空間低溫光學試驗深低溫背景環(huán)境的實現(xiàn)

徐 冰，馬 龍

(北京空間機電研究所，北京100076)

1 引言

空間低溫光學技術具有廣泛的應用前景，低溫光學遙感相機測試和試驗對工藝設備的要求不同于傳統(tǒng)光學遙感相機。

低溫光學遙感相機測試與試驗平臺是相機的性能測試與評價的基礎設施，也是研制過程中至關重要的一項工作，最終的測試與評價結果是驗證相機功能和性能重要依據(jù)。由于空間低溫光學遙感相機的工作環(huán)境和待探測目標的特殊性，它的系統(tǒng)測試與試驗平臺必須能夠提供超高真空(真空度優(yōu)于1×10－5Pa)和深低溫冷黑背景(背景溫度20 K以下，甚至更低)環(huán)境條件。為了使光學測試獲得更好的穩(wěn)定性，試驗的背景溫度不均勻性優(yōu)于±3 K，試驗艙內(nèi)不得有機械震動。目前空間環(huán)模設備中液氮流程的冷背景無法滿足試驗需求，必須在液氮冷背景的基礎之上建立溫度不高于20 K的深低溫氦冷黑背景。國內(nèi)尚無專門的空間低溫光學試驗設備，建立符合光學測試要求的深低溫冷黑背景環(huán)境是主要技術難題，針對如何實現(xiàn)20 K以下的深低溫光學試驗環(huán)境進行了探討。

2 氦冷背景實現(xiàn)形式

低溫光學試驗要求空間環(huán)模設備中的背景溫度不高于20 K，在某些特殊試驗中要求背景溫度能夠維持4.5 K左右，甚至更低。空間環(huán)模設備中的氦冷背景是由能模擬深低溫冷黑環(huán)境的終端冷艙并配合大功率的氦制冷系統(tǒng)組成。目前，氦冷背景主要有以下三種實現(xiàn)途徑。

(1)開式液氦冷卻系統(tǒng);

(2)機械式氦氣制冷機系統(tǒng);

(3)氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

2.1 開式液氦冷卻系統(tǒng)

開式液氦冷卻系統(tǒng)的形式與開式液氮冷卻系統(tǒng)［1］基本相同，由液氦熱沉和液氦儲槽兩部分構成，系統(tǒng)無法對液氦循環(huán)利用，結構如圖1所示。為了減少液氦熱沉在降溫過程中的液氦消耗，液氦熱沉首先通過液氮預冷至90 K以下，然后用冷氮氣將液氦熱沉內(nèi)殘留液氮吹出。待熱沉溫度回至100 K以上后(確保液氮充分汽化)，改用氣氦吹掃，將殘留的氮氣吹除干凈，再注入液氦，逐漸將液氦熱沉降溫至20 K 以下［2］。

開式液氦冷卻系統(tǒng)有以下特點:

(1)原理與結構簡單，設備制作工藝成熟，實現(xiàn)20 K以下深冷背景的工藝難度低;

(2)一次性投資較小，配套設備相對簡單易用。

系統(tǒng)的不足之處:

(1)液氦熱沉降溫時需要反復注入氮或氦，使得降溫操作工藝流程復雜。如果預冷的氮氣有殘留，注入液氦后，會導致氮氣凝固，堵塞熱沉管路，嚴重影響熱沉溫度均勻性和安全性;

(2)無法對液氦循環(huán)利用，液氦消耗量巨大，導致試驗運行成本高;

(3)熱沉溫度均勻性差，無法滿足低溫光學測試要求。

2.2 機械式氦氣制冷機系統(tǒng)

系統(tǒng)是通過一套或者多套大功率氦壓縮機配合冷頭，將某一冷板降溫至20 K以下。這是直接使用機械式制冷將冷板降至20 K以下，操作簡單，通過多塊冷板組合成一個全包絡式深冷背景。

該方式的氦冷背景有以下優(yōu)點:

(1)結構原理簡單，制作工藝成熟;

(2)系統(tǒng)操作簡單，維護方便;

(3)試驗運行成本低。

系統(tǒng)的缺點:

(1)冷頭的冷源面積相對冷板較小，傳導的方式使冷板降溫至20 K以下，就會導致冷板均勻較差，難以滿足光學測試需求;

(2)若使用多套大功率氦壓縮機及其配套冷頭，產(chǎn)生的震動影響光學測試。

圖1 開式液氦冷卻系統(tǒng)結構圖

2.3 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)

氦循環(huán)系統(tǒng)是目前技術最先進、最穩(wěn)定可靠的氦冷背景冷卻系統(tǒng)。它的原理類似于氮流程中的帶有過冷器并有氮氣回收系統(tǒng)的過冷液氮系統(tǒng)，主要包括全封閉式冷氦終端冷艙、主控制機、液氦冷箱、壓縮機、氣體純化設備、儲氣罐、冷氦分配裝置以及一些輔助設備。液氦通過分配裝置注入到冷艙的制冷管路中實現(xiàn)降溫，回流的氦氣通過純化、降溫、液化等工序后，又被分配裝置再次注入冷艙的制冷管路中。整套系統(tǒng)密閉循環(huán)，其優(yōu)點也非常明顯:

(1)背景溫度均勻性好、狀態(tài)穩(wěn)定、無機械震動，適合光學測試;

(2)氦工質(zhì)密閉循環(huán)，試驗運行成本低;

(3)工藝技術先進、可靠性高。

空間低溫光學試驗的背景環(huán)境要求具有溫度均勻性好、試驗環(huán)境穩(wěn)定性高以及測試工況時間長的特點，因此，以氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)方式建立的氦冷背景最適合用于空間低溫光學試驗。

3 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景

3.1 系統(tǒng)原理

氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景是通過氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)建立的氦冷背景，由氦液化系統(tǒng)配合相應冷氦分配裝置以及終端冷艙組成的密閉循環(huán)系統(tǒng)，其中氦液化系統(tǒng)是核心部分，原理框圖如圖2所示。

圖2 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景

終端冷艙的結構主要分為管板式熱沉和組合式冷板兩種。由于氦的熱容較小，為減少試驗過程中氦冷卻系統(tǒng)的輻射冷損，通常將冷艙建立在一個全包絡的液氮熱沉中，在冷艙和液氮熱沉之間加裝輻射保溫屏，盡可能地減少系統(tǒng)冷損。終端冷艙的冷氦入口與冷氦分配裝置的輸出端連接，回流端與氦液化系統(tǒng)的回收管路相連接，輸出管路中冷氦的壓力、流量以及溫度參數(shù)在一定范圍是根據(jù)需求調(diào)節(jié)的。終端冷艙跟液氮熱沉結構基本相同，它跟冷氦分配裝置的實現(xiàn)難度都不大，而與之配套的氦液化系統(tǒng)則是最關鍵的技術難點。

氦液化系統(tǒng)的工作原理是基于布雷頓循環(huán)和焦耳－湯姆遜效應組合而成的克勞德循環(huán)［3－4］?？藙诘卵h(huán)是一種節(jié)流循環(huán)液化氣體的方法，也是氦氣液化最有效的深度冷凍循環(huán)，主要是依靠氣體的節(jié)流膨脹和逆流換熱作用實現(xiàn)降溫液化。循環(huán)首先使用壓縮機將氣體壓縮成高壓氣體，再通過冷卻帶走壓縮熱，形成等溫壓縮過程，然后使高壓氣體進入一級換熱器。通過一級換熱器冷卻的高壓氣體分為兩部分:一部分進入膨脹機中絕熱膨脹，形成低壓低溫氣體;另一部分高壓氣體則進入換熱器與低壓低溫氣體進行換熱降溫。經(jīng)過多級膨脹降溫和換熱作用后，高壓氣體最終通過節(jié)流實現(xiàn)液化，而膨脹過程中產(chǎn)生的低壓氣體側返回壓縮機入口實現(xiàn)循環(huán)，循環(huán)制冷量為公式(1):

式中 Q為循環(huán)制冷量;H為各級氣體焓值;M為進入膨脹機的氣體量。

光電提水亦稱為光伏提水。利用太陽電池組件，通過控制器，直接(也可配置蓄電池)驅動潛水泵提水。牧區(qū)地下水埋深一般在10m以上，最為缺水的季節(jié)正是太陽能的峰值期，利用光伏提水非常適宜，隨著光伏組件成本的不斷下降和泵站關鍵技術的解決，在人畜飲水、灌溉人工草場和農(nóng)田等領域具有廣闊的前景[5]。

布雷頓循環(huán)［5］是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹以及等壓吸熱四個過程。高壓氣體在等熵膨脹時，有功輸出，同時氣體的溫度降低，產(chǎn)生降溫效果，這是獲得制冷效果的重要方法，尤其是在超低溫技術領域中。循環(huán)中膨脹過程的溫差可由公式(2)表示:

式中 ΔT為溫度變化量;T1為初始溫度;P1為初始壓力;P2為膨脹后壓力;k為理想氣體常數(shù)。

焦耳－湯姆遜效應［5］是指流體經(jīng)過節(jié)流膨脹過程前后的焓值不變，通過壓力的降低產(chǎn)生降溫效果。氦液化主要是利用該效應使得高壓氦氣流經(jīng)過節(jié)流膨脹，獲得低溫和液化氣體。氦流體在初態(tài)和終態(tài)的焓值分別為公式(3)和(4):

式中 U1、P1、V1、U2、P2、V2分別為初態(tài)和終態(tài)時的內(nèi)能、壓強以及體積。

不同的低溫光學試驗需要的冷背景溫度不同，因此，要求的氦液化系統(tǒng)輸出冷氦工質(zhì)的溫度也有所不同。氦的常壓液化溫度為4.22 K，它的物理性質(zhì)決定了氦液化系統(tǒng)在輸出不同溫度冷氦工質(zhì)時的基本原理一樣，但是工作流程具有一定差異。總得來說，可以分為三大類:

(1)冷氦輸出溫度不低于4.22 K;

(2)冷氦輸出溫度不低于10 K;

3.2 標準的氦液化系統(tǒng)

冷氦輸出溫度不低于4.22 K的氦液化系統(tǒng)是目前的標準系統(tǒng)，當冷艙溫度需要維持在4.5～10 K的范圍內(nèi)時，根據(jù)艙內(nèi)熱負荷選擇規(guī)模合適的標準氦液化系統(tǒng)即可。該氦液化系統(tǒng)的主要工作原理和TS曲線如下，流程如圖3所示:

(1)常溫常壓的氦氣通過壓縮機的作用，增壓達到1.5×106Pa(圖中13～14);

(2)壓縮后的高壓氦氣流溫度在300 K左右，通過油分離器除油后，才能進入冷箱系統(tǒng)進行降溫液化;

(3)常溫高壓的氦氣流進入冷箱后，利用低壓回流的氦氣進行初步冷卻(圖中14～1)，再將高壓氦氣流注入液氮冷卻器E1和E2，使得冷卻器E2出口處的高壓氦氣溫度降至80 K(圖中1～2);

(4)80 K的高壓氦氣流需通過低溫純化裝置，除去其中雜質(zhì)，保證雜質(zhì)含量不高于1 ppb;

(5)純化后的氦氣流將分為兩部分:一部分氦氣流注入串聯(lián)的透平膨脹機中，利用膨脹降溫作用對冷卻器E3、E4、E5以及E6進行逐級制冷(布雷頓循環(huán)，圖中T1～T2);另一部分不進入透平膨脹機的氦氣流，利用兩次透平膨脹中冷卻的冷卻器進行逐級降溫(焦耳－湯姆遜效應);

(6)最終通過焦耳－湯姆遜閥實現(xiàn)液化進入冷氦分配裝置中(焦耳－湯姆遜效應)，而回流的冷氦對各級冷卻器仍有降溫的作用。

布雷頓在標準氦液化系統(tǒng)中的作用主要通過兩個串聯(lián)的透平膨脹機T1和T2實現(xiàn)，其中T1作用于高溫透平，T2作用于低溫透平。在兩個透平膨脹之間，通過高溫透平作用將冷卻器E3和E4溫度降至20 K(圖中3～4過程);再通過低溫透平作用將冷卻器E5和E6溫度降至12 K以下(圖中4～9過程)。

圖3 標準氦液化系統(tǒng)工作原理圖

焦耳－湯姆遜效應主要是通過換熱器E5－E6以及節(jié)流閥門的工作來保證。純化氦氣流中不進入透平膨脹機的部分首先在冷卻器E3和E4中冷卻至20 K(圖中2～4)，然后注入交換器E5和E6冷卻至12 K以下(圖中4～6)，最終通過節(jié)流閥膨脹至1.2×105Pa實現(xiàn)液化(圖中6～7)。

標準氦液化系統(tǒng)將溫度為4.22 K的液氦持續(xù)注入到冷氦分配裝置中，通過裝置的調(diào)節(jié)輸出溫度為4.22 K的液氦或者10 K以下的冷氦氣，控制流量和出口溫度就能使試驗設備中的冷艙溫度在4.5～10 K的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

3.3 溫度不低于10 K的液氦系統(tǒng)

在要求環(huán)境溫度為20 K的試驗中，給冷艙提供一定流量和壓力、溫度不低于10 K的冷氦氣流就能達到要求，而不需要輸入液氦或者10 K以下冷氦氣。這時對標準的氦液化系統(tǒng)做一定的簡化，使得最終獲得溫度不低于10 K的冷氦氣流(工作流程圖見圖4)。

工作原理是在標準的氦液化流程中去掉了焦耳－湯姆遜作用，以及一個透平膨脹流程，布雷頓循環(huán)的工作由單一的透平膨脹機完成:

(1)壓縮機輸出1.5×106Pa的常溫高壓氦氣經(jīng)過純化后，注入E1～E6的各級冷卻器進行逐級降溫(圖中1～6)，冷卻器則依靠冷氦回流降溫;

(2)從末級冷卻器E6輸出的高壓氦氣流直接進入透平膨脹機，通過膨脹減壓降溫的作用，將壓力為1.5×105～1.8×105Pa以及溫度在12～19 K之間的冷氦氣流注入到冷氦分配裝置中。

3.4 溫度低于4.22 K的液氦系統(tǒng)

在某些特殊試驗中要求環(huán)境溫度低于4.5 K，那么冷氦輸出溫度必須低于4.22 K才能滿足要求。由于氦的液化溫度是4.22 K，要獲得溫度低于4.22 K的液氦，就必須在標準氦液化系統(tǒng)工作流程的末端再作進一步降溫。

目前最為成熟的技術在標準的液氦化流程末端，增加一膨脹降溫過程。將末端輸出的4.22 K液氦分為兩部分:一部分液氦進入真空膨脹機，根據(jù)冷氦溫度的要求，使用膨脹機將液氦降至適當?shù)膲毫?，達到膨脹降溫的目的，將冷卻器E7溫度要降至4.22 K以下;另一部分液氦則經(jīng)過該冷卻器進行再次降溫，冷卻到4.22 K以下，并通過第二個節(jié)流閥輸入到冷氦分配裝置中(圖中17～19)，流程如圖5所示。

圖4 輸出溫度不低于10K的氦液化系統(tǒng)

圖5 輸出溫度低于4.22K的氦液化系統(tǒng)

4 總結

循環(huán)式氦冷背景的最大特點在于溫度均勻性好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高，是目前建立低溫光學遙感相機測試與試驗平臺的深低溫測試背景環(huán)境的最佳方式。根據(jù)試驗中的熱負荷以及背景環(huán)境溫度要求，為冷艙搭配合適的氦液化系統(tǒng)以及冷氦分配裝置，就能很好的滿足試驗背景環(huán)境需求。在不超出系統(tǒng)熱負荷的前提下，系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)靈活的調(diào)節(jié)冷艙溫度，有效地提高試驗系統(tǒng)適應能力，使之能適用于不同背景溫度的低溫光學試驗。

空間低溫光學技術是未來航天光學技術發(fā)展的重要方向之一，試驗深低溫背景環(huán)境的研究，不僅能夠有效提高低溫光學測試與試驗平臺的可靠性，增強低溫光學遙感相機功能驗證和性能測試的科學依據(jù)，而且為空間低溫光學技術的發(fā)展提供了有力的基礎保障。

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