我国第一根热管诞生记

  手机、航天器、青藏铁路有什么共同点？答案是都需要保持温度。一旦热量散不出去，它们就会变形、失效。

  科学家用以解决这一核心问题的高性能传热元件叫作“热管”。1964年，国际首篇热管论文发表。著名传热学家、美国国家工程院院士田长霖认为，这篇仅2页的论文产生了“如原子能一般巨大的影响”。

  我国的热管研究也不甘人后。早在1968年，中国科学院就研制成功第一根热管样件。

  热管依靠内部液体的相变和蒸汽流动来传热，等效热导率能够达到金属的成百上千甚至上万倍，是任何已知材料不能够比拟的。热管发展至今已大范围的应用于所有的领域，走进千家万户。

  最早的热管研究可以追溯到1942年，美国通用发动机公司工程师Gauglar提出一种新的强化传热元件，并申请了专利。但当时各国都忙于“二战”，该专利因此沉寂了近20年，直到1964年才首次在洛斯阿拉莫斯国家实验室制造出来，被命名为热管。

  此前，业界一直认为，通过导热进行较长距离的传热是不经济的，但热管的出现彻底改变了这一认知，随后迅速兴起。

  “最直接的原因是当时美苏航天竞赛，没有热管解决温控问题，航天器就发展不下去。”中国航天科技集团第十一研究院研究员曲伟告诉《中国科学报》，热管对航天发展的推动作用极大。

  在我国的“探月”“探火”工程中，也有热管工作的身影。曲伟指出，月球表面在日照时能达到120℃，月夜时则低至-100℃，温差巨大。因此从探月一期工程开始，我国就着手研究利用热管耦合相变材料，在白天储能、夜晚释能，防止航天器被冻坏。如今，小到空间站里的计算机，大到载人飞船，都需要热管等技术保证运行安全。

  2000年，意义深远的青藏铁路工程上马。当时碰到一大难题冻土层在冬天时会冻结膨胀，到夏季又融化沉降，导致铁路路基扭曲变形。最后，我国通过在地下埋入热管解决了这一世界性难题。

  此外，随着人工智能算力的爆发式增长，大型数据中心的功耗和发热也成为一大难题。“热管在解决这类小空间散热问题中具有革命性的潜力。”曲伟认为。

  如今，热管的应用正在向极端方向发展，如应用于超高温、超低温等特殊场合。例如，热管手术刀可以在-100℃条件下操作，利用低温对病灶进行治疗。

  同时，热管也可以超越“管”状，发展成“奇形怪状”。例如，为了节约空间，用在飞行器上的热管已经演变成薄层结构的“热片”。

  曲伟的老师、中国科学院工程热物理研究所（以下简称工程热物理所）研究员马同泽是我国热管技术探讨研究的开创者之一。

  1957年11月，刚从哈尔滨工业大学研究生毕业的马同泽，和其他7名研究生一起，由中国科学院动力研究室（工程热物理所前身）派往苏联学习，师从著名传热学家米海耶夫。1960年，马同泽获得副博士学位后回国。

  1964年，国际首篇热管论文问世，一石激起千层浪。中国科学院得到消息后，立即开始了文献调研和原理样件研制工作。

  据工程热物理所研究员刘登瀛回忆，他们先研制了简单的水热管，即以水为工作介质的热管，目的是检测其有没有热管特性。1968年，我国第一根水热管原理样件研制成功，测试结果证实了前期的设想，即有着非常明显的热管特征，这标志着我国热管原理研究取得了重大突破。之后，研究室开始集中攻关难度更大的液态金属钠高温热管。

  所谓钠热管，即以液态金属钠作为工作介质的热管。同水相比，液态金属钠具有许多优点，如在高温下具有很好的稳定性、导热性等，因此其应用更广泛。但钠热管研制工艺十分复杂，实验难度远高于水热管。

  由于当时国内的有关的资料极少，没多少经验可供借鉴，马同泽带领蒋章焰、赵嘉琪、张正芳、霍秀和等人克服重重困难，认真分析有限的国外资料，开展了艰苦的探索。他们自己动手，边学习、边实验，先后建成多个系统性实验装置，并组建了我国第一个热管研究团体热管研究组。

  没过多久，热管研究组就接到一项重大任务为我国地球同步卫星的原子能电源研制钠热管。据悉，这种电源采用热离子发电机，发电效率为20%，剩余80%的能量都要通过热管向空间辐射排散。

  大家以极大的热情投入到这项工作中。在全力以赴的攻关下，1972年9月，我国第一根液态金属钠高温热管测试成功，实现了在热管技术领域零的突破。此后，热管研究组再接再厉，又研制出3种结构的钠热管，均达到或超过任务要求，圆满完成国家任务。

  在满足国防需求的同时，为了将钠热管尽快应用到普通工业中，热管研究组与七机部502所合作，研制了用于外延炉的均温用高温钠热管，使得外延炉的温差由0.5℃降低到0.02℃~0.03℃，接近当时的世界先进水平。

  20世纪70年代，石油危机爆发，导致国外对工业余热回收的需求增加，钢-水热管继而成为研究热点。我国及时跟上，经过几年攻关，1983年，工程热物理所研制的钢-水热管成功应用于兰州炼油厂苯烃化炉空气预热器项目，并在全国推广。1985年，“碳钢-水热管和换热器及其余热回收中的应用”项目获国家科技进步奖二等奖。

  据曲伟介绍，20世纪80年代是我国热管技术发展的井喷期，多项科技成果在工业部门得到应用；21世纪，我国进入技术创新期，涌现出很多新器件。

  “热管技术不仅成本低，还能解决大问题，对我国电子信息、航天、军工等高精尖技术的推动作用巨大。”曲伟说。

  1999年，已经在哈尔滨工业大学当了5年讲师的曲伟，来到工程热物理所从事博士后研究工作，师从马同泽。

  曲伟和记者说：“马老师做热管研究获得过3次国家级奖项，这是业内绝无仅有的，学术圈公认他为中国热管第一人，代表了中国科学院的水平。他不仅学术造诣高，人品也好，平易近人。”

  曲伟回忆，马同泽谦虚谨慎，从来不以自己得过国家级奖项而自居，但有一件事却令他很自豪，那就是与毛主席同一天生日，因此得名“同泽”。在做科研时，他也同毛主席一样，注重理论和实践相结合。

  例如，为了验证碳钢-水热管的寿命能否达到5年，马同泽带领大家每天记录上百根热管的数据，持续6年之久。

  马同泽已于2015年去世，回忆起这位与自己相处了12年的恩师，曲伟满怀感激：“马老师很看重训练学生的基本功，要求每名研究生熟练掌握各种仪表，知道不同仪器的长处和短板。每个工作细节，马老师都带领学生亲力亲为，比如热电偶都是我们自己焊的，焊完后，马老师会挨个儿测量误差。”

  在生活中，马同泽也非常关心学生。曲伟至今记得，当时研究所条件有限，学生洗澡存在一定困难，马同泽多次找所领导反映，最终解决了学生公寓洗澡问题。

  在学生眼中，马同泽是非常细心的“大科学家”。有一次，实验室搬家时，一支U型管水银计不小心被打碎了，马同泽立刻拿铲子和容器将水银收集起来密封保存。

  对于招摇撞骗的学术骗子，马同泽则态度鲜明。20世纪90年代，有人宣扬ZGM介质管中蕴含40多种微量元素，有神乎其神的功效，吸引了许多投资方为其注资，还到处举办研讨会，邀请各大高校的老师参会“站台”。对此，马同泽予以坚决，还带头写了一封公开信揭露这一伪科学的真面目，丝毫不怕得罪人。

  虽然斯人已逝，但马同泽培养的大量人才，仍然活跃在热管领域，践行着他的科学思想，成为相关领域的领军人物和骨干，在各行各业发光发热。