全评审就完成了全部评审程序。要知道，按照美国宇航局的规定，大型载荷都需要评审三次。
“这在美国宇航局的历史上也是第一次，更不寻常的是，这是他们第一次搭载中国研制的大型载荷。”陈和生又提到了“第一次”。
这份傲人成绩的背后，凝结着陈和生和他的同事艰苦的付出。1979年，陈和生远渡重洋，师从丁肇中教授。丁教授严谨的治学态度让陈和生印象深刻：“他从不允许发表的物理结果有任何差错。”
正是这份严谨，使得中国科学家在设计永磁体和主结构时，将“每一个铆钉的受力情况都考虑得一清二楚”，并在结构的安全方面上采用了多重保护机制，确保永磁体性能的稳定性。
由于精良的设计和制作，即使距永磁体第一次“上天”已13年，它的性能指标也得以保持在1/1000以内的误差。今年的5月16日，在无需任何改进的情况下，中国造永磁体和主结构系统再度“上天”。这一天，陈和生期待了13年。
“在很多科学领域，中国都已经具备了平等对话的资格”
在陈和生看来，永磁体只是向国际展示中国科技水准的案例之一：“在很多科学领域，中国都已经具备了平等对话的资格。”
从去年开始，在中美高能物理年度会谈上，美国代表首度主动介绍本国高能物理的发展情况。而在此前，这个会谈一直是“中国介绍，美国指教”。
“过去，我们是学生，对方是老师。”陈和生表示，鉴于中国高能物理的快速发展，美国开始以更加平等的姿态和我们交流。
对于改革开放30多年来中国科技的飞速发展，陈和生向记者讲述了切身的体会。
1979年初到丁肇中教授的实验室时，陈和生发现国内计算机的运算速率要比美国低2—3个数量级，“在国内需要运算1000秒的数据，在美国可能只需要几秒钟”。
“而现在，像我国的‘天河一号’超级计算机，其运算能力在世界上都首屈一指。”陈和生表示。
在与国际同业的交流中，陈和生也深刻感受到了中国科研人员卓越的品质。
“我们的工作效率非常高，同样的试验在美国要两三个星期，我们只需要两三天。”陈和生说，“做空间环境模拟试验时，我们可以每天连续工作17个小时。”而这在国外是很难想象的。
不过，陈和生也坦陈，就整体的科研水平而言，中美之间仍有很大差距，但他相信，中国必然将在更多的研究领域在世界占有一席之地。
制图：蔡华伟