我国第一根热管诞生记

  手机、航天器、青藏铁路三者有什么共同点？答案是都需要保持温度。一旦热量散不出去，就会导致变形、失效。

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

  而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。

  热管是靠内部液体的相变和蒸汽流动来传热，其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。发展至今，热管已大范围的应用于各领域，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，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，因此迅速兴起。

  “最直接的原因是当时美苏航天竞赛，没有热管去解决温控问题，航天器发展不下去了。”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其巨大。

  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，就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。当时碰到的一大难题是：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。最后通过在地下埋入热管解决了这一世界性难题。

  此外，随着AI算力的爆发式增长，大型数据中心的功耗和发热也成为世界性问题。“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”。例如用在飞行器上，为了节约空间，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，随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，具有明确的热管特征，标志着我国热管原理研究取得重大突破。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，因此应用更广泛，但研制工艺十分复杂，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，并成立了我国第一个热管研究团体——热管研究组。

  此后没多久，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。

  大家以极大的热情立刻投入了这项工作。在全力以赴的投入下，1972年9月，我国第一根液态金属钠高温热管终于测试成功，实现了我国热管技术领域零的突破。此后，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，圆满完成这一国家任务。

  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℃，接近当时世界先进水平。

  20世纪70年代，国际上发生了石油危机，导致国外对工业余热回收的需求增多，钢-水热管成为研究热点。我国也及时跟上，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加快速度进行发展的“井喷”期，多项科技成果在工业部门得到应用；进入21世纪，则是技术创新期，产生很多新器件。

  “热管技术成本低，但能解决大问题，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，来到工程热物理所作博士后，师从马同泽。

  曲伟表示：“马老师做热管研究获过3项国家奖，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。而且不仅学术造诣高，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自居，但有一件事却很自豪，那就是和毛主席同一天生日，因此得名“同泽”。而在做科研时，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，持续了长达6年。

  虽然马同泽已于2015年去世，但回忆起自己相处了12年的恩师，曲伟还是满怀感激之情：“马老师很看重训练学生的基本功，要求每个研究生熟练掌握各种仪表，知道不同仪器的长处和短板。比如每个热电偶我们都是自己焊的，挨个测量误差。所有这些小细节马老师都领着我们亲力亲为，所以他的学生出来一个是一个，到其他岗位上也能做出很好的成绩。”

  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，他多次找到所领导，最后终于解决了学生公寓洗澡问题。

  在学生眼中是“大科学家”的马同泽，也非常细心。一次实验室搬家时不小心打碎了一支U型管水银计，马同泽亲自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，马同泽态度鲜明。20世纪90年代，国内某高校宣扬ZGM介质管中蕴含40多种微量元素，有神乎其神的功效，吸引了许多投资方纷纷投钱。这些人还到处举办研讨会，邀请各大高校的老师参会“站台”。马同泽坚定地说：“不能为了蝇头小利，连学术不学术都不管了。”他不仅参会，还带头写了一封公开信揭露其伪科学的真面目，丝毫不怕得罪人。

  虽然斯人已逝，但马同泽培养的大量研究人才，仍然活跃在热管领域，践行着他的科学思想，成为相关领域领军和骨干人才，在各行各业发光发热。