小型斯特林制冷機(jī)的航空應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

孫 皓，陳曉屏，喬 勇

小型斯特林制冷機(jī)的航空應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)

孫 皓，陳曉屏，喬 勇

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介紹了國(guó)外軍用航空器搭載的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外對(duì)抗系統(tǒng)、導(dǎo)彈及對(duì)應(yīng)的制冷機(jī)匹配情況。對(duì)目前國(guó)外空軍使用的在產(chǎn)或在研的各種整體集成式斯特林制冷機(jī)、線性斯特林制冷機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，指出制冷機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性與可靠性是制冷機(jī)最重要的發(fā)展特點(diǎn)。

機(jī)載紅外系統(tǒng)；斯特林制冷機(jī)；整體集成；線性制冷機(jī)

0 引言

雖然低溫制冷機(jī)在軍用方面有很多應(yīng)用，但最主要的應(yīng)用是冷卻紅外熱像儀的焦平面陣列。從1964年德州儀器公司（Texas Instruments）制造的第一臺(tái)真正的FLIR，由氦冷卻的180元紅外探測(cè)器開始[1]，到目前第三代FLIR吊艙系統(tǒng)，如雷聲公司（Raytheon）ATFLIR吊艙使用斯特林制冷機(jī)的AE197銻化銦焦平面探測(cè)器[2]，軍用航空低溫制冷經(jīng)歷了深刻的發(fā)展演變，在性能、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面有巨大的提升。

1 斯特林制冷機(jī)在航空領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

在軍用航空系統(tǒng)中，斯特林制冷機(jī)主要是滿足導(dǎo)航、目標(biāo)定位、導(dǎo)彈告警、紅外導(dǎo)彈等多種紅外應(yīng)用的冷卻需要，演變產(chǎn)生出各型適合空軍應(yīng)用的斯特林制冷機(jī)。表1列舉部分典型的國(guó)外空軍應(yīng)用斯特林制冷機(jī)。大部分軍用航空制冷機(jī)是分置結(jié)構(gòu)，主要由美軍裝備，在SADA體系下大量采用線性制冷機(jī)。但隨著其他國(guó)家機(jī)載紅外系統(tǒng)的發(fā)展，采用高可靠旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)的軍用航空制冷機(jī)體系也逐步形成，不再局限于SADA的體系，旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)尺寸小、效率高，以RICOR制冷機(jī)在機(jī)載導(dǎo)彈告警系統(tǒng)上的應(yīng)用為典型代表。

1.1 搜索跟蹤和目標(biāo)定位

FLIR是先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)重要的傳感器部件，是構(gòu)成機(jī)載紅外搜索與跟蹤（IRST）系統(tǒng)、目標(biāo)定位瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的重要組成部分。早期的紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)往往只是些具備簡(jiǎn)單的目標(biāo)指示或跟蹤處理能力的前視紅外攝像機(jī)，新型IRST采用大面陣的紅外探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)全方位、寬視場(chǎng)搜索和跟蹤、導(dǎo)航、目標(biāo)定位等功能[3]。這一類機(jī)載FLIR大量選配線性分置式斯特林制冷機(jī)，如美軍配備的3種吊艙，雷聲公司ATRLIR吊艙選配7055制冷機(jī)[3]，洛克希德-馬丁公司Sinper“狙擊手”吊艙選配LC1047，諾思羅普-格魯曼公司LITENING“蘭亭”吊艙選配LC1056和LC1062，以及F-35大規(guī)模焦平面多路紅外系統(tǒng)選配LC1061[4]。F-35搭載諾思羅普-格魯曼公司光電分布式孔徑系統(tǒng)（EODAS）、洛克希德-馬丁公司的光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（EOTS）。EODAS是一個(gè)采用6個(gè)紅外凝視型焦平面陣列傳感器的分布式孔徑系統(tǒng)，EOTS則是一個(gè)高性能的、輕型多功能系統(tǒng)，包括1個(gè)第三代凝視型前視紅外（FLIR）系統(tǒng)[5]。

表1 外軍航空軍用斯特林制冷機(jī)一覽

第三代機(jī)載FLIR，采用集成杜瓦設(shè)計(jì)結(jié)合高效的制冷機(jī)。美國(guó)雷聲公司與夜視和電子傳感器委員會(huì)合作開發(fā)的FLIR，具有一個(gè)小型線性壓縮機(jī)及9.1mm直徑的冷指。制冷機(jī)平均壽命大于10000h；在環(huán)境溫度為23℃，制冷機(jī)穩(wěn)定工作于77K時(shí)，輸出的制冷量大于1.5W，制冷機(jī)在10min以內(nèi)可制冷至77 K；在環(huán)境溫度為71℃，制冷機(jī)穩(wěn)定工作于77K時(shí)，輸出的制冷量大于1W，制冷機(jī)在15min以內(nèi)制冷至77K[6]。

1.2 紅外對(duì)抗系統(tǒng)

紅外制導(dǎo)的空空和地空導(dǎo)彈對(duì)戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)構(gòu)成了最大的威脅，特別是對(duì)低空、慢速飛行的直升機(jī)和具有明顯紅外信號(hào)的大飛機(jī)。在“沙漠風(fēng)暴”行動(dòng)中，至少20架美軍飛機(jī)被紅外導(dǎo)彈擊落[7]。在現(xiàn)代沖突中，大致90%的飛機(jī)損失是紅外導(dǎo)彈造成的[8]。隨著先進(jìn)紅外凝視陣列導(dǎo)引頭的出現(xiàn)，紅外對(duì)抗系統(tǒng)的需求變得尤為迫切。紅外對(duì)抗系統(tǒng)包括導(dǎo)彈告警傳感器、控制裝置、干擾裝置。導(dǎo)彈告警常用的有紫外、紅外傳感器，干擾裝置有箔條/火焰干擾機(jī)和定向能（弧光燈、激光）干擾機(jī)。在紅外對(duì)抗系統(tǒng)中，斯特林制冷機(jī)用于冷卻紅外傳感器和激光發(fā)生器[9]。

美軍一直在進(jìn)行紅外對(duì)抗系統(tǒng)的研發(fā)工作，主要研發(fā)四大紅外對(duì)抗系統(tǒng)：ATIRCM（先進(jìn)威脅紅外對(duì)抗）系統(tǒng)、DIRCM（定向紅外對(duì)抗）系統(tǒng)、LAIRCM（大型飛機(jī)紅外對(duì)抗）系統(tǒng)、TADIRCM（戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)定向紅外對(duì)抗）系統(tǒng)[10]。ATIRCM主要供美國(guó)陸軍直升機(jī)用，采用紫外告警和激光干擾；DIRCM供直升機(jī)和較大型飛機(jī)，采用諾格公司AAR-54紫外告警器和激光干擾；LAIRCM用于有強(qiáng)烈紅外特征的多發(fā)動(dòng)機(jī)大飛機(jī)，將采用紅外傳感器替代紫外告警系統(tǒng)，定向激光器干擾；TADIRCM針對(duì)作戰(zhàn)飛機(jī)F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”，采用ATK公司AN/AAR-47雙色中波256×256紅外焦平面探測(cè)器，工作在140K，DRS公司0.15W線性分置斯特林制冷機(jī)提供冷卻。雖然美軍的導(dǎo)彈告警系統(tǒng)中也用紫外告警，但凝視型紅外告警系統(tǒng)作用距離更遠(yuǎn)，能較好地抑制雜亂回波，而且能工作在不同的波長(zhǎng)，使虛警率降到最低。雷聲公司的PAWS-2導(dǎo)彈告警系統(tǒng)就是采用每機(jī)6個(gè)紅外告警器提供全方位覆蓋，成功的應(yīng)用于F-16戰(zhàn)斗機(jī)，PAWS-2紅外探測(cè)器采用7062制冷機(jī)提供冷卻[2]。以色列SCD公司推出的機(jī)載導(dǎo)彈告警系統(tǒng)探測(cè)器采用高可靠性的旋轉(zhuǎn)整體式制冷機(jī)[11]，耐受極端高溫的能力強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)獲得功耗低、體積小的優(yōu)勢(shì)。

1.3 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈利用紅外探測(cè)器捕獲輻射能量并進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)自主尋的，是紅外技術(shù)的重要軍事應(yīng)用之一。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的發(fā)展可分為兩大階段：第一階段為熱點(diǎn)式制導(dǎo)導(dǎo)彈（點(diǎn)源尋的制導(dǎo)導(dǎo)彈）；第二階段為熱成像式制導(dǎo)導(dǎo)彈，其中又分為兩代，第一代紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈采用多元線列探測(cè)器和旋轉(zhuǎn)光機(jī)掃描器相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)空間二維圖像的讀出，第二代紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈采用掃描或凝視紅外焦平面器件（目前長(zhǎng)波64×64元、128×128元和中波256×256元、320×240元紅外焦平面探測(cè)器件以及4N掃描焦平面器件已經(jīng)達(dá)到實(shí)用水平），采用了復(fù)雜背景下目標(biāo)識(shí)別技術(shù)[12]。

熱點(diǎn)式制導(dǎo)導(dǎo)彈和第一代紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈全部采用節(jié)流制冷器提供冷量，彈載節(jié)流重量輕、啟動(dòng)快、工作持續(xù)時(shí)間短。而第二代紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈開始采用斯特林制冷機(jī)冷卻。著名的AIM-9X紅外導(dǎo)彈，冷量依靠雷聲7052分置線性斯特林制冷機(jī)提供[2]。AIM-9X采用128×128元中波凝視紅外成像導(dǎo)引頭，除了具有精確的制導(dǎo)能力外，還能與國(guó)際視覺(jué)系統(tǒng)公司的聯(lián)合頭盔指示系統(tǒng)（JHMCS）聯(lián)用，在導(dǎo)彈發(fā)射前為飛行員提供有用的成像信息作態(tài)勢(shì)感知用，因此制冷機(jī)要求有持續(xù)的工作能力以及足夠長(zhǎng)的壽命。

1.4 無(wú)人機(jī)

無(wú)人機(jī)對(duì)于載荷有嚴(yán)格的重量和功耗要求，尤其是微型低海拔無(wú)人機(jī)，重量影響到飛行性能[13]。整體旋轉(zhuǎn)式斯特林以其結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、功耗小也成為無(wú)人機(jī)應(yīng)用的重要選擇。Ricor公司開發(fā)的K562S制冷機(jī)，重量?jī)H185g，MTTF＞5000h，結(jié)合工作溫度在110K左右的焦平面探測(cè)器可以滿足小型便攜無(wú)人機(jī)的要求，以高性能制冷型紅外探測(cè)器取代非制冷紅外熱像。Ricor公司的高效率輕量化單電機(jī)線性分置制冷機(jī)化K527，重量270g，重量和效率高于SADAIIIA指標(biāo)，已經(jīng)成功用于Controp公司的無(wú)人機(jī)光電轉(zhuǎn)塔D-STAMP，安裝在赫爾墨斯系列無(wú)人機(jī)使用[14]。大型無(wú)人機(jī)載荷能力稍大，可以搭載質(zhì)量更大的制冷機(jī)供更高性能紅外熱像儀用。美軍全球鷹無(wú)人機(jī)選用Raytheon公司7055制冷機(jī)冷卻AE197中波640×512 InSb探測(cè)器，構(gòu)建高性能FLIR[2]。Thales公司正計(jì)劃為無(wú)人機(jī)和其它類型的監(jiān)視飛機(jī)開發(fā)一種雙光譜熱成像攝像機(jī)，該雙光譜傳感器基于現(xiàn)有的Catherine熱成像火控系統(tǒng)生產(chǎn)系列改進(jìn)而來(lái)，命名為Catherine XP的首部雙光譜傳感器原型機(jī)已于2007年3月完成[15]，采用0.7W級(jí)集成整體式RM4-7i冷卻Catherine XP量子阱探測(cè)器[16]。

2 空軍用斯特林制冷機(jī)特點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 軍用航空斯特林制冷機(jī)特點(diǎn)

為滿足軍用航空載荷工作條件的各種適應(yīng)性限制，軍用航空斯特林制冷機(jī)與普通軍用斯特林制冷機(jī)相比有更為嚴(yán)格的性能要求。軍用航空斯特林制冷機(jī)特點(diǎn)總結(jié)如下。

2.1.1 環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)

軍用飛機(jī)具有明顯的正弦振動(dòng)和隨機(jī)振動(dòng)特征、受到攻擊或發(fā)射武器時(shí)具有強(qiáng)烈的沖擊。以RICOR為例，要求機(jī)載應(yīng)用的制冷機(jī)達(dá)到兩個(gè)級(jí)別的環(huán)境適應(yīng)性，如圖1[11]所示，一級(jí)是環(huán)境溫度85℃、隨機(jī)振動(dòng)10rms，二級(jí)是環(huán)境溫度110℃、沖擊300。而應(yīng)用于紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈需要抗大過(guò)載的環(huán)境適應(yīng)能力，如AIM-9X導(dǎo)彈采用矢量推力發(fā)動(dòng)機(jī)，機(jī)動(dòng)力強(qiáng)，產(chǎn)生很高的過(guò)載。

圖1 RICOR制冷機(jī)發(fā)展路線和環(huán)境適應(yīng)性分級(jí)

2.1.2 效率高性能優(yōu)異

越來(lái)越多的紅外熱像采用大規(guī)模焦平面探測(cè)器，需要的制冷量也隨之增大。諾格公司Litening（“蘭亭”目標(biāo)定位吊艙）AN/AAQ-28早期曾采用雷聲AE194中波256×256焦平面探測(cè)器[2]，現(xiàn)在已經(jīng)采用中波640×512和1024×1024探測(cè)器。高性能低功耗的制冷機(jī)需求變得迫切，以滿足日益增長(zhǎng)的紅外探測(cè)器冷卻需要。Cobham公司研發(fā)了高效的LC1062取代LC1056，兩者外形尺寸、重量一致的情況下，LC1062比LC1056有20%的性能提升；LC1061定位為輕量化1W制冷機(jī)，擁有SADAII 0.514in冷指，但是重量3.1lb比SADAII制冷機(jī)LC1047輕了1.1lb；為第三代FLIR開發(fā)的LC1065更是冷量達(dá)到1.5W，達(dá)到SADAI制冷機(jī)性能的水平，但重量?jī)H2.5lb。制冷機(jī)性能的提升不單依靠新型永磁材料等材料升級(jí)措施；結(jié)構(gòu)上也有新的進(jìn)展，新型階梯軸膨脹機(jī)[17]有助制冷機(jī)性能提高，其原理是聲功回收。

2.1.3 冷指尺寸多樣

SADA體系是美軍在紅外技術(shù)發(fā)展前期通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)以降低風(fēng)險(xiǎn)和控制成本的措施。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，成本已得到良好控制，SADA體系受到?jīng)_擊，冷指已變得豐富。Cobham公司制冷機(jī)供第三代前視紅外系統(tǒng)用的超高性能制冷機(jī)LC1065采用0.373in冷指，不符合SADA系列的任何一款冷指尺寸；Raytheon公司開發(fā)的7055采用的是0.253in冷指，也不符合SADA的尺寸。RICOR論述了發(fā)展9mm冷指和7.6mm冷指的目的是通過(guò)更強(qiáng)壯的冷指提高探測(cè)器組件的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性?？梢钥吹?，冷指尺寸是在制冷機(jī)性能提升的基礎(chǔ)上結(jié)合環(huán)境適應(yīng)性要求而決定的。

2.2 軍用斯特林制冷機(jī)發(fā)展趨勢(shì)

隨著紅外探測(cè)器在空軍裝備應(yīng)用的深入，空軍用斯特林制冷機(jī)形成了自身的發(fā)展特點(diǎn)。

1）輕量化，高效率。小尺寸、大冷量、低功耗一直是制冷機(jī)發(fā)展的方向。為降低重量指標(biāo)，需研制高效電機(jī)，開發(fā)緊湊而高效的電機(jī)縮減尺寸，采用新材料減輕質(zhì)量。

2）強(qiáng)調(diào)環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)于艦載戰(zhàn)斗機(jī)，高溫工作環(huán)境溫度可能短時(shí)間突破71℃，降落攔阻沖擊達(dá)到300[11]，這對(duì)于長(zhǎng)壽命的線性制冷機(jī)也是極其嚴(yán)酷的，尤其是高溫下線性制冷機(jī)性能衰減很快?？昭b制冷機(jī)的應(yīng)用涉及比陸裝更為嚴(yán)酷的環(huán)境。

3）提高可靠性。技術(shù)的進(jìn)步將線性制冷機(jī)的MTTF提高到20000h以上，旋轉(zhuǎn)整體式制冷機(jī)的MTTF達(dá)到10000h[18]。

2.3 軍用斯特林制冷機(jī)的技術(shù)進(jìn)展

2.3.1 增強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性的技術(shù)途徑

改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。對(duì)于膜片彈簧支撐的線性制冷機(jī)，膜片彈簧的高徑向剛度形成有效的支撐，配合活塞氣缸的合適間隙，具有較強(qiáng)的振動(dòng)環(huán)境適應(yīng)性。對(duì)于整體式旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)，不過(guò)分追求制冷機(jī)的輕量化，K508N通過(guò)對(duì)K508的壓緊法蘭和曲軸箱結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)提高了振動(dòng)環(huán)境的適應(yīng)性，如圖2[19]，預(yù)期K508N的MTTF超過(guò)K508達(dá)到20000h。

圖2 K508N和K508對(duì)比

優(yōu)化熱力學(xué)、改進(jìn)熱管理，提高溫度環(huán)境適應(yīng)性。旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)的熱力學(xué)效率可以通過(guò)提高充壓、提高壓比獲得，所以更容易獲得高溫環(huán)境下的制冷性能，RICOR的高充壓壓縮機(jī)K548、K543就能在85℃溫度工作，最新的K544（見圖3）由于采用綜合熱管理技術(shù)，工作溫度高達(dá)102℃。線性制冷機(jī)是彈簧振子系統(tǒng)，氣體充當(dāng)了振子系統(tǒng)里的一個(gè)彈簧，充氣壓力與機(jī)械設(shè)計(jì)難以解耦，因此線性制冷機(jī)在常溫和高溫下的性能較難兼顧，目前鮮有71℃以上的線性斯特林制冷機(jī)。

2.3.2 提高可靠性的技術(shù)途徑

斯特林制冷機(jī)可靠性問(wèn)題的一個(gè)主要方面是磨損，消除或減緩磨損可以提高制冷機(jī)可靠性。線性制冷機(jī)依靠膜片彈簧的支撐體系，實(shí)現(xiàn)了理論上的無(wú)接觸結(jié)構(gòu)，極大提升了線性制冷機(jī)的可靠性；加之耐磨工程材料技術(shù)迅速發(fā)展，涂覆高分子耐磨層進(jìn)一步保護(hù)了活塞、提高線性制冷機(jī)可靠性[20-21]。旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)也有無(wú)接觸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，席有民[22]借助滾珠花鍵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)活塞的支撐與運(yùn)動(dòng)傳遞，保持活塞與氣缸之間的無(wú)接觸式間隙密封以提高活塞耐磨水平。旋轉(zhuǎn)制冷機(jī)活塞耐磨技術(shù)是依靠鍍層對(duì)活塞實(shí)施保護(hù)。DLC和TiN硬質(zhì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)致密，硬度高、摩擦系數(shù)低，可以較好地保護(hù)活塞，提高耐磨壽命。

3 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)軍用斯特林制冷機(jī)研制處于跟蹤模仿國(guó)外產(chǎn)品的階段，還在做建立產(chǎn)品體系的工作，并逐步建立起工程化生產(chǎn)制冷機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)和工藝能力。而國(guó)外的軍用制冷機(jī)研發(fā)開始打破原有體系，著重解決全新應(yīng)用面臨的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性與輕量化的技術(shù)要求，立足大系統(tǒng)的可用性，并不局限于原有體系。這對(duì)于我國(guó)軍用制冷技術(shù)研發(fā)的借鑒意義是：不能只滿足于對(duì)國(guó)外產(chǎn)品的跟蹤，應(yīng)結(jié)合光電系統(tǒng)和平臺(tái)系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)國(guó)內(nèi)紅外應(yīng)用系統(tǒng)的情況發(fā)展具有自身特色的制冷技術(shù)與產(chǎn)品。

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A Review of Micro Stirling Cooler for Aero

SUN Hao，CHEN Xiao-ping，QIAO Yong

(,650223,)

Application of Stirling Coolers employed in IRST and IRCM mounted on the military aircraft including missile is presented. This paper induces the characteristics of those cooler involving integral Stirling cooler and linear Stirling cooler, and points out survival in harsh environment and reliability are important capabilities of Stirling cooler.

airborne IR，Stirling cooler，integral cooler，linear cooler

TN2，TB6

A

1001-8891(2015)11-0906-05

2015-05-18；

2015-08-03.

孫皓（1979-），博士，高級(jí)工程師，主要研究小型低溫制冷機(jī)。