编者按：2021年4月，国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”通过验收及成果鉴定，打破了发达国家的技术垄断，使我国大型低温制冷技术进入国际先进行列。在这个项目团队里，有一群着迷“低温”的热血青年。其中，便有中国科学院大学（简称“国科大”）2019届博士毕业生柯长磊的身影。本期，让我们一起走进他“坚持与专注”的科研故事。
在一个十分稀松平常的傍晚，柯长磊找到了设计工作轮的新方法。那天，他在实验室推导哈塞尔格鲁伯法的公式，写完后顺手翻开计光华老师的《透平膨胀机》。“书读百遍，其义自见”，他把书中作图法得到的部分数据作为哈塞尔格鲁伯法的输入条件，再逆向推导公式，一直困扰着他的问题，迎刃而解了。将工作轮设计的原基础“完全作图法”和“哈塞尔格鲁伯叶片造型方法”相结合，提出修正的哈塞尔格鲁伯工作轮叶型设计方法，这是柯长磊在4月份验收的国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”中的主要贡献。作为大型低温制冷装备的主要冷源，高效率的透平膨胀机保障了大型低温制冷装备在零下269℃可提供千瓦级的冷量，也为超流氦温区（零下271℃）百瓦级冷量奠定基础，而柯长磊的这一修正设计，恰恰是提高低温氦透平膨胀机效率的关键。项目的重大突破意义在各大媒体头条报道里已是不言而喻，“我就一个想法：研制出更高效率、更大制冷量的低温透平膨胀机，用自己所学为国家大型低温制冷装备的发展贡献一点点力量。”在这个跨越五年的重大项目的背后，站着许多如同柯长磊一样的“低温青年”，他们用基础研究，攻坚克难。
■ 液氦到超流氦温区大型低温制冷系统（图源/央视新闻）柯长磊和团队成员每天基本是宿舍、办公室、实验室三点一线：早上8点开始在办公室研读文献，进行设计和计算，再去实验室进行透平膨胀机组装，空压机、干燥器、高度仪、动平衡机以及转子动力学特性测试平台……日复一日的设备测试工作，似乎早已淹没了所谓项目推进目标的崇高和宏大，“这就是老师、前辈们常说的：科研工作不要好高骛远，要脚踏实地，要下得了苦功夫，坐得了冷板凳。”那些微小的进步和全新的发现，成了柯长磊持续和项目细节较劲的动力。他回忆起2017年1月，研究团队针对装有新工作轮的透平膨胀机进行整机的实验调试后的感受，“我一边急迫的想要知道结果，一边又担心不能达到预期。同时还要按规章流程稳定操作，心里很复杂。当看到透平效率较之前有明显提升并顺利产出液氦的时候，团队所有人的疲惫一扫而空，露出久违的笑脸。”这不是一个科技改变世界的热血故事。在科技带来翻天覆地的改变之前，科研工作者反复实验，穷尽每一种可能，推动项目上的点滴进步。“理想的数据和效果在眼前呈现时，一切都值得。”柯长磊说。
■ 柯长磊与同窗一起前往中科院工程热物理研究所参观学习“大型低温工程可以应用于航空航天、大科学装置超导磁体冷却等国家重要领域，而当时世界上只有两个国家能提供大型低温制冷机，所以我毅然选择国科大制冷及低温工程专业，跟随专攻大型低温工程方面研究的刘立强老师。”进入国科大博导、中科院理化所研究员刘立强课题组，柯长磊发现计光华老师的《透平膨胀机》是人手一本的“必备秘籍”。他也开始研究书中奥秘，试着根据书上的方法编程，求解透平膨胀机通流部分的热力学状态参数和几何参数，得到了不同反动度下透平膨胀机的特性曲线图。“一次组会上，导师让我向大家展示自己的计算结果，得到老师们和师兄师姐们的肯定。这份肯定埋下了‘一颗种子’，给了我信心和动力，鼓励我继续探索前行。”柯长磊相信简单和根基的力量。掌握最基本的书本原理之后，实践的方向便会陡然明晰。将经典理论排列重组，优势互补，剩下的结果交给实践去检验。2015年到2019年四年里，柯长磊负责透平膨胀机工作轮的设计、优化和校核以及高速气体轴承-转子系统动力学特性的优化等工作；提出修正的哈塞尔格鲁伯工作轮叶型设计方法，优化了工作轮叶片前缘几何形状，总结得出适用于选取小型低温透平膨胀机最佳无叶间隙的经验参数，计算出气体轴承承载特性及轴承-转子系统动力学特性，一系列以经典原理为基准的开拓为项目实验不断输送理论参考。
■ 2019年7月，柯长磊参加在美国康涅狄格州哈特福德举办的第22届低温工程和国际低温材料联合会议（CEC / ICMC 2019）学术会议
当初进入国科大和中科院理化所之路，并非一帆风顺。大四上学期时，柯长磊知道难度很大，还是心心念念想考取到刘立强课题组。他纠结良久后，“觉得选择了就不要轻易放弃，再纠结下去也会耽误考研的准备。”于是柯长磊决定“破釜沉舟”，一边复习考研，一边准备面试。“热力学第二定律的基本表述有哪些？”“哪些气体在环境温度下节流可以制冷？”2013年10月，柯长磊第一次来到中科院理化所参加研究生面试。“坚持的好运气”最终带来“心仪的好结果”。2014年8月，柯长磊进入刘立强课题组，开启在国科大雁栖湖校区的一年集中教学学习。
■ 柯长磊和导师刘立强
回首硕博求学生涯，柯长磊想和师弟师妹分享最大体会——“坚持”“专注”。进入心仪的科研团队，需要几分坚持的信念。此后的科研之路，更需要坚持二字的加持。那段研究制冷装置的新工作轮设计时光，柯长磊走路、吃饭、睡觉……基本上无时无刻不在思考这个问题。他一遍遍的推导公式，又一遍遍的重新开始，希望能从中找到改变安装结构的参数，最终摸索出解决之道。“坚持”也是研究组的底色和氛围。导师会通过每星期的组会对团队成员进行科研工作指导，细致到每张数据图的横纵坐标分度都有要求，永远耐心地表示“再做做试试”。遇到疑难的问题，研究组成员便“不修停”地讨论，举证说明见解，就是这样的坚持打磨下，优化了包括大型低温制冷系统整机设计体系构建及控制技术、系列化气体轴承氦透平膨胀机技术，实现了大型超流氦负压换热器技术等等一系列核心技术突破。国家重大科研装备研制项目“液氦到超流氦温区大型低温制冷系统研制”于4月15日在中科院理化所廊坊所区通过验收及成果鉴定，标志着我国具备了研制液氦温度4.2K（零下269摄氏度）千瓦级、超流氦温度2K（零下271摄氏度）百瓦级大型低温制冷装备的能力，打破了发达国家的技术垄断，使我国大型低温制冷技术进入国际先进行列。
柯长磊珍视这份“坚持”，2019年6月国科大博士毕业后，他选择留在中科院理化所工作，为着国科大提供给自己接触国家重大课题的机遇，为着一个凝聚着同一目标并不懈奋斗的团队，为着一份从国家项目中找到的前进方向。“‘骐骥一跃，不能十步；驽马十驾，功在不舍。’科研实践的生活，能够更好地参透经典话语的深意。”柯长磊用“念念不忘，必有回响”总结那段找寻答案的日子。相关阅读：
文字/脱畅
图片/柯长磊提供