空間深空探測低溫制冷技術(shù)的發(fā)展

朱建炳

（蘭州物理研究所 真空低溫技術(shù)與物理重點實驗室,蘭州 730000）

1 引言

空間深空探測是以航天器、空間站或其它行星為平臺,對地球以外的宇宙天體以及遠離地球的空間進行探測的活動,包括進入深空的探測活動和在太空對深空進行的探測活動。由于受航天技術(shù)發(fā)展水平的制約,目前,人類深空探測活動的主要對象是月球,利用空間探測器也只能對火星、金星、木星等少數(shù)天體進行探測,更多時候則是利用各種天文衛(wèi)星或空間望遠鏡對廣袤宇宙空間進行觀測。

在地面對宇宙太空進行觀測,必須透過厚厚的大氣層。受大氣組分的影響,觀測只能在幾個電磁波段內(nèi)進行,并且還會受到大氣和塵埃粒子等因素的干擾。隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展,為空間深空探測和天文觀測提供了必要的手段。人們可以通過衛(wèi)星或空間望遠鏡收集各種宇宙輻射,對采集到的信號進行分析、研究,從而獲得人類感興趣的信息?？臻g深空探測的特點就是穿過地球大氣層,實現(xiàn)對天體全電磁波段的探測。這是人類進一步了解宇宙,探索地球與生命的起源和演化,獲取更多科學(xué)認(rèn)識的重要手段,也有利于開發(fā)和利用空間資源,服務(wù)于人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

2 對低溫制冷技術(shù)的要求

2.1 制冷溫度

眾所周知,宇宙是個高真空、極低溫（約為3K）的環(huán)境。要對處于深冷宇宙空間天體物質(zhì)進行觀測,提高探測器的靈敏度和整個系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性,要求接收此信息的空間望遠鏡和儀器設(shè)備必須保持極低的溫度。一般來說,探測器的波長越長,需要的制冷溫度越低。天文望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)溫度與宇宙輻射背景之間的關(guān)系[1]如圖1所示。從圖中可以看出,對于遠紅外和亞毫米波長望遠鏡,其光學(xué)系統(tǒng)溫度需要降低到幾十開爾文以下,而用作探測器的微熱量計和輻射測熱儀須達到mK級,才能獲得較高的探測精度。采用超導(dǎo)量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device）的高精度探測器也要工作在1～8K的極低溫度下。

圖1 天文望遠鏡光學(xué)系統(tǒng)溫度與宇宙輻射背景之間的關(guān)系

2.2 制冷系統(tǒng)設(shè)計

空間低溫制冷系統(tǒng)對航天器及其有效載荷設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局和功能有重要影響,它需要根據(jù)航天器的使命進行有針對性的特殊設(shè)計,以確保探測器有關(guān)設(shè)備能夠工作在合適的溫度范圍。在進行低溫制冷系統(tǒng)設(shè)計時,除了要考慮制冷系統(tǒng)的制冷溫度、制冷功率、質(zhì)量和功耗等指標(biāo)外,還應(yīng)滿足以下約束條件:

1）航天器從發(fā)射到任務(wù)完成要經(jīng)歷力學(xué)環(huán)境和熱真空環(huán)境,所以要求制冷系統(tǒng)具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力;

2）3 年以上工作壽命和長期免維護、且工作可靠;

3）結(jié)構(gòu)緊湊,布局合理,具有良好的絕熱性能,冷量損失最少;

4）適應(yīng)空間微重力的工作狀態(tài);

5）適應(yīng)航天器各種工作模式要求。

3 空間深低溫制冷技術(shù)

深低溫制冷技術(shù)一般是指制冷溫度在20K以下溫區(qū)的制冷技術(shù),制冷溫度低于1K稱為極低溫制冷技術(shù)。適合空間應(yīng)用的深低溫制冷機主要包括超流氦杜瓦、多級機械制冷機、吸附式制冷機、絕熱去磁制冷機和3He-4He稀釋制冷機等。

3.1 超流氦制冷技術(shù)

超流氦制冷技術(shù)是利用超流氦的“熱機效應(yīng)”對探測器進行2.1K以下溫區(qū)冷卻,制冷量主要來源于從液態(tài)到氣態(tài)的相變潛熱,可直接服務(wù)于許多探測系統(tǒng),也可以作為更低溫度的制冷系統(tǒng)的支撐平臺。

空間超流氦制冷系統(tǒng)包括超流氦存儲杜瓦與探測器的熱耦合組件以及長期運行的管理組件。整個制冷系統(tǒng)必須能夠承受衛(wèi)星發(fā)射時造成的力學(xué)環(huán)境影響,同時滿足極高的絕熱和密封要求。在空間微重力條件下,需要采用多孔塞相分離器實現(xiàn)氣液兩相分離。通過在杜瓦內(nèi)部增加擋板解決杜瓦內(nèi)部液體晃動對航天器姿態(tài)控制的影響。系統(tǒng)還必須能夠經(jīng)受長期空間的低溫、輻射等惡劣環(huán)境的考驗。

空間超流氦制冷技術(shù)的發(fā)展方向是與輻射制冷或機械制冷技術(shù)結(jié)合,利用航天器軌道空間優(yōu)良的熱環(huán)境,降低超流氦的蒸發(fā)速率,從而延長航天器的工作壽命。美國BALL公司為斯匹策空間望遠鏡研制的超流氦杜瓦的主要作用是把探測器冷卻至1.4K,同時采用蒸發(fā)的冷氦氣將光學(xué)系統(tǒng)冷卻至5.5K,制冷量達6mW[2]。該制冷系統(tǒng)就是利用輻射制冷將超流氦杜瓦外殼冷卻至40K以下,用360L的超流氦可以滿足5年工作壽命要求。

3.2 多級機械制冷技術(shù)

機械制冷技術(shù)是近幾年空間制冷技術(shù)發(fā)展的重點。目前,已獲得成功應(yīng)用的長壽命機械制冷機有40多臺,已經(jīng)從冷卻紅外探測器擴展到冷卻高靈敏度低溫探測器與低溫光學(xué)系統(tǒng),為儲存式制冷器提供冷屏,實現(xiàn)空間低溫液體零蒸發(fā)儲存（Zero Boil-Off）等。機械制冷機制成兩級可以達到20K溫區(qū),三級或兩級制冷加J-T制冷可以達到液氦溫區(qū)。

在多級機械制冷技術(shù)的研究方面,美國位于世界前列。為了滿足深空探測需求,2001年,NASA啟動了高級低溫制冷機開發(fā)計劃（Advanced Cryocooler Technology Development Program,ACTDP）[3]。在該計劃的支持下,洛克希德?馬丁公司成功研制四級脈管制冷機,最低制冷溫度達到3.83K,溫度在6K時,可提供50mW的制冷量;溫度在18K時,可提供150mW的制冷量,功耗為725W,質(zhì)量為21kg。NGST公司研制成功了三級脈管預(yù)冷的J-T制冷器復(fù)合制冷系統(tǒng),采用J-T制冷器可以遠距離為冷卻對象提供6K冷源,制冷量為70mW;三級脈沖管制冷機在10K溫度條件下可提供200mW的制冷量,功耗為300W。BALL宇航技術(shù)公司采用三級斯特林制冷機與J-T制冷器復(fù)合技術(shù)方案,也可以遠距離為冷卻對象提供6K/70mW的冷源;三級斯特林制冷機在15K溫度條件下可提供250mW的制冷量,功耗為150W。

日本在多級斯特林制冷機研究方面也取得了顯著的成績。三菱重工研制的雙級斯特林制冷機在20K溫度條件下可提供200mW的制冷量,功耗為80W,質(zhì)量為9.5kg。該制冷機經(jīng)改進后,用來預(yù)冷以4He為工質(zhì)的J-T制冷器,在4.5K溫度條件下可以提供50mW制冷量,功耗為145W,質(zhì)量為23kg。采用該制冷機預(yù)冷以3He為工質(zhì)的J-T節(jié)流制冷器,在1.7K溫度條件下可以提供16mW制冷量,質(zhì)量為25kg,功耗為180W。

機械制冷技術(shù)的發(fā)展方向是進一步提高制冷效率和可靠性,通過污染控制延長工作壽命;采用與J-T制冷器耦合實現(xiàn)與被冷卻對象的遠距離冷卻,降低冷頭振動和電磁干擾的影響;開發(fā)一臺壓縮機驅(qū)動多冷頭的新技術(shù)方案,以滿足系統(tǒng)多點冷卻需求。

3.3 吸附式制冷技術(shù)

吸附式制冷技術(shù)是利用吸附床加熱解析獲得高壓氣體,冷卻吸附進行低壓抽氣的制冷方式,一般與J-T節(jié)流閥結(jié)合實現(xiàn)制冷。其特點是工作壽命長,無運動部件,不會產(chǎn)生振動,可靠性較高。吸附式制冷機的工作溫度取決于工質(zhì)氣體種類,吸附式壓縮機可遠離冷端,放置在航天器平臺上。

美國JPL實驗室已經(jīng)為普朗克空間探測器成功開發(fā)了溫度為20K的氫吸附低溫制冷機,壓縮機由6組金屬氫化物吸附床和低壓氣體儲存器組成,每個吸附床都通過氣隙式熱開關(guān)控制與輻射散熱器的熱導(dǎo)通與斷開。當(dāng)吸附床加熱到450K時,氫氣從吸附床脫附產(chǎn)生高壓氫氣,通過逆流換熱器冷卻至60K后,在J-T節(jié)流制冷器中膨脹冷卻至18K,并提供冷量。液體和氣體的混合氫在制冷腔吸熱后,再通過逆流換熱器升溫至270K,在吸附床中被吸附,完成制冷循環(huán)。該吸附式制冷機在20K可提供1W制冷量,總功耗達370W,采用分組工作方式,可以連續(xù)提供冷量。

采用活性炭或分子篩對3He吸附減壓可以獲得300mK以下制冷溫度。英國盧瑟福實驗室（Rutherford Appleton Laboratory）為赫謝爾空間望遠鏡成功研制了3He吸附式制冷機[4],如圖2所示。在超流氦熱沉溫度為1.5K,制冷機在290mK時,可以獲得10μ W制冷量;制冷機工作中產(chǎn)生的吸附熱通過熱開關(guān)控制傳導(dǎo)到超流氦熱沉中,采用間斷工作方式,工作時間可達70h。

圖2 赫謝爾吸附式制冷機

3.4 絕熱去磁制冷技術(shù)

圖3 4級CADR制冷機

絕熱去磁制冷機是利用順磁鹽的磁致熱效應(yīng)實現(xiàn)制冷,它由順磁鹽、高性能磁體和熱開關(guān)組成。當(dāng)對順磁鹽進行絕熱去磁時,磁熵降低對外吸熱,可以產(chǎn)生50～100mK低溫。絕熱去磁制冷機的優(yōu)點是操作簡單,工作效率高,無運動部件;其缺點是質(zhì)量較大,強磁場會產(chǎn)生較大的電磁干擾,通常需要采用液氦或其它冷卻方式為其提供幾開爾文的低溫?zé)嵩?。美國已?jīng)為日本ASTRO-E衛(wèi)星高分辨率X射線光譜計研制成功了質(zhì)量為15kg的絕熱去磁制冷機,采用1.3K超流氦作為熱沉,在60mK可以提供0.3μ W制冷量。

目前,美國NASA正在開發(fā)可連續(xù)工作的多級絕熱去磁制冷機（Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator,CADR）,通過熱開關(guān)控制幾臺絕熱去磁制冷機順序工作,可獲得連續(xù)制冷量。圖3是美國GSFC研制的4級CADR制冷機,當(dāng)熱沉溫度為4.2K時,在50mK可以提供6μ W制冷量,制冷機質(zhì)量為8kg[5]。日本為Astro-H衛(wèi)星高

分辨率X射線光譜計采用兩級斯特林制冷機預(yù)冷,以3He為工質(zhì)的J-T制冷器為CADR制冷機提供1.8K的熱沉,研制成功了兩級絕熱去磁制冷機[6],在50mK可以提供0.4μ W制冷量,制冷機質(zhì)量為8kg。

絕熱去磁制冷技術(shù)發(fā)展方向是:開發(fā)開關(guān)比在1 000以上的高可靠熱開關(guān);能夠傳導(dǎo)大電流的高溫超導(dǎo)電纜研制;可靠的順磁鹽容器的懸掛系統(tǒng)和足夠的持續(xù)時間;解決強磁場電磁干擾問題,進一步降低工作溫度。

3.5 氦稀釋制冷技術(shù)

氦稀釋制冷技術(shù)是利用3He-4He溶液特性進行制冷,在3He-4He混合室中,當(dāng)3He原子從濃縮相進入超流的4He中時,產(chǎn)生吸熱效應(yīng)而制冷。氦稀釋制冷機的制冷溫度可達100mK以下,制冷量可達100μ W;與其它極低溫制冷機相比,可以連續(xù)工作,具有可靠性高,操作簡單,無振動和電磁干擾,工作性能穩(wěn)定等特點。3He-4He稀釋制冷機如圖4所示。

圖4 3He-4He稀釋制冷機

氦稀釋制冷機已經(jīng)在普朗克空間探測器中獲得成功應(yīng)用,如高頻儀器（High Frequency Instrument）測熱輻射計探測器采用3He-4He稀釋制冷機將其冷卻至0.1K[7]。它由3個4He和1個3He高壓儲瓶以及控制管路組成。高壓氣體通過輻射制冷和J-T制冷器冷卻至4.5K后被液化,再通過一個以3He為工質(zhì)的J-T制冷器預(yù)冷至1.8K,3He與4He液體在HFI焦平面混合室內(nèi)進行稀釋降溫,使焦平面冷卻至0.1K,制冷量為100nW,工作壽命為1年。

開式氦稀釋制冷系統(tǒng)工作壽命有限,國外學(xué)者正在采用改性活性炭作為3He吸附泵,吸附的3He經(jīng)過冷凝液化后再返回混合室,構(gòu)成一個閉式制冷系統(tǒng),從而延長其工作壽命。法國已經(jīng)研制成功1臺閉循環(huán)氦稀釋制冷機,該制冷機采用1臺3He循環(huán)泵和3He相分離器,實現(xiàn)了最低制冷溫度39mK,在100mK有1μ W的制冷量[8]。

4 低溫制冷技術(shù)在深空探測中的典型應(yīng)用

歐空局研制的普朗克探測器（Planck Mission）已經(jīng)于2009年5月發(fā)射成功,主要用于探測整個宇宙微波輻射背景[9]。普朗克制冷系統(tǒng)如圖5所示。衛(wèi)星運行于拉格朗日L2軌道,通過V型輻射制冷器冷卻至50K,工作壽命為2年。有效載荷由1個長約1.5m的離軸望遠鏡和2個共焦面的微波輻射探測儀組成,其低頻儀器探測器通過JPL研制的氫吸附式制冷機冷卻至20K;高頻儀器探測器陣列先由氫吸附式制冷機預(yù)冷至18K,通過英國盧瑟福實驗室的J-T制冷器冷卻至4K,再通過法液空公司研制的氦稀釋制冷機將其冷卻至0.1K,整個制冷系統(tǒng)功耗為426W。這是人類首次采用非液氦預(yù)冷的全主動制冷系統(tǒng)在空間獲得mK級制冷溫度。

圖5 普朗克制冷系統(tǒng)

日本與NASA正在合作研制新型X射線探測望遠鏡（New Exploration X-ray Telescope,NEXT）,主要用于研究銀河系中巨型黑洞演變過程,追溯宇宙結(jié)構(gòu)形成歷史,計劃將于2013年發(fā)射[10]。其軟X射線分光計（Soft X-ray Spectrometer）探測器制冷方案如圖6所示。X射線分光計直接安裝在36L超流氦杜瓦內(nèi),通過兩級絕熱去磁制冷機將其冷卻至50mK。為了滿足3～5年的工作壽命要求,設(shè)計采用2套兩級斯特林制冷機與J-T制冷器復(fù)合制冷系統(tǒng)作為絕熱去磁制冷機的低溫?zé)岢羵浞?。?dāng)杜瓦中超流氦耗盡時,可以通過氣隙式熱開關(guān)控制復(fù)合制冷系統(tǒng)作為絕熱去磁制冷機的熱沉。另外2套20K兩級斯特林制冷機為超流氦杜瓦提供冷屏蔽。制冷系統(tǒng)總質(zhì)量為250kg,功耗達290W。

圖6 軟X射線分光計探測器制冷方案

美國和加拿大正在合作研制的詹姆斯?韋伯空間望遠鏡（James Webb Space Telescope,JWST）是一臺大型低溫紅外望遠鏡,JWST的結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。該望遠鏡由18塊六邊形鈹鏡拼接而成,主鏡直徑達6.5m,主要用于探索銀河系、恒星和行星系的形成和演變過程,計劃于2014年發(fā)射[11]。為了充分利用第二拉格朗日點軌道優(yōu)良的熱環(huán)境,設(shè)計采用一個大型可展開輻射散熱屏能將整個望遠鏡和光學(xué)系統(tǒng)冷卻至35K以下。其中紅外儀器光學(xué)系統(tǒng)擬采用NGST公司的三級脈管制冷機與J-T制冷器復(fù)合制冷方法實現(xiàn)冷卻,通過三級脈管制冷機將J-T制冷器工質(zhì)預(yù)冷至18K,再通過J-T制冷器將探測器光學(xué)系統(tǒng)冷卻至6.7K[12]。整個制冷系統(tǒng)功耗達400W,質(zhì)量為79kg。脈管制冷機和J-T制冷壓縮機均被安裝在航天器平臺上,遠離制冷機冷頭11m,J-T制冷器的柔性連管穿過了溫差較大的3個區(qū)域,具有很高的技術(shù)挑戰(zhàn)性。

圖7 JWST的結(jié)構(gòu)示意圖

圖8 Con-X制冷系統(tǒng)

美國NASA正在開發(fā)的X-星座（Constellation-X）計劃,是目前僅次于JWST的X射線天文物理研究項目,由4臺X射線望遠鏡組成。主要用于探索銀河系的組成、宇宙的大尺度演化、物質(zhì)和能量的循環(huán)、暗物質(zhì)的特性等,計劃將于2018年6月發(fā)射[13]。其有效載荷中的X射線微熱量光譜計（X-ray Microcalorimeter Spectrometer）采用高分辨率超導(dǎo)量子躍遷探測器,其制冷方案如圖8所示。X射線微熱量計和制冷系統(tǒng)均設(shè)置在1個小型杜瓦內(nèi),杜瓦外殼通過輻射制冷方式冷卻至150K,超導(dǎo)量子躍遷探測器和SQUID輸出電路采用三級脈管制冷機與J-T制冷器復(fù)合制冷系統(tǒng)冷卻至6K,再通過四級連續(xù)工作絕熱去磁制冷機冷卻至50mK,制冷量6mW。同時絕熱去磁制冷機的第五級可以為探測器組件提供1.2K冷屏,并冷卻探測器的SQUID放大器。

5 我國低溫制冷技術(shù)需求與現(xiàn)狀

我國的深空探測計劃雖然起步較晚,但已取得令人矚目的成績,目前正處于相關(guān)探測技術(shù)的穩(wěn)步發(fā)展階段。“十一?五”期間,我國已經(jīng)啟動了空間太陽望遠鏡與空間亞毫米波相干和非相干探測器的研究工作。空間亞毫米波相干和非相干探測器將采用超流氦低溫系統(tǒng),可以將探測器冷卻至1.5～2.0K。

經(jīng)過40多年的發(fā)展,我國已經(jīng)研制成功了空間輻射制冷器、斯特林制冷機、脈沖管制冷機等多種制冷設(shè)備,取得了一系列重要成就,建立了完整配套的航天工程體系。十幾臺輻射制冷器已經(jīng)在實際工程中得到應(yīng)用,并且積累了豐富的實踐經(jīng)驗。斯特林制冷機和脈管制冷機也趨于成熟,目前正在進行搭載飛行驗證,但這些成果遠遠不能滿足我國深空探測技術(shù)的需求。在超流氦制冷技術(shù)研究領(lǐng)域,中科院理化所在超流氦相分離技術(shù)方面進行了探索,建立了相分離器地面試驗設(shè)備[14];蘭州物理研究所已經(jīng)開始了空間超流氦杜瓦的研制工作。在深低溫機械制冷技術(shù)研究方面,浙江大學(xué)和中科院理化所正在采用多級脈管制冷機進行探索;在空間極低溫制冷溫區(qū),我國尚處于空白階段。

6 總結(jié)與建議

從國外深空探測技術(shù)發(fā)展來看,為了實現(xiàn)有效探測,深低溫制冷技術(shù)已經(jīng)成為深空探測技術(shù)中最為關(guān)鍵技術(shù)之一。從制冷技術(shù)的發(fā)展來看,從早期以被動致冷為主,逐步轉(zhuǎn)向以多級機械制冷為主的主動制冷;從單一的制冷方式向多種制冷方式復(fù)合制冷轉(zhuǎn)變。在極低溫區(qū),從開式制冷向長壽命的閉式循環(huán)制冷方式轉(zhuǎn)化;從間斷工作向連續(xù)工作方式轉(zhuǎn)化。

隨著空間深空探測技術(shù)的不斷發(fā)展,不僅要求低溫科技工作者開發(fā)可以為航天器提供滿足工作溫度要求的可靠冷源,還要掌握深低溫制冷系統(tǒng)的空間應(yīng)用與熱集成技術(shù),根據(jù)不同的冷卻對象和要求,進行系統(tǒng)綜合設(shè)計,滿足各類長壽命航天器空間應(yīng)用要求。

在空間深低溫技術(shù)研究方面,我國與國外先進技術(shù)的差距依然很大,為了適應(yīng)我國深空探測技術(shù)發(fā)展的需求,應(yīng)及時開展深低溫技術(shù)的研究工作,包括深低溫制冷技術(shù)、被動熱控制技術(shù)、大型太陽屏技術(shù)、低溫傳熱技術(shù)、高效絕熱技術(shù)和低溫測試技術(shù)等。在現(xiàn)有機械制冷技術(shù)基礎(chǔ)上,及時啟動多級機械制冷技術(shù)研究工作,適時開展極低溫區(qū)制冷技術(shù)探索,為其空間應(yīng)用做好技術(shù)儲備。

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