日本空間液氦溫區(qū)低溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

甘智華，陶 軒，劉東立，孫 瀟，閆春杰

（1.浙江大學制冷與低溫研究所，浙江杭州310027；2.浙江大學浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，浙江杭州310027；3.蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國家級重點實驗室，甘肅蘭州730000）

日本空間液氦溫區(qū)低溫技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

甘智華1，2，陶 軒1，2，劉東立1，2，孫 瀟1，2，閆春杰3

（1.浙江大學制冷與低溫研究所，浙江杭州310027；2.浙江大學浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，浙江杭州310027；3.蘭州物理研究所真空低溫技術(shù)與物理國家級重點實驗室，甘肅蘭州730000）

介紹日本空間探測器中液氦溫區(qū)低溫技術(shù)的發(fā)展歷程，大致可以分成3個階段：超流氦杜瓦（濕法）、斯特林制冷機冷卻超流氦杜瓦（半干半濕法）以及斯特林制冷機預冷J-T（Joule-Thomson）制冷機（干法）.通過不斷改進，制冷機的性能和可靠性穩(wěn)步提高.日本依托一系列空間項目，用早期項目的經(jīng)驗為后續(xù)計劃確定方向，在解決問題的過程中進步，可以為我國開發(fā)相關(guān)技術(shù)提供參考.

液氦溫區(qū)；斯特林制冷機；J-T制冷機；空間探測器

近半個世紀以來空間技術(shù)高速發(fā)展，地球觀測、通訊衛(wèi)星、空間探測等各個領(lǐng)域的發(fā)展帶動了相關(guān)技術(shù)的進步.空間探測指發(fā)現(xiàn)和探索天體結(jié)構(gòu)和外層空間的技術(shù)，通過各種形式的太空望遠鏡或探測器實現(xiàn).美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、歐洲空間局（European Space Agency，ESA）、日本宇宙研究開發(fā)機構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）等組織相繼推出了自己的空間探測項目[1-3].

相比于常溫探測器，低溫探測器可以實現(xiàn)更高的觀測精度并捕捉更微弱的信號.一方面，低溫探測器具有更高的靈敏度、分辨率和信噪比，低溫環(huán)境減輕了儀器自身分子熱運動造成的干擾；另一方面，超導探測器必須在一定溫度以下才能正常工作.液氦溫區(qū)（1～10 K）對空間探測器具有重要的意義，是Ge：Ga等超導材料的工作溫區(qū)，而獲取毫開級的冷量需要液氦溫區(qū)作為熱沉[1，4].

液氦溫區(qū)的制冷方式主要有杜瓦和機械式制冷機.杜瓦可靠性高，應(yīng)用成熟，廣泛用于早期的空間探測項目.杜瓦在無重力條件下工作液位測量和氣液分離系統(tǒng)復雜，體積質(zhì)量大，發(fā)射成本高，應(yīng)用受到限制.機械式制冷機的結(jié)構(gòu)緊湊，制冷溫度范圍廣，對軌道和衛(wèi)星姿態(tài)要求低，安裝靈活，壽命長，在空間中逐漸得到廣泛應(yīng)用[1，5].常見的機械式制冷機包括J-T制冷機、逆布雷頓制冷機、斯特林制冷機、脈管制冷機和G-M制冷機，已有的文獻對各種制冷機做了比較[6].斯特林制冷機結(jié)構(gòu)緊湊，在35 K及更高溫區(qū)的制冷效率高，采用線性壓縮機驅(qū)動可以獲得較長的運行壽命，但在液氦溫區(qū)4He工質(zhì)的非理想性顯著，實際氣體損失增大，制冷效率急劇下降；在液氦溫區(qū)，4He工質(zhì)的等燴節(jié)流效應(yīng)接近等嫡膨脹效應(yīng)，J-T制冷機利用這一點達到較高的制冷效率.預冷型J-T制冷機綜合了這兩種制冷機在不同溫區(qū)的優(yōu)勢，在空間中得到廣泛應(yīng)用[2].

發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，發(fā)展低溫探測器是空間探測的必然趨勢，而中國在這一領(lǐng)域才剛剛起步，目前我國的空間技術(shù)蓬勃發(fā)展，進行相關(guān)技術(shù)的儲備十分必要.日本的液氦溫區(qū)低溫技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，歷經(jīng)了超流氦杜瓦（濕法）、機械制冷機冷卻超流氦杜瓦（半干半濕法）、完全機械式低溫制冷機（干法）的過程，掌握先進的機械式制冷機技術(shù)后依然保留杜瓦技術(shù)，作為制冷機的補充.在發(fā)展過程中，樣機研制、地面測試、空間運行、根據(jù)空間運行狀況改進等環(huán)節(jié)有序的結(jié)合.空間項目投入高、風險大，吸收已有的經(jīng)驗教訓十分必要.日本空間低溫技術(shù)的發(fā)展過程中有過失敗，但他們從失敗中學習.本文以日本的低溫探測器為脈絡(luò)介紹液氦溫區(qū)低溫技術(shù)，以期為國內(nèi)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展提供參考.

1 已發(fā)射的杜瓦

1.1 IRTS項目及其低溫系統(tǒng)

IRTS（infrared telescope in space）是日本第一代紅外太空望遠鏡，由JAXA下屬的日本空間科學研究所（Institute of Space and Aeronautical Science，ISAS）與NASA等機構(gòu)共同開發(fā)，于1995年3月18日成功發(fā)射，運行于高度為486km的地心軌道上.IRTS要在整個紅外波長范圍內(nèi)以中等空間分辨率和高靈敏度對天空漫射進行紅外觀測，并為黃道光、星際物質(zhì)、紅外恒星、宇宙背景的紅外輻射補充數(shù)據(jù)[7-8].IRTS低溫系統(tǒng)的研制始于1989之前，吸收了美國第一代紅外太空望遠鏡IRAS（infrared astronomical satellite）的經(jīng)驗[9].

如圖1所示為IRTS的低溫系統(tǒng)，圖1（a）為剖面圖，圖1（b）為簡化示意圖.環(huán)形超流氦罐和3個蒸氣冷卻屏（vapor-cooled shields，VCS）固定在杜瓦外殼上，望遠鏡和焦平面設(shè)備（focal-plane instrument，F(xiàn)PI）直接與超流氦罐連接.超流氦杜瓦充注85 L超流氦，發(fā)射時溫度低于1.7 K，在軌運行時升至1.9 K，望遠鏡和FPI被超流氦冷至1.9 K，超流氦可以使用38 d[7-8，10].

圖1 IRTS低溫系統(tǒng)Fig.1 IRTS cryogenic system

1.2 SUZAKU項目及其低溫系統(tǒng)

Astro-E是日本的第5顆X射線衛(wèi)星，也是第一顆采用低溫探測器的X射線衛(wèi)星，于2000年2月發(fā)射失敗并墜入太平洋[11].為了替代Astro-E，ISAS和NASA重新研制了Astro-E2，并于2005年7月10日發(fā)射至高度為568km的近地軌道，發(fā)射后改名為SUZAKU.科學儀器包括X射線光譜儀（X-ray spectrometer，XRS）、X射線成像光譜儀（X-ray imaging spectrometer，XIS）、硬X射線探測器（hard X-ray detector，HXD）.XRS需要被冷至60 m K，這一溫度由四級低溫系統(tǒng)實現(xiàn)，低溫系統(tǒng)包括單級斯特林制冷機（single stage stirling cooler，1ST）、固氖杜瓦、超流氦杜瓦和單級絕熱去磁制冷機（adiabatic demagnetization refrigerator，ADR），要求低溫系統(tǒng)壽命超過3a.低溫系統(tǒng)從20世紀80年代早期啟動研制后經(jīng)歷了多次改進[12-13].

圖2給出SUZAKU的低溫系統(tǒng)，圖2（a）為剖面圖，圖2（b）為簡化示意圖.3層VCS安裝在杜瓦外殼上，OVCS由單級斯特林制冷機冷卻.當環(huán)境溫度為200 K，輸入功小于50 W時，單級斯特林制冷機在80 K下獲得2 W冷量[14].杜瓦外殼、OVCS、MVCS、IVCS以及固氖罐兩兩之間共安裝了4層多層絕熱（multi-layer insulation，MLI）.在空間中，環(huán)形固氖罐的壓力由真空泵控制，保持在17 K，為了減小超流氦的漏熱，超流氦罐安裝在固氖罐和氖屏內(nèi)，多孔塞從超流氦中分離氦蒸氣并排出，超流氦溫度為1.3 K.超流氦罐的體積為33.1 L，90％充注時，壽命約為2.79 a.環(huán)形固氖罐的充注量為120 L，壽命為2.0～3.0 a[13].整個低溫系統(tǒng)的干重（包括罐體和斯特林制冷機）為223.26kg，其中斯特林制冷機重4.2kg，固氖重172.8kg，超流氦重4.3kg.估算整個系統(tǒng)正常運行時壽命為2.4～3.5 a.

SUZAKU于2005年7月10日發(fā)射升空后運行良好，XRS被成功冷至60 m K.7月25日，杜瓦內(nèi)溫度出現(xiàn)異常，氣體進入杜瓦的真空絕熱層使絕熱遭到破壞，8月8日，超流氦全部耗盡，無法為XRS提供毫開級的冷量[13，15].但單級斯特林制冷機從7月12日啟動后一直正常運行，根據(jù)后續(xù)的文獻報道，制冷機工作壽命達到5 a[14，16].

2 已發(fā)射的機械式制冷機

2.1 項目簡介

2.1.1 AKARI項目及其低溫系統(tǒng) AKARI（曾被命名為Astro-F，IRIS）是日本的第二代紅外空間探測器，由ISAS與ESA等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)，于2006年2月21日發(fā)射.AKARI的科學任務(wù)主要包括搜尋原始星系、研究恒星的形成過程以及研究行星系統(tǒng)的進化[17-18].AKARI運行在高度為700km的太陽同步極地軌道上，熱環(huán)境穩(wěn)定，適合低溫望遠鏡的全景觀測.望遠鏡和FPI安裝在超流氦杜瓦中，飛行器總重為952kg，其中低溫恒溫器（包括超流氦和機械式制冷機）重431kg[17，19].

圖2 SUZAKU低溫系統(tǒng)Fig.2 SUZAKU cryogenic system

FPI由紅外相機（infrared camera，IRC）和遠紅外檢測儀（far-infrared surveyor，F(xiàn)IS）組成[20].科學儀器的冷卻分為2個階段：有超流氦時，IRC和望遠鏡被冷至7 K以下，F(xiàn)IS被冷至3 K以下；超流氦耗盡后，IRC和望遠鏡被冷至35 K以下[21].

AKARI的低溫系統(tǒng)由輕質(zhì)超流氦杜瓦和機械式制冷機構(gòu)成，如圖3所示，圖3（a）為剖面圖，圖3（b）為簡化示意圖.太陽輻射屏屏蔽空間輻射，杜瓦外殼由輻射式制冷機冷至200 K.杜瓦內(nèi)有2層VCS，IVCS被冷至大約30 K，所需冷量由2臺兩級斯特林制冷機（two stage stirling cooler，2ST）和蒸發(fā)的氦氣提供，OVCS由蒸發(fā)氦氣單獨冷卻.斯特林制冷機延長了超流氦的壽命并使IVCS溫度更加穩(wěn)定.杜瓦外殼、OVCS以及IVCS兩兩之間共安裝了兩層MLI.望遠鏡及FPI由蒸發(fā)的氦氣冷至6 K以下，滿足低于7 K的設(shè)計要求，F(xiàn)IS與超流氦罐直接熱連接并被冷至1.8 K.超流氦儲量為170 L，預期在空間中的總壽命為548 d，其中，斯特林制冷機使超流氦壽命延長358 d.超流氦耗盡后科學儀器在斯特林制冷機的冷卻下繼續(xù)近紅外觀測，地面測試中斯特林制冷機的壽命為2 a[19-20].

圖3 AKARI低溫系統(tǒng)Fig.3 AKARI cryogenic system

2.1.2 SMILES項目及其低溫系統(tǒng) 超導亞毫米波段輻射探測器（superconducting submillimeterwave limb-emission sounder，SMILES）由JAXA下屬的宇宙開發(fā)事業(yè)團（National Space Development Agency of Japan，NASDA）、日本通信研究實驗室、住友重工等機構(gòu)聯(lián)合開發(fā)，于2009年9月發(fā)射[22-23].SMILES的主要任務(wù)是探測與臭氧層破壞相關(guān)的化學變化，并在技術(shù)上驗證使用超導亞微米波段傳感器以及4 K級機械式制冷機進行高靈敏度觀測的可行性，安裝在國際空間站（International Space Station，ISS）日本的實驗模塊上.SMILES包括2部亞毫米天線亞毫米超導絕緣層混頻器（submillimeter antenna，submillimeter SIS mixer，SIS（superconductor-insulator-superconductor），SMX（SIS mixer））和4臺高電子遷移率晶體管放大器（high-electron-mobility transistor，HEMT）.冷卻儀器的冷量由一臺兩級斯特林制冷機預冷J-T制冷機（Joule-Thomson cooler，J-T）提供[24].SMILES作為驗證性任務(wù)，設(shè)計壽命大于1 a，2010年6月，機械式制冷機出現(xiàn)故障，停止工作[16].

SMILES的低溫系統(tǒng)如圖4所示，圖4（a）為剖面圖，圖4（b）為簡化示意圖.低溫系統(tǒng)有3個溫度級，4 K級要將2臺SMX冷至4.8 K以下，20 K級要將2臺HEMT放大器冷至15～23 K，100 K級要將另2臺HEMT放大器冷至83～95 K，20 K級和100 K級要冷卻輻射屏[24].根據(jù)2001年的設(shè)計，為了冷卻儀器，4 K級需要10μW冷量，20 K級需要20 m W冷量，100 K級需要30 m W冷量，各級都有輻射和導熱漏熱負荷，此外，20 K級和100 K級要為J-T循環(huán)提供預冷[23-24].

2.2 兩級斯特林制冷機

AKARI和SMILES采用相同的兩級斯特林制冷機，住友重工的產(chǎn)業(yè)機器事業(yè)部（以下簡稱住友重工）于1991年開始研制兩級斯特林制冷機，2004年相繼完成了工程樣機（engineering model，EM）、飛行原理樣機（protoflight model，PFM）以及飛行樣機（flight model，F(xiàn)M）[20].

分置式兩級斯特林制冷機的結(jié)構(gòu)如圖5所示，由壓縮機、氣體連接管及冷頭構(gòu)成，以4He為工質(zhì).壓縮機由線性電機驅(qū)動，壓縮機活塞和冷頭排除器都采用接觸密封，制冷機結(jié)構(gòu)的詳細介紹見表1.

表1 制冷機結(jié)構(gòu)介紹Tab.1 Description of cooler structure

如圖6所示為飛行樣機（FM）的性能曲線.圖中，T1、T2分別為第1和第2級溫度.室溫下，當輸入功為90 W時，在18.4 K下獲得0.2 W冷量并在71.6 K下獲得1 W冷量[20].SMILES采用一臺兩級斯特林制冷機預冷J-T循環(huán)并在20 K和100 K提供冷量.AKARI布置2臺兩級斯特林制冷機，空間運行的環(huán)境溫度為200 K.2臺制冷機非滿載運行，輸入功均為50 W，在20 K下獲得0.1 W冷量，若一臺失效將被關(guān)閉，另一臺輸入100 W滿載運行，在20 K下獲得0.2 W冷量[21，25].

對飛行原理樣機（PFM）進行振動測試.在測試中，沒有檢測到制冷機性能的惡化，壓縮機的機械振動力不會對探測器的運行產(chǎn)生影響.對工程樣機（EM）進行壽命測試，測試中，斯特林制冷機連續(xù)運行40000 h，25000 h后，換熱器中污染物凝結(jié)使換熱器效率下降，制冷機性能明顯惡化[20].實際上，AKARI搭載的兩級斯特林制冷機在空間中運行了3 a以上[26].

2.3 4 K級J-T制冷機

住友重工從1993年開始研制4 K級J-T制冷機，研制過多臺樣機[27].制冷機以4He為工質(zhì)，J-T流程如圖7所示，兩級斯特林制冷機預冷.穩(wěn)定運行時，工質(zhì)經(jīng)J-T壓縮機后進入第一級換熱器，被返流氣體冷卻，出口高壓氣體進入第一級預冷換熱器并被斯特林制冷機第一級冷頭冷卻；然后依次流經(jīng)第二級換熱器、第二級預冷換熱器以及第三級換熱器，出口高壓氣體在節(jié)流閥中節(jié)流至兩相并在4 K級蒸發(fā)器中提供冷量，再返流經(jīng)過三級換熱器，離開第一級換熱器后回到壓縮機完成循環(huán).下文將介紹樣機模型及在地面上的測試結(jié)果.

圖4 SMILES低溫系統(tǒng)Fig.4 SMILES cryogenic system

圖5 AKARI的兩級斯特林制冷機結(jié)構(gòu)圖［20］Fig.5 Schematic drawing of two-stage Stirling cooler for AKARI

圖6 AKARI兩級斯特林制冷機性能［20］Fig.6 Cooling performance of two-stage Stirling cooler for AKARI

圖7 SMILES的4 K級J-T制冷機系統(tǒng)［24］Fig.7 4 K-class J-T cooler system for SMILES

住友1997年就完成了一臺樣機，為了保證100 K級的冷量，增加了一臺單級斯特林制冷機.在4、20、100 K下的名義制冷量分別為30 mW、0.2 W 和3 W，除去漏熱損失和預冷負荷后各級的凈制冷量列于表2.制冷機獲得不同溫度的制冷量，用文獻[31]的方法計算整機FOM，將20 K級和100 K級的制冷量按卡諾效率換算到4 K級，然后計算4 K級的FOM.這臺制冷機結(jié)構(gòu)復雜，效率低，其作用是為后續(xù)研究打下基礎(chǔ)[32].

住友在2001年完成了工程樣機（EM），其4、20、100 K的名義制冷量分別為20 m W、0.2 W和3 W，表2給出各級凈制冷量.壽命測試時間超過了14個月，開始的5個月，J-T壓縮機輸入功為60 W，4 K級溫度為4.8 K；連續(xù)運轉(zhuǎn)11個月后，壓縮機輸入功增大到70 W，4 K級溫度升高到4.9 K；運轉(zhuǎn)14個月后，輸入功增大到75 W，溫度升高到5.0 K.耗功增大是因為壓縮機中活塞與氣缸間的間隙增大，隨著實驗的進行，間隙從開始的10μm增大到20μm，更換活塞后，壓縮機耗功恢復到初始值.隨著實驗的進行，工質(zhì)中CO、CO2和CH4的含量由于非金屬材料的放氣逐漸上升，這是溫度上升的部分原因[24].

住友在2004年研制了飛行原理樣機（PFM）[23].其4、20、100 K名義制冷量的設(shè)計值為30 m W、0.2 W和3 W，表2給出了各級凈制冷量.在所有樣機中，飛行原理樣機（PFM）的性能最好，技術(shù)成熟度最高，表1有詳細介紹.如圖8所示為JT壓縮機的結(jié)構(gòu)圖，與斯特林壓縮機類似，為保證氣體單向流動增加了吸排氣閥.

如圖9所示為低溫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，表2給出凈制冷量，分析計算了3級的熱負荷.4 K級熱負荷都是漏熱，為10.52 m W，20 K級熱負荷為194.2 m W，其中90 m W用于預冷J-T循環(huán)，100 K級熱負荷為1140.4 m W，其中230 m W用于預冷J-T循環(huán).系統(tǒng)的降溫時間為66 h，穩(wěn)定后3級的無負荷制冷溫度分別為4.22、19.5及84.8 K[27].飛行原理樣機（PFM）的總輸入功為104.8 W[27]，工程樣機（EM）的總輸入功為165 W[24]，性能提升明顯.

工程樣機（EM）、飛行原理樣機（PFM）、飛行樣機（FM）及下文將出現(xiàn)的實驗樣機（breadboard model，BBM）和原型樣機（prototype model，PTM）表示了不同的技術(shù)成熟度（technology readiness level，TRL）.技術(shù)成熟度共分為9級，描述了一項技術(shù)從理論概念到實際空間應(yīng)用的各個階段，其中9級最高.BBM為TRL3，處于技術(shù)的理論和實驗驗證階段；EM為TRL5；PTM介于TRL6和TRL7之間，在模擬實際的環(huán)境或空間環(huán)境中驗證；PFM 和FM為TRL7，在空間環(huán)境中驗證，F(xiàn)M比PFM更加成熟[33].表2中，制冷機FOM的提高伴隨著TRL的提升.表中，QC1、QC2、QC3分別為第1、2、3級制冷量，pH、pC分別為高壓側(cè)和低壓側(cè)壓力，qm為J-T質(zhì)量流量.

圖8 SMILES的4 K級J-T級壓縮機結(jié)構(gòu)圖［27］Fig.8 Schematic drawing of 4 K-class J-T compressor for SMILES

圖9 SMILES的低溫系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)［27］Fig.9 Inside of cryogenic system for SMILES

完成各項測試后，住友更新了PFM.在更新過程中，保留制冷機的主要部件，更換損耗件，重新調(diào)試安裝.經(jīng)過磨合調(diào)試的制冷機性能更佳，降溫到4.8 K的時間是57 h，三級無負荷制冷溫度分別為4.3、20.3和87.2 K，兩級斯特林制冷機輸入42.6 W，J-T壓縮機輸入31.7 W[23].

表2 SMILES的4 K級J-T制冷機Tab.2 4 K-class J-T cooler for SMILES

2010年6月，SMILES搭載的4 K級制冷機在空間中連續(xù)運轉(zhuǎn)7 800 h后，由于ISS熱控制系統(tǒng)發(fā)生故障，制冷機從環(huán)境溫度開始重新啟動.在預冷階段，當兩級斯特林制冷機冷卻到大約150 K時，工質(zhì)在J-T制冷機的旁通回路中發(fā)生堵塞，無法達到4 K級的溫度.理論分析確定堵塞是CO2雜質(zhì)造成的，CO2的體積分數(shù)達到1.2×10-3～1.6×10-3，并且在運行中持續(xù)上升.污染主要來源于非金屬材料，在加工過程中，這些材料吸收氣體污染物，在運行中釋放.后續(xù)研究中采取了措施，控制材料在空氣中暴露的時間并進行烘烤[34].

3 待發(fā)射的機械式制冷機

3.1 應(yīng)用項目簡介

3.1.1 Astro-H項目及其低溫系統(tǒng) Astro-H（曾被命名為NEXT）是日本的第6顆X射線衛(wèi)星，用于觀測太空中的X射線源.Astro-H主要由JAXA 和NASA開發(fā)，ESA也參與其中，計劃于2015年由JAXA發(fā)射.Astro-H是SUZAKU的繼承者，主要的科學儀器，軟X射線光譜儀（soft X-ray spectrometer，SXS）由ADR冷至50 m K，溫度波動小于2μK.ADR由NASA開發(fā)，以液氦溫區(qū)作為熱沉.

圖10 Astro-H低溫系統(tǒng)Fig.10 Astro-H cryogenic system

如圖10所示為Astro-H的低溫系統(tǒng)，圖10（a）為剖面圖，圖10（b）為示意圖.為了將30 L超流氦的壽命延長至3 a，要將超流氦杜瓦的漏熱減少至1 mW[28，35-36].系統(tǒng)包括兩級斯特林制冷機和預冷型的4 K級J-T制冷機，兩級斯特林制冷機分別冷卻OVCS和IVCS；J-T制冷機將J-T屏冷至4.5 K，預冷J-T循環(huán)的是另外2臺兩級斯特林制冷機.冷卻VCS和預冷J-T循環(huán)均采用2臺斯特林制冷機是為了提高可靠性，正常條件下斯特林制冷機輸入50 W運行，若一臺失效，另一臺輸入90 W滿載運行.有超流氦時，兩級ADR以超流氦為熱沉，獲得50 mK；超流氦耗盡后，啟動第3級ADR，以機械式制冷機直接作為熱沉，ADR能夠達到50 mK[25，28，34，37-39].有超流氦時，4 K級熱負荷為9 mW，超流氦耗盡后為22 mW.2009年之前的方案是1 K級3He J-T制冷機預冷兩級ADR，后來改為4 K級4He J-T制冷機預冷三級ADR.該改進有利于在液氦耗盡后減小探測器的溫度波動[27].

3.1.2 SPICA項目及其低溫系統(tǒng) 宇宙學與天體物理空間紅外望遠鏡（space infrared telescope for cosmology and astrophysics，SPICA）是AKARI的繼承者，在中紅外和遠紅外波段（5～200μm）進行高靈敏度觀測.主要任務(wù)包括探索宇宙中恒星形成的歷史，探索AGN（宇宙中重要的能量釋放機理）的產(chǎn)生與演化，探索行星系統(tǒng)的形成與發(fā)展并發(fā)現(xiàn)新的星體[40-41].SPICA曾被稱為HII/L2項目，由HIIA火箭發(fā)射至第二拉格朗日點（sun-earth second Lagrangian point，L2），該位置可以實現(xiàn)有效的輻射冷卻[42].SPICA由JAXA主導，最初計劃于2010年發(fā)射，后來因為資金和技術(shù)原因推遲至2020年[43].SPICA是一個國際合作項目，ESA在望遠鏡組件、衛(wèi)星地面站以及遠紅外設(shè)備等多個方面提供支持[44-45].

SPICA的低溫系統(tǒng)如圖11所示，圖11（a）、（b）分別為剖面圖和軸測圖，圖11（c）為熱負荷的冷卻鏈，圖11（d）為根據(jù)上述信息整理所得的示意圖，擋板、望遠鏡外殼、三層輻射屏以及太陽輻射屏屏蔽空間輻射，光學設(shè)備由制冷機直接冷卻.科學設(shè)備組件（scientific instrument assembly，SIA）包括科學望遠鏡組件（scientific telescope assembly，STA）、望遠鏡光線工作臺（telescope optical bench，TOB）、設(shè)備光學工作臺（instrument optical bench，IOB）以及焦平面設(shè)備（focal plane instruments，F(xiàn)PIs）.為了將SIA冷至6 K以下，將其與4 K級J-T制冷機的冷頭熱連接.制冷機在項目的整個壽命周期（3～5a）內(nèi)，要在4K級提供40mW冷量[46].遠紅外光譜成像儀（SPICA far infrared imaging spectrometer，SAFARI）中的超導探測器要被冷至50mK，50mK由ADR從300 m K獲得，而300mK由3He吸收式制冷機（sorption refrigerator，SR）從1.7K獲得，1.7K由1 K級J-T制冷機提供[47].機械式制冷機采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)，布置2臺4K級J-T制冷機和2臺1K級J-T制冷機，J-T制冷機各配置3臺兩級斯特林制冷機提供預冷，若1臺兩級斯特林制冷機失效，系統(tǒng)也能正常運行[43，48-49].

圖11 SPICA低溫系統(tǒng)Fig.11 SPICA cryogenic system

3.2 兩級斯特林制冷機

Astro-H和SPICA的兩級斯特林制冷機繼承自AKARI，項目對制冷機提出了更高的要求：1）制冷機最低壽命為3 a，目標壽命為5 a；2）20 K冷量為0.2 W；3）更低的機械振動[26].JAXA和住友重工對斯特林制冷機結(jié)構(gòu)的改進見表1，改進后的冷頭如圖12所示.排出器采用板彈簧支撐，降低了磨損，這在長期運行中效果顯著.

為了達到航天要求，JAXA和住友研制了多臺樣機，如表3所示.表中，TC1、TC2分別為無負荷和加負荷制冷溫度，pw為工作壓力，Te為環(huán)境溫度.2010年研制的工程樣機（EM）環(huán)境溫度從203 K到303 K變化，303 K時工作壓力為1.4 MPa，環(huán)境降到203 K時，工作壓力降為1.0 MPa[26].環(huán)境溫度影響制冷量和制冷機的最佳運行狀態(tài).2012年的工程樣機（EM）與2010年相比有所提升，如圖13所示為性能曲線.計算整機FOM采用上文的方法，將100 K級制冷量按卡諾效率換算到20 K級，然后計算20 K級的FOM.為了確保經(jīng)過發(fā)射的振動后制冷機還能正常運行，進行了機械振動測試，分別加載高沖擊、隨機振動以及正弦波載荷，振動測試后制冷機性能沒有惡化[28].

圖12 改進后冷頭的結(jié)構(gòu)圖［25］Fig.12 Schematic drawing of upgraded cold head

圖13 改進后兩級斯特林制冷機性能［28］Fig.13 Cooling performance of upgraded two-stage Stirling cooler

3.3 4 K級J-T制冷機

為了滿足Astro-H和SPICA的需求，JAXA和住友改進了SMILES的4 K級J-T制冷機，要求如下：1）制冷機最低壽命為3 a，目標壽命為5 a；2）在整個壽命周期內(nèi)，4 K級冷量為40 m W；3）最大輸入功為90 W[16，26，28].如圖14所示為實物圖.

表3 改進后的兩級斯特林制冷機Tab.3 Upgraded two-stage Stirling cooler

表4 改進的4 K級J-T制冷機Tab.4 Upgraded 4 K-class cooler

表4列出了研制的樣機，都采用改進的兩級斯特林制冷機.表中，QC-4K為4 K級制冷量.表4給出的是4 K級的名義制冷量，包括凈制冷量和漏熱損失，與SMILES的名義制冷量相比提升明顯，這是由于循環(huán)的質(zhì)量流量增大.與SMILES不同，預冷J-T制冷機無需在20 K級和100 K級為冷屏提供冷量，僅有4 K級的制冷量.

圖14 4 K級J-T制冷機實物圖Fig.14 Pictures of 4 K-class J-T cooler

2008年研制的工程樣機（EM）采用一臺兩級斯特林制冷機預冷，改進了套管式換熱器和J-T級壓縮機[50].高壓側(cè)壓力為1.999 MPa，F(xiàn)OM是已報道樣機中最高的，但在后續(xù)的研究中沒有采用此高壓，J-T循環(huán)采用兩級線性壓縮機，在空間運行中很難保證提供如此大的壓比[2，51-52].

2012年工程樣機（EM）的結(jié)構(gòu)如圖15所示，采用2臺斯特林制冷機預冷，結(jié)構(gòu)改進的詳細介紹見表1.如圖16所示為改進后壓縮機的結(jié)構(gòu)圖，活塞用板彈簧支撐.如圖17所示為斯特林制冷機的輸入功分別為50和90 W時的性能測試曲線，制冷溫度保持為4.5 K.圖中，Pin為J-T壓縮機輸入功，QC為制冷量.表4給出了制冷機的運行參數(shù)[28].

3.41 K級J-T制冷機

SPICA對1K級J-T制冷機的要求如下：1）最低壽命為3 a，目標壽命為5 a；2）1.7 K的冷量為10 mW；3）最大輸入功為90 W[17].1K級J-T制冷機在SMILES 4 K級J-T制冷機的基礎(chǔ)上改進，循環(huán)流程類似，為了獲取更低溫度，以3He為工質(zhì)[29].

圖15 Astro-H的4 K級J-T制冷機系統(tǒng)［28］Fig.15 4 K-class J-T cooler system for Astro-H

圖16 改進后4 K級J-T級壓縮機的結(jié)構(gòu)圖［53］Fig.16 Schematic drawing of upgraded 4 K-class J-T compressor

圖17 改進后4 K級J-T制冷機的性能［28］Fig.17 Cooling performance of upgraded 4 K-class J-T cooler

1K級J-T制冷機的技術(shù)難度大：3He1.7 K的飽和壓力為11k Pa，由于間壁式換熱器低壓側(cè)的壓力損失，返回壓縮機的壓力約為8k Pa，壓縮機排氣壓力為0.7 MPa，壓比高達87.5，需要四級壓縮，壓縮機系統(tǒng)的可靠性很難保證；低壓側(cè)的允許壓力損失小于3k Pa，第一級換熱器工作在高溫下，低壓高溫氣體密度小，流速大，減小壓力損失很有難度.根據(jù)1K級的冷量要求可知，J-T循環(huán)流量為1mg/s數(shù)量級，使換熱器和閥的設(shè)計難度加大[29].

表5列出了不斷改進的樣機，給出的是除去漏熱后的凈制冷量[11，17，40-41].2004年研制實驗樣機（BBM）的結(jié)構(gòu)介紹見表1.如圖18所示為壓縮機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，兩個單元串聯(lián)，每單元內(nèi)兩組活塞連桿機構(gòu)對置，動圈式線性電機驅(qū)動，隔膜彈簧支撐.性能測試中斯特林制冷機的兩級冷頭無熱負荷，降溫過程持續(xù)了30～40 h，1 K級的無負荷制冷溫度為1.44 K.表5給出在1.68 K獲得最大制冷量12 mW時的主要運行參數(shù).三級換熱器的效率分別為98％、94％和98％，低壓流體流經(jīng)換熱器的壓力損失為2.2kPa[29].

2008年的樣機在2004年的基礎(chǔ)上改進.表5給出主要的運行參數(shù)，由于采用改進的兩級斯特林制冷機，兩級預冷溫度下降，制冷機性能提升[26，54].表中，QC-1K為1 K級制冷量，Qpr1、Qpr2分別為第1、2級預冷量.

圖181 K級J-T級壓縮機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖［29］Fig.18 Schematics of1 K-class J-T compressor system

表6總結(jié)了近30年日本空間液氦溫區(qū)低溫技術(shù)的發(fā)展歷程.表中，TC為制冷溫度，t為壽命，HeⅡD表示超流氦杜瓦（HeⅡDewar），Ne D表示固氖杜瓦（solid Ne Dewar），1ST表示單級斯特林制冷機（single stage Stirling cooler，1ST），2ST表示兩級斯特林制冷機（two stage Stirling cooler），J-T表示焦-湯節(jié)流制冷機（Joule-Thomson cooler），ADR表示絕熱去磁制冷機（adiabatic demagnetization refrigerator）.

表51 K級J-T制冷機Tab.51 K-class J-T cooler

表6 日本采用液氦溫區(qū)低溫技術(shù)的太空望遠鏡Tab.6 Space telescope with liquid helium temperature cryogenic technology in Japan

4 結(jié) 論

（1）日本的空間液氦溫區(qū)低溫技術(shù)經(jīng)歷了超流氦杜瓦（濕法）、斯特林制冷機冷卻超流氦杜瓦（半干半濕法）、兩級斯特林制冷機預冷J-T制冷機（干法）的發(fā)展歷程.隨著運動部件的支撐與密封、工質(zhì)的純化、制冷機布置等風險降低技術(shù)的不斷進步，機械式制冷機的應(yīng)用日趨成熟.杜瓦可靠性高，應(yīng)用成熟，依然有存在的價值.即將發(fā)射的Astro-H保留了超流氦杜瓦，杜瓦在項目的第一階段作為ADR的熱沉，即使機械式制冷機出現(xiàn)故障，項目也能正常運行一段時間.在技術(shù)儲備的過程中，一方面要積極開發(fā)新技術(shù)，另一方面成熟技術(shù)也應(yīng)該得到保留.制冷機方案滿足了大多數(shù)空間項目對質(zhì)量和壽命的要求，但對于短期項目，強調(diào)穩(wěn)定可靠的項目，選用杜瓦方案仍有較大的優(yōu)勢.

（2）空間任務(wù)從項目啟動到發(fā)射升空是一個漫長的過程，4 K級J-T制冷機的研制開始于1993 年，經(jīng)歷了2009年SMILES的驗證性發(fā)射，最早2020年才應(yīng)用于SPICA.在此期間，住友重工和JAXA研制了多臺樣機，在地面反復測試，不斷提高制冷機的性能和技術(shù)成熟度.當制冷機在空間運行后，根據(jù)運行狀況提出改進措施，并結(jié)合下一次空間任務(wù)的需求研制新的制冷機.空間項目可能失敗，SUZAKU低溫系統(tǒng)的失效并沒有讓日本放棄空間低溫技術(shù)，而是更加重視降低風險，在項目規(guī)劃上更加謹慎.SMILES除自身的科學任務(wù)外，還要在技術(shù)上驗證液氦溫區(qū)機械式制冷機用于空間的可行性，Astro-H和SPICA中引入了“開一備一”的并聯(lián)式結(jié)構(gòu).

（3）為了降低單一制冷機失效使整個項目失敗的風險，Astro-H和SPICA的低溫系統(tǒng)采用并聯(lián)布置，但增加制冷機數(shù)量犧牲了機械式制冷機質(zhì)量輕的優(yōu)勢.AKARI和SMILES制冷機的長期運行受到工質(zhì)中污染物的限制，無污染的黏接材料和新型加工工藝將成為未來的研究重點.其他降低風險的技術(shù)包括熱負荷控制、機械熱開關(guān)（一種熱隔離技術(shù)）、材料低溫下物性的準確測試等[55].住友和JAXA正在這些方面積極開展工作[43，53]，力爭在保證可靠性的前提下減少制冷機數(shù)量.從長遠來看，低溫系統(tǒng)的可靠性應(yīng)該依賴提高制冷機自身的技術(shù)成熟度，復雜的布置方式只能是過渡方案.

（4）美國的空間液氦溫區(qū)低溫技術(shù)采用多種方案并行，相互競爭獲得最佳方案的發(fā)展路線[3].作為后發(fā)國家（相對于美國而言），日本專注于一項技術(shù)并不斷完善，早期吸收美國超流氦杜瓦的經(jīng)驗[10]，再結(jié)合自己的經(jīng)驗進行技術(shù)儲備，用一臺不斷發(fā)展的低溫制冷機滿足不同項目的需求，逐步取得世界領(lǐng)先的斯特林制冷機冷卻J-T制冷機技術(shù).美國和日本都選用了預冷型J-T制冷機，美國選用脈管制冷機預冷[3]，而日本選用斯特林制冷機.日本從1991年開始研制兩級斯特林制冷機[20]，有多臺空間成功應(yīng)用的經(jīng)驗.我國在這一領(lǐng)域與發(fā)達國家還存在差距，發(fā)展相關(guān)技術(shù)要盡早布局，參考發(fā)達國家的經(jīng)驗少走彎路，在多種可行的方案中結(jié)合自己的技術(shù)現(xiàn)狀作出選擇.

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Development status of space cryogenic technology at liquid helium temperature in Japan

GAN Zhi-hua1，2，TAO Xuan1，2，LIU Dong-li1，2，SUN Xiao1，2，YAN Chun-jie3

（1.Institute of Refrigeration and Cryogenics，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；2.Key Laboratory of Refrigeration and Cryogenic Technology of Zhejiang Province，Zhejiang University，Hangzhou 310027，China；3.State Key Laboratory of Vacuum Cryogenic Technology and Physics，Institute of Lanzhou Physics，Lanzhou 730000，China）

The development history of cryogenic system at liquid helium temperature utilized in Japan space detector was introduced.There are three stages：superfluid helium dewar（wet system），superfluid helium dewar cooled by Stirling cooler（system of both dry and wet），Joule-Thomson cooler cooled by Stirling cooler（dry system）.The performance and reliability of coolers steadily improves with continually improvement.Japan depends on a series of space missions，orients the direction of following projects using the early experiences，and makes progresses when solving problems，which is instructive for our country when developing related technology.

liquid helium temperature；Stirling cooler；Joule-Thomson cooler；space detector

TK1

A

1008-973X（2015）10-1821-15

2015-04-16.浙江大學學報（工學版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn/eng

國家自然科學基金資助項目（51176165）；高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20130101110098）；真空低溫技術(shù)與物理國家級重點實驗室開放基金資助項目.

甘智華（1973—），男，教授，博導，從事液氦溫區(qū)低溫制冷技術(shù)的研究.ORCID：0000-0003-4112-6745.E-mail：gan-zhihua@zju.edu.cn通信聯(lián)系人：閆春杰，男，研究員.ORCID：0000-0002-6810-7539.E-mail：chj-yan@163.com