空間液氦制冷器隔熱屏蔽系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

白曉明，潘雁頻，張文瑞，王小軍

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

隨著我國空間技術(shù)的發(fā)展，空間制冷技術(shù)向著制冷溫度更低、制冷功率更大、工作壽命更長、可靠性更高的方向發(fā)展。空間探測使用的長波紅外、亞毫米波探測等要求制冷溫度達(dá)到2～10 K，是傳統(tǒng)機(jī)械制冷設(shè)備無法達(dá)到的，因此一般首選液氦制冷。自1975年首次將液氦制冷技術(shù)應(yīng)用于空間探測器以來，世界各國已經(jīng)完成發(fā)射或者預(yù)計發(fā)射的采用液氦/超流氦制冷器的飛行任務(wù)已有數(shù)十例之多。在我國，空間液氦制冷還屬于空間制冷技術(shù)的新領(lǐng)域。

液氦制冷系統(tǒng)向著長壽命、質(zhì)量輕、小體積方向穩(wěn)步發(fā)展，其中最關(guān)鍵的是低溫絕熱和支撐技術(shù)，又以NASA在2003年發(fā)射的空間紅外望遠(yuǎn)鏡（SIRTF）中所使用的技術(shù)最為典型。SIRTF的制冷系統(tǒng)可以將超流氦浴溫穩(wěn)定在1.4 K左右，如此低的液氦浴溫與一個高效的熱防護(hù)系統(tǒng)密不可分（如圖1所示）。其熱防護(hù)系統(tǒng)由防太陽輻射板、防動力艙輻射板、多層絕熱、VCS（蒸氣冷卻屏）、真空殼體等組成[1]。

圖1 SIRTF熱防護(hù)系統(tǒng)簡圖

國內(nèi)的研究人員早在上世紀(jì)八九十年代對液氦制冷器展開了研究，有些學(xué)者研究了多屏技術(shù)、液氦制冷器的支撐冷卻以及多層絕熱和冷卻屏性質(zhì)對低溫系統(tǒng)的影響等[2]。在理論研究的基礎(chǔ)上，近年來一些研究機(jī)構(gòu)研制出了液氦制冷器。例如上海交通大學(xué)參與歐空局與NASA聯(lián)合開展的AMS-02計劃的研制工作，獨(dú)立制造了其低溫地面支持設(shè)備（CGSE）[3]，北京大學(xué)為其超導(dǎo)加速器研制了超流氦系統(tǒng)[4]，中電16所為其EBIT裝置設(shè)計制造了液氦杜瓦[5]。但是上述制冷器只能應(yīng)用于地面，與空間應(yīng)用的特殊要求相差較大。本文中空間液氦制冷器的隔熱屏蔽系統(tǒng)將根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)計算和空間應(yīng)用的特殊要求來設(shè)計。

2 隔熱屏蔽系統(tǒng)設(shè)計

2.1 液氦制冷器介紹

液氦制冷器應(yīng)用于空間探測器，要求其制冷溫度為4 K。由于其工作對象以及工作環(huán)境的特殊，制冷器需要滿足高可靠性、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、小體積、輕量化等要求。液氦制冷器主要由液氦存儲器、真空殼體、隔熱屏蔽系統(tǒng)、冷鏈傳導(dǎo)系統(tǒng)及控制器等組成。

2.2 隔熱屏蔽系統(tǒng)設(shè)計思路

液氦制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐等的固體熱傳導(dǎo)以及外部環(huán)境與液氦容器之間的輻射傳熱。隔熱屏蔽系統(tǒng)要能夠盡量減少這兩方面的漏熱，使杜瓦的熱負(fù)荷降低，延長系統(tǒng)的工作壽命。因此，設(shè)計思路主要從以下兩方面出發(fā)：首先根據(jù)液氦容器與外部環(huán)境之間存在較大溫差的特點(diǎn)，采用高效的熱屏蔽結(jié)構(gòu)，并盡量減少外熱流輸入來降低制冷器的漏熱損失；其次根據(jù)氦氣顯熱較大的特點(diǎn)，液氦制冷器需充分利用低溫氦蒸氣的顯熱來提高其熱屏蔽能力[6]。

根據(jù)系統(tǒng)方案可知，液氦制冷器主要由外殼殼體、多層隔熱、氣冷屏、隔熱支撐、杜瓦等組成。其功能主要是防止外界的熱量進(jìn)入液氦杜瓦內(nèi)部。

2.3 多層絕熱

真空多層絕熱結(jié)構(gòu)是由多層低輻射系數(shù)的輻射屏及其間隔物組成，置于密封夾層中，再抽至高真空。間隔物要求有低的導(dǎo)熱系數(shù)、一定的機(jī)械強(qiáng)度，例如玻璃纖維、尼綸等。真空多層絕熱中，多層輻射屏有效地屏蔽輻射熱流，達(dá)到了高效絕熱的目的。

2.4 蒸氣冷卻屏

由于液氦的沸點(diǎn)很低，其汽化潛熱僅為2.4 kJ/L，這樣僅使用高真空多層絕熱結(jié)構(gòu)也不能滿足要求。計算表明，一個日蒸發(fā)率為1%的50 L多層絕熱液氮容器用來貯存液氦，液氦的日蒸發(fā)率高達(dá)50%[7]。液氦的汽化潛熱較小，而氦氣的顯熱與潛熱的比值較大，當(dāng)從4 K升溫至300 K的時候，氦氣的顯熱和潛熱比高達(dá)72.9。因此，利用杜瓦中蒸發(fā)氦氣的顯熱來冷卻支撐結(jié)構(gòu)和保護(hù)屏對降低杜瓦中液氦的蒸發(fā)率具有很大意義。蒸氣冷卻屏是利用容器中汽化的冷氦氣來冷卻保護(hù)屏，其中保護(hù)屏外側(cè)仍采用多層絕熱。設(shè)計中氣冷屏采用薄壁銅筒體外側(cè)釬焊銅盤管的形式。

2.5 隔熱支撐

液氦貯存內(nèi)膽是通過隔熱支撐結(jié)構(gòu)懸掛在外殼體之中。隔熱支撐跨在液氦溫度下的杜瓦內(nèi)膽與室溫下的外殼之間，它不但需要支撐內(nèi)膽、液氦以及氣冷屏的質(zhì)量，還需要盡量減少由它傳導(dǎo)至內(nèi)膽的熱量，即同時滿足機(jī)械強(qiáng)度大和熱流小2個條件。在本系統(tǒng)中，設(shè)計采用6根玻璃鋼（GFRP）制成的支撐桿，這種材料既有高的機(jī)械強(qiáng)度，又有很小的導(dǎo)熱率，可以滿足液氦制冷系統(tǒng)的需求[8]。

2.6 管道及其他

為了加注液氦以及安全考慮，系統(tǒng)內(nèi)部共有2條管路，分別是液氦加注管路和安全管路。2根管道均選用不銹鋼材料，管道分別繞內(nèi)膽以及氣冷屏外側(cè)纏繞一周，這樣的設(shè)計有2個優(yōu)點(diǎn)：一方面，材料在低溫下會有冷縮，纏繞成彎管可以預(yù)防冷縮；另一方面，纏繞之后，增加了內(nèi)部管道的長度，從而減少了通過管道傳導(dǎo)入內(nèi)膽的熱量。

為了便于監(jiān)測，需要在內(nèi)部布置溫度、壓力等傳感器，由內(nèi)膽引出到外殼的導(dǎo)線也會造成漏熱，采用錳銅線來減小漏熱。

3 隔熱屏蔽組件優(yōu)化

3.1 數(shù)學(xué)模型和基本假設(shè)

液氦制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐的固體熱傳導(dǎo)以及外部環(huán)境與液氦容器之間的輻射傳熱，故系統(tǒng)各部位的漏熱如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)各部分漏熱示意圖

根據(jù)模型，對制冷器結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，并作出如下假設(shè)，以便于數(shù)值計算：1）氣冷屏的幾何模型為半球與圓柱狀直筒的組合，其中直筒的長度為其直徑的2倍，外殼和內(nèi)膽均參照此模型進(jìn)行計算；2）盤管與氣冷屏充分換熱，換熱面積假定為盤管表面積；3）探測器與系統(tǒng)充分換熱，即探測器產(chǎn)生的熱量全部由冷鏈傳導(dǎo)機(jī)構(gòu)導(dǎo)入液氦杜瓦；4）絕熱支撐桿與氣冷屏連接處的接觸熱阻為零，兩者充分換熱；5）外殼、氣冷屏及內(nèi)膽各表面的發(fā)射率假定為一致；6）氣冷屏無溫度梯度。

3.2 熱力學(xué)分析

由系統(tǒng)方案可知，制冷器的漏熱主要來自兩方面：通過支撐和管道的熱傳導(dǎo)以及外部環(huán)境與液氦容器之間的輻射傳熱。各部分漏熱的大小與氣冷屏的位置密切相關(guān)，故最佳隔熱屏蔽設(shè)計的關(guān)鍵就是在一定結(jié)構(gòu)尺寸之下，尋求氣冷屏的最佳位置，使杜瓦內(nèi)膽的漏熱最小。根據(jù)系統(tǒng)熱力學(xué)分析可知，內(nèi)膽的總熱負(fù)荷與單位時間內(nèi)蒸發(fā)液氦的汽化潛熱相平衡，氣冷屏的總熱負(fù)荷與其外側(cè)盤管內(nèi)氦蒸氣流的對流換熱量相平衡。

根據(jù)系統(tǒng)熱分析，可得如下方程組

式中 Q1為氣冷屏1熱負(fù)荷；Q2為氣冷屏2熱負(fù)荷；Q0為杜瓦內(nèi)膽熱負(fù)荷；q為探測器產(chǎn)生的熱量。

3.3 計算結(jié)果分析

針對方程組，使用FORTRAN語言進(jìn)行編程，以氣冷屏溫度為初始值進(jìn)行迭代求解，計算結(jié)果分析如圖3至圖5所示。

圖3 內(nèi)膽熱負(fù)荷與氣冷屏半徑的關(guān)系

由圖3可見，當(dāng)氣冷屏1、2的半徑增大時，內(nèi)膽漏熱量隨之減小，其中氣冷屏1半徑的影響比較明顯。

圖4 內(nèi)膽漏熱量與氣冷屏1溫度的關(guān)系

由圖4可見，在氣冷屏尺寸確定的情況下，內(nèi)膽漏熱量只與氣冷屏1溫度有關(guān)，二者基本呈線性關(guān)系。

圖5 氣冷屏尺寸與氣冷屏溫度的關(guān)系

由圖5（a）可見，氣冷屏1的半徑增大時，氣冷屏1的溫度隨之升高，氣冷屏2的半徑增大時，氣冷屏1的溫度隨之降低。

4 結(jié)論

（1）多層絕熱可以有效降低氣冷屏以及內(nèi)膽的輻射漏熱量，尤其對于氣冷屏2，多層絕熱效果最為明顯。

（2）氣冷屏1與氣冷屏2的半徑對內(nèi)膽熱負(fù)荷有著很大的影響，當(dāng)氣冷屏1、2的半徑增大時，氣冷屏熱負(fù)荷隨之減小，其中氣冷屏1的半徑更為關(guān)鍵。

（3）綜合分析可得，制冷器各部分尺寸確定以后，內(nèi)膽熱負(fù)荷與氣冷屏1溫度基本呈線性關(guān)系。

（4）根據(jù)作者提供的設(shè)計方法計算出的各部分漏熱比實(shí)際值偏大。這是為了計算方便，對制冷器的物理模型作了一定程度的簡化，進(jìn)一步考慮可以細(xì)化模型，使之更接近實(shí)際，特別是利用有限差分法重新求解氣冷屏外側(cè)盤管內(nèi)氦蒸氣的對流換熱量。

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