“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)脈沖管制冷機(jī)

蔡京輝 趙密廣 洪國(guó)同

（中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)脈沖管制冷機(jī)

蔡京輝 趙密廣 洪國(guó)同

（中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，北京 100190）

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)采用國(guó)產(chǎn)長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)冷卻紅外焦平面探測(cè)器，是中國(guó)長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)首次在軌業(yè)務(wù)應(yīng)用。文章介紹了該長(zhǎng)壽命脈沖管制冷機(jī)的特點(diǎn)、主要技術(shù)指標(biāo)、可靠性控制措施，同時(shí)介紹了中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所基于“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)脈沖管制冷機(jī)研制的新一代脈沖管制冷機(jī)的情況。“高分四號(hào)”衛(wèi)星上的脈沖管制冷機(jī)采用理化所獨(dú)立研制的高效率壓縮機(jī)。該壓縮機(jī)采用永磁電機(jī)動(dòng)圈結(jié)構(gòu)、板彈簧支撐，電機(jī)中永磁場(chǎng)最高磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1.1T。脈沖管冷指采用同軸布置。整機(jī)制冷性能為3W/80K，最大輸入功率小于80W，整機(jī)質(zhì)量小于6kg。脈沖管制冷機(jī)已在軌連續(xù)開(kāi)機(jī)超過(guò)半年，性能未見(jiàn)衰減。

壓縮機(jī) 脈沖管制冷機(jī) 紅外焦平面探測(cè)器 “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

小型脈沖管制冷機(jī)由于其壽命長(zhǎng)、比質(zhì)量（80K制冷量/質(zhì)量）高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)替代輻射制冷機(jī)，成為國(guó)際空間制冷的主力。在國(guó)際航天領(lǐng)域，脈沖管制冷機(jī)用于冷卻大規(guī)模紅外焦平面探測(cè)器、濾光片以及冷光學(xué)鏡頭等。

脈沖管制冷技術(shù)的發(fā)展起源于20世紀(jì)60年代美國(guó)科學(xué)家的工作。20世紀(jì)80年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家對(duì)脈沖管制冷機(jī)的流程進(jìn)行了改進(jìn)，使其最低溫度降低至 105K。1986年，美國(guó)科學(xué)家將脈沖管制冷機(jī)最低溫度降低至60K，證明其可以具有液氮溫區(qū)的應(yīng)用價(jià)值。1989年，中國(guó)科學(xué)院低溫中心（現(xiàn)中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所前身，以下稱理化所）的一臺(tái)脈沖管制冷機(jī)，在油潤(rùn)滑壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，獲得49K的最低制冷溫度，在77K獲得12W的制冷量。20世紀(jì)70年代，牛津大學(xué)發(fā)明了板彈簧支撐的無(wú)閥長(zhǎng)壽命壓縮機(jī)技術(shù)，極大地提高了斯特林制冷機(jī)的空間應(yīng)用可靠性和使用壽命。到20世紀(jì)90年代，斯特林制冷機(jī)技術(shù)在美國(guó)和歐洲獲得全面空間應(yīng)用，極大地推進(jìn)了國(guó)際空間紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展。斯特林制冷機(jī)在低溫端有運(yùn)動(dòng)部件，但受到結(jié)構(gòu)和流程的制約，該運(yùn)動(dòng)部件不能采用板彈簧雙支撐方案，因此難以避免低溫下的磨損。斯特林制冷熱力學(xué)循環(huán)由兩個(gè)等容回?zé)徇^(guò)程、一個(gè)等溫壓縮過(guò)程和一個(gè)等溫膨脹過(guò)程組成?，F(xiàn)實(shí)中，這四個(gè)過(guò)程通過(guò)電機(jī)控制兩個(gè)活塞實(shí)現(xiàn)，這兩個(gè)活塞有嚴(yán)格的相位關(guān)系。低溫運(yùn)動(dòng)部件的磨損，會(huì)造成竄氣損失，同時(shí)也造成相位的變化。由于這種變化非常復(fù)雜，導(dǎo)致超過(guò)5年壽命斯特林制冷機(jī)的可靠性計(jì)算難以滿足工程要求。隨著宇航技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星平臺(tái)的壽命已經(jīng)達(dá)到在軌10年以上，要求與之配套的載荷也需要壽命在10年以上。1995年左右，美國(guó)開(kāi)始嘗試脈沖管制冷機(jī)的空間應(yīng)用。從制冷機(jī)理上，國(guó)際低溫界把脈沖管制冷機(jī)與斯特林制冷機(jī)相聯(lián)系，認(rèn)為兩者均歸類于回?zé)崾街评溲h(huán)。為了便于理解，脈沖管制冷機(jī)的制冷原理可以簡(jiǎn)化的表述成“在廣義回?zé)崾窖h(huán)的基礎(chǔ)上，把斯特林制冷循環(huán)的低溫固體活塞由氣體活塞代替，形成脈沖管制冷循環(huán)，該氣體活塞的形成由長(zhǎng)頸管氣庫(kù)等氣體動(dòng)力學(xué)元件組成”。從熱力學(xué)角度，脈沖管制冷循環(huán)可以認(rèn)為由一個(gè)等溫壓縮過(guò)程、一個(gè)等溫膨脹過(guò)程和兩個(gè)多變換熱過(guò)程組成。由于脈沖管制冷機(jī)冷端沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，其氣體活塞與固體活塞之間的相位關(guān)系由制冷機(jī)結(jié)構(gòu)決定，因此可靠性高，壽命長(zhǎng)。根據(jù)美國(guó)NTSG公司的文章[1]，到2010年，脈沖管制冷機(jī)已經(jīng)是美國(guó)空間機(jī)械長(zhǎng)壽命制冷機(jī)的首選機(jī)型。理化所從1986年開(kāi)始脈沖管制冷機(jī)的研究，歷經(jīng)三十年，獲得大量的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究成果。理化所承擔(dān)了“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)脈沖管制冷機(jī)研制任務(wù)，脈沖管制冷機(jī)用于冷卻紅外焦平面探測(cè)器，保證其在80K溫度下正常工作。

1 3W/80K脈沖管制冷機(jī)

“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)采用一臺(tái)3W/80K同軸脈沖管制冷機(jī)，配合華北光電技術(shù)研究所的紅外探測(cè)器-杜瓦組件，形成紅外探測(cè)器組件。該脈沖管制冷機(jī)如圖1所示，技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

該制冷機(jī)壓縮機(jī)采用板彈簧支撐，雙活塞對(duì)置布置，實(shí)現(xiàn)制冷機(jī)高可靠、低振動(dòng)。壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，壓縮機(jī)電機(jī)為永磁動(dòng)圈式直線電機(jī)；該電機(jī)采用理化所獨(dú)立開(kāi)發(fā)的高效率磁路，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到1.1T。制冷機(jī)整機(jī)采用全焊接結(jié)構(gòu)，保證氣密性、降低整機(jī)重量。

圖1 3W/80K脈沖管制冷機(jī)整機(jī)Fig.1 3W/80K pulse tube cryocooler

表1 3W/80K同軸脈沖管制冷機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)Tab.1 The main technical specifications of 3W/80K coaxial pulse tube cryocooler

圖2 壓縮機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal structure of compressor

制冷機(jī)所采用的板彈簧如圖3所示。

圖3 板彈簧曲線Fig.3 The plate spring curve

制冷機(jī)冷指為同軸布置，接口尺寸與法國(guó)9189制冷機(jī)一致。制冷機(jī)的制冷性能曲線如圖4所示。

圖4 脈沖管制冷機(jī)性能曲線Fig.4 The performance curve of pulse tube cryocooler

2 脈沖管制冷機(jī)的可靠性控制措施

理化所從1995年開(kāi)始開(kāi)展空間脈沖管制冷機(jī)研究，已經(jīng)完成300多臺(tái)脈沖管制冷機(jī)整機(jī)的制造。根據(jù)脈沖管制冷機(jī)的研制經(jīng)驗(yàn)，借鑒國(guó)際上有關(guān)資料，表2列出了空間機(jī)械制冷機(jī)可能的失效機(jī)理，同時(shí)列出了脈沖管制冷機(jī)針對(duì)這些失效機(jī)理的失效概率。

表2 空間機(jī)械制冷機(jī)可能的失效機(jī)理及脈沖管制冷機(jī)的失效概率Tab.2 The possible failure mechanism of space mechanical cryocooler and the failure probability of pulse tube cryocooler

通過(guò)上表可知，由于膨脹機(jī)內(nèi)部沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，空間脈沖管制冷機(jī)的失效機(jī)理就是內(nèi)部放氣污染和制冷機(jī)電控失效兩項(xiàng)。

理化所研制的脈沖管制冷機(jī)的制造工藝流程中，針對(duì)可靠性的工藝有近20項(xiàng)，其中包括了零件篩選、烘烤除氣、部件振動(dòng)篩選、整機(jī)篩選等環(huán)節(jié)。圖5顯示了截止到2016年6月17日，脈沖管制冷機(jī)在軌交流輸入功率曲線。在軌數(shù)據(jù)表明，制冷機(jī)長(zhǎng)期工作在22W左右，遠(yuǎn)低于最大輸入功率80W。目前，制冷機(jī)在軌性能有三倍多的余量。入軌初期整星調(diào)整期間，制冷機(jī)輸入功率略有提高，隨后降低，證明該制冷機(jī)的可靠性措施有效。

圖5 脈沖管制冷機(jī)在軌輸入功率（交流）Fig.5 The pulse tube cryocooler input power (AC) on orbit

3 新的進(jìn)展

在 3W/80K脈沖管制冷機(jī)成功在軌運(yùn)行的基礎(chǔ)上，理化所開(kāi)展了 10W/80K脈沖管制冷機(jī)和新一代3W/80K脈沖管制冷機(jī)的研制，已經(jīng)獲得一類工程樣機(jī)。10W/80K脈沖管制冷機(jī)的技術(shù)指標(biāo)為：80K溫度下，制冷量為10W，運(yùn)行頻率為50Hz，質(zhì)量小于8kg，其性能曲線如圖6所示。

圖6 10W/80K脈沖管制冷機(jī)性能曲線Fig.6 The performance curve of 10W/80K pulse tube cryocooler

新一代3W/80K脈沖管制冷機(jī)是基于理化所高頻脈沖管制冷技術(shù)研發(fā)的，其特點(diǎn)是運(yùn)行頻率高，質(zhì)量輕，體積小。典型性能為：80K溫度制冷量3W，輸入功率80W，運(yùn)行頻率120Hz，質(zhì)量小于1.6kg。該機(jī)最佳工作冷量為2W/80K，此時(shí)輸入功率僅為45W，比“高分四號(hào)”衛(wèi)星脈沖管制冷機(jī)效率高，質(zhì)量輕。其外觀圖和性能曲線見(jiàn)圖7和圖8。

圖7 理化所新一代3W/80K脈沖管制冷機(jī)實(shí)物照片F(xiàn)ig.7 Photos of a new generation of 3W/80K pulse tube cryocooler

圖8 理化所新一代3W/80K高頻脈沖管制冷機(jī)性能Fig.8 Performances of a new generation of 3W/80K high frequency pulse tube cryocooler

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)采用的3W/80K脈沖管制冷機(jī)的基本情況、可靠性控制措施以及理化所在該技術(shù)上的最新進(jìn)展。3W/80K脈沖管制冷機(jī)首次在軌業(yè)務(wù)應(yīng)用的成功，標(biāo)志著我國(guó)已經(jīng)具備研制高可靠、長(zhǎng)壽命空間機(jī)械制冷機(jī)的能力。

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The Pulse Tube Cryocooler of GF-4 Satellite Staring Camera

CAI Jinghui ZHAO Miguang HONG Guotong

（Technical Institute of Physical and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China）

A pulse tube cryocooler is installed on the GF-4 satellite to cooling down an infrared focal plane detector. The pulse tube cryocooler, whose on-orbit life time is designed more than 5 years, is the frist Chinese device to servicing on orbit. This paper introduces the characteristics, the main technical data and the reliability of the pulse tube cryocooler. The next generation pulse tube cryocoolers developed by IPC (The Technical Institute of Physical And Chemistry) is introduced, which is based on the GF-4 pulse tube technique. A compressor which has two pistons, high efficiency linear motor and plate support spring is used to drive a co-axial pulse tube cooled finger. The highest magnetic field strength is 1.1T. The pulse tube cryocooler can provide 3W cooling power at 80K with 80W input power. The mass of the cryocooler is 6kg. The crycooler has been running on orbit for more than 4 000 hours. The performance degradation is not observed yet.

compressor; pulse tube cryocooler; infrared focal plane detector; GF-4 satellite

TB651

: A

: 1009-8518(2016)04-0066-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.009

蔡京輝，男，1965年生，1989年獲清華大學(xué)熱能工程系碩士學(xué)位，研究員。研究方向?yàn)槊}沖管制冷機(jī)。E-mail: jhcai@mail.ipc.ac.cn。

（編輯：毛建杰）

2016-06-05

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程