空间低温制冷技术的应用与发展

朱建炳

（兰州物理研究所，真空低温技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

1 引言

空间低温制冷技术主要是为卫星、飞船等航天器提供所需低温条件的获得技术,及其制冷设备长期稳定工作的控制技术和制冷设备与被冷却对象之间耦合技术。主要为航天器应用的各种低温探测器、超导器件、低温电子学等装置提供稳定、可靠的低温条件，保证其获得良好的工作性能。

近几年，随着空间技术的发展，使得各种遥感仪器广泛应用于航天器上，如红外探测器、X射线、γ射线和亚毫米波探测器、超导量子探测器等。由于宇宙是一个高真空、约3 K的低温环境，航天器上所配制的这些低温光学探测系统的温度往往高于背景温度，很容易干扰视场内的目标信号，影响探测效果。降低光学遥感系统的温度，既可减少本身的热噪声，也可屏蔽或排除视场外的热干扰，可以提高探测的精确度和灵敏度。因此低温制冷系统是对地遥感卫星和深空探测航天器不可缺少的重要组成部分，必须加大开发力度，以满足航天技术发展的急需。

2 对空间低温制冷技术的要求

探测器的噪声源主要有载流子热运动引起的热噪声、产生-复合噪声和背景辐射噪声，降低探测器及其光学系统的温度可以有效地降低探测器的热噪声和背景辐射噪声，提高探测器的精度和灵敏度。一般探测器的波长越长，需要的制冷温度越低。用于对地遥感的红外探测器，工作温度在液氮温区就可取得满意的探测效果。而应用于宇宙背景探测、空间红外观测、毫米波亚毫米波探测、相对量测量以及空间磁场测量等深空探测和天文观测的航天器，其探测器和光学系统必须工作在液氢或液氦温区，有时甚至要工作在几十毫开的极低温区，才能降低探测器的背景噪声和辐射干扰，获取分辨率较高的探测精度。此外采用量子超导干涉器件（SQUID）的高精度探测器也要工作在1～8 K极低的温度下。

空间低温制冷系统对航天器或有效载荷设备的结构布局、功能有重要的影响，它需要根据航天器的使命进行特殊设计，以确保深空探测器有关设备能够工作在合适的温度范围内。在进行低温制冷系统设计时除了考虑制冷系统的制冷温度、制冷功率、体积、质量、功耗等以外，还应满足以下条件的约束：

1）航天器从发射到完成任务所经历的力学环境和热真空环境，具有较强的环境适应能力；

2）3年以上工作寿命和空间长期免维护可靠性工作要求；

3）自身产生的振动、噪声和电磁干扰小；

4）空间微重力工作状态；

5）适应航天器工作模式的要求。

3 空间低温制冷技术的发展

空间低温制冷机根据工作方式可分为主动式热泵循环和被动式制冷2种工作方式。通过制冷机做功把热量从低温端向高温端输运，并向冷空间排放，获得有效制冷量的方式称为主动式热泵循环制冷系统。通过辐射换热或者存贮的低温制冷剂的相变换热，为被冷却对象提供有效冷源的方式称为被动式制冷。目前，适应航天器应用的低温制冷设备主要有辐射制冷器、固体制冷器、超流氦杜瓦、机械制冷机，以及吸附式制冷机、3He-4He稀释制冷机和绝热去磁制冷机等。

3.1 辐射制冷器

辐射制冷器是依靠宇宙冷黑背景降温的被动式制冷装置。自1966年首次在美国获得成功应用后，已先后开发成功了适合不同轨道的多种类型（如方锥型、圆锥型、L型、W型、V型、抛物面G型等）辐射制冷器，制冷温度由200 K降低到80 K，制冷量从几毫瓦提高数百毫瓦级。2002年美国发射的EOS-Apua上的平流层气体红外分光计（SWIRLS）辐射制冷器最低制冷温度可达60 K，在80 K获得130 mW的冷量。欧空局也研制成功了抛物面G型辐射制冷器，可达到269 mW/105 K的在轨性能。欧空局在2002年发射的环境卫星（ENVISAT-1）上的大气制图扫描成像吸收分光计（SCIAMACHY），同样采用辐射制冷器为红外探测器提供可靠冷源，在123 K获得0.75 W的冷量[1]。

辐射制冷器主要优点是无运动部件、寿命长、可靠性高、无噪声干扰、耗功小，非常适合空间红外遥感需求。缺点是对航天器轨道、飞行姿态和安装位置有严格的要求，不能有太阳帆板等阻挡物，制冷量小，体积较大，地面试验困难，其应用有一定的局限型。发展方向是改进辐射交换的面型结构，扩大视场，降低地球辐射和阳光辐射的影响，减少支撑及级间耦合的热损，提高制冷量，以满足焦平面器件对制冷量的要求。

3.2 固体制冷器

固体制冷器是利用固态制冷剂在空间直接升华而产生冷源的一种制冷设备，具有不消耗航天器能源、无振动、不受轨道限制、结构简单的优点。常用的制冷剂有氮、氢、氩、氖等，可制成单级或双级固体制冷器。制冷剂一般存贮在铝制容器内，通过高强度、低热导的复合材料支撑固定在外壳，内外层之间采用高效真空多层绝热，降低漏热。探测器通过导热杆与制冷器相连，所产生的气体通过排气管排到空间。双级固体制冷器是利用各种制冷剂升华潜热不同，用一种升华潜热高的工质作为辅助制冷剂来保护主制冷剂，减小漏热损失，延长工作时间。

在1990年发射的哈勃空间望远镜中就是采用固氮制冷器，为其近红外照相机和多目标分光计（MICMOS）提供58 K冷源，它由固氮容器、3层冷屏（1层气冷屏和2层热电制冷的冷屏）、绝热支撑组件和外壳组成。美国1991年发射的高层大气卫星（UARS）低温临边列阵光谱计（CLAES）采用了固氢制冷器，制冷温度12 K，制冷量30 mW，在轨运行了18个月。在詹姆斯·韦伯空间望远镜的中红外照相兼光谱分析仪最初设计中，也是采用固氢制冷器，如图1所示。光学系统采用固氢制冷器冷却至15 K，探测器焦平面采用另一个较小的固氢制冷器冷却至7 K，共装有固氢1 000 L。

固体制冷器工作寿命则取决于携带的制冷工质数量，同时在工作过程中随着质量的改变将引起卫星质心变化，给航天器控制带来不利，这些限制了它的使用。

图1 空间望远镜固氢制冷器

3.3 超流氦制冷器

超流氦制冷器是利用超流氦的“热机效应”对探测器进行2.0 K以下冷却的制冷系统，制冷量主要来源于液态到气态的相变潜热。空间超流氦制冷系统即可以直接服务于许多探测系统，也可以作为更低温度的制冷系统的支撑平台，如配以3He吸附制冷、3He－4He稀释制冷和磁制冷可获取更低的制冷温度（如0.300～0.065 K）。早在1983年就成功应用于欧空局的红外天文卫星（IRAS），成为最早在空间获得应用的深低温制冷技术。目前众多已飞行和正在研发的深空探测研究项目中（COBE、ISO、SIRTF、ASTRO-F、HERSCHEL等），空间超流氦制冷依然是一种优先选择的深低温制冷技术。

空间超流氦制冷系统包括超流氦杜瓦、与探测器的热耦合组件以及长期运行时的液氦再加注系统。超流氦杜瓦是通过一系列高强度、低热导复合材料支撑固定在主体结构上，既要满足漏热小，又要耐受恶劣的发射力学环境考验。在空间微重力条件下，需要采用多孔塞相分离器实现气液两相分离，通过控制在多孔塞出口处的加热器热量控制超流氦流量。超流氦杜瓦内液体晃动对航天器姿态控制有很大的影响，通过在杜瓦内部加上挡板，依靠液体与固体之间的摩擦以及气液表面张力对晃动进行衰减。另外，在工作期间必须保持超流氦与被冷却对象良好的热耦合，维持制冷温度的稳定性；系统还必须能够经受长期低温、辐射等恶劣的外空间环境考验。

空间超流氦制冷技术的发展方向是与辐射制冷或机械制冷技术结合，充分利用航天器轨道空间的优良热环境，降低超流氦的蒸发速率，延长其工作寿命。图2为美国BALL公司为斯匹策空间望远镜研制的超流氦杜瓦[2]，它在将探测器冷却至1.4 K的同时，采用蒸发的冷氦气将光学系统冷却至5.5 K，制冷量6 mW。它就是利用辐射制冷将超流氦杜瓦外壳冷却至40 K以下，用360 L超流氦可以满足5年工作寿命要求，杜瓦干重126.7 kg。

图2 斯匹策空间望远镜超流氦杜瓦

3.4 机械制冷机

机械制冷机如斯特林制冷机、脉管制冷机、逆布雷顿制冷机、闭式J-T制冷机等是当前空间低温制冷技术开发的重点，并已取得突破性进展。截至目前为止，在空间已获得成功应用的长寿命机械制冷机有30多台，其中英国卢瑟福实验室研制斯特林制冷机在欧空局地球遥感卫星（ERS-2）已正常工作了14年。2台美国NGST公司研制的微型脉管制冷机在轨也正常工作了10年以上。空间机械制冷机的用途越来越广泛，已经从冷却对地观测探测器和电子器件为主，扩展用来冷却深空探测的高灵敏度探测器与低温光学系统，为空间存贮式低温制冷器提供冷屏蔽，实现空间低温液体零蒸发长期贮存（ZBO）等。机械制冷机可以制成多级制冷机，获得更低的制冷温度。一般采用两级制冷可以达到20 K温区，三级制冷或两级制冷加J-T制冷可以达到液氦温区。与存贮式制冷系统相比，具有体积小、质量轻、制冷量大、操作简便的特点。

在多级机械制冷技术的研究方面，美国走在了最前端。NASA于2001年就启动了高级低温制冷机开发计划（ACTDP，如图3）[3]，在该计划支持下，洛克希德-马丁公司研制成功四级脉管制冷机，最低制冷温度达到3.83 K，在6 K可提供50 mW的制冷量，在18 K时可提供150 mW的制冷量，功耗725 W，质量21 kg。NGST公司研制成功了三级脉管预冷的J-T制冷器复合制冷系统，采用J-T制冷器可以远距离为冷却对象提供6 K冷源，制冷量70 mW，使冷却对象远离压缩机的振动和电磁干扰。三级脉冲管制冷机在10 K可提供200 mW的制冷量，功耗300 W。BALL宇航技术公司采用三级斯特林与J-T制冷器复合技术方案，也可以远距离为冷却对象提供6 K/70 mW冷源，斯特林制冷机在15 K可提供250 mW的制冷量，功耗150 W。

图3 美国ACTDP低温制冷机

日本在双级斯特林制冷机研究方面也取得了显著的成绩。三菱重工研制双级斯特林制冷机在20 K可提供200 mW的制冷量，功耗80 W，质量9.5 kg，工作寿命5年，并已获得成功应用。该双级制冷机经改进后，用来预冷以4He为工质的J-T节流制冷器，在4.5 K可以提供50 mW制冷量，功耗145 W，质量23 kg。采用该制冷机预冷以3He为工质J-T节流制冷器，1.7 K可以提供16 mW制冷量，功耗180 W，质量25 kg。

机械制冷技术的发展方向是进一步提高制冷效率和可靠性，通过污染控制以延长工作寿命；采用与J-T制冷器耦合实现与被冷却对象远距离的冷却，解决制冷机的散热，降低冷头振动和电磁干扰对探测器的影响；开发一台压缩机驱动多冷头的新技术方案，满足系统多点制冷需求或进行制冷系统备份，提高制冷系统可靠性。

3.5 吸附制冷机

吸附制冷机是利用热开关控制吸附床加热解析与冷却吸附获得高低压气源，与J-T节流阀结合来实现制冷。其特点是工作寿命长，无运动部件，不会产生振动，可靠性较高。工作温度取决于工质气体与吸附床的种类，吸附式压缩机可远离冷端放置在航天器平台上。

美国JPL实验室已经为欧空局PLANCK探测器开发成功了20 K氢吸附低温制冷机，并于2009年发射成功，其压缩机采用6组金属氢化物吸附床和低压气体贮存器组成，每个吸附床都通过气隙式热开关控制与辐射散热器的热导通与断开。当吸附床加热到450 K时，氢气从吸附床脱附产生高压氢气，通过逆流换热器冷却至60 K后在J-T节流制冷器中膨胀冷却至18 K，并提供冷量。氢气冷凝后再通过逆流换热器升温至270 K，在吸附床中被吸附，完成制冷循环。该吸附式制冷机在20 K可提供1 W制冷量，总功耗370 W，采用分组工作方式，可以连续提供冷量。

采用活性炭或分子筛对3He吸附减压可以获得300 mK以下制冷温度。英国卢瑟福实验室（RAL）为HERSCHEL空间望远镜研制成功了3He吸附式制冷机[4]，如图4所示。在超流氦热沉温度为1.5 K时，制冷机在290 mK可以获得10 μW制冷量。制冷机工作过程中产生的各种吸附热通过气隙式热开关控制传导到超流氦热沉中，采用间断工作方式，工作保持时间70 h。

图4 HERSCHEL吸附式制冷机

3.6 绝热去磁制冷机

绝热去磁制冷机（ADR）是利用顺磁盐的磁致热效应来制冷，由顺磁盐、高性能磁体和热开关组成。当对顺磁盐进行绝热去磁时，由于磁熵降低对外吸热，可以产生50～100 mK低温。ADR操作简单，工作循环效率高，无运动部件；缺点是质量较大，强磁场产生较大的电磁干扰，通常需要采用液氦或其他冷却方式为其提供几开的低温热源。美国已经为日本ASTRO-E卫星高分辨率X射线光谱计研制成功了绝热去磁制冷机，采用1.3 K超流氦作为热沉，在60 mK可以提供0.3 μW制冷量，质量15 kg。

目前美国NASA正在开发可以连续工作的多级绝热去磁制冷机（CADR），它是通过热开关控制几台绝热去磁制冷机顺序工作，并获得连续的制冷量。图5是一台美国GSFC研制的四级CDAR制冷器[5]，各级之间通过热开关相连，在热沉温度为4.2 K时，最低制冷温度35 mK，在50 mK可以提供6 μW制冷量，质量8 kg。日本在Astro-H卫星高分辨率X射线光谱计采用两级斯特林制冷机预冷，以3He为工质的J-T制冷器为CADR制冷器提供1.8 K的热沉，研制成功了两级绝热去磁制冷机[6]，在50 mK可以提供0.4 μW制冷量，质量仅8 kg。

绝热去磁制冷的主要发展方向是开发开关比在1 000以上的高可靠热开关；能够传导大电流的高温超导电缆；可靠的顺磁盐容器的悬挂系统和足够的持续时间；解决强磁场电磁干扰问题，进一步降低工作温度。

3.7 氦稀释制冷器

氦稀释制冷技术是利用3He-4He溶液特性进行制冷，由3He-4He混合室、蒸发器和冷凝器组成。在3He-4He混合室中，当3He原子从浓缩相经过相界面进入超流的4He中时，会产生吸热效应而制冷。氦稀释制冷机的温度可达100 mK以下，制冷量可达100 μW，与其他极低温制冷机相比，可以连续工作，具有可靠性高，操作简单，无振动和电磁干扰，工作性能稳定的特点。

氦稀释制冷机已经在2009年欧空局发射的普朗克空间探测器中获得了成功应用，其高频仪器（HFI）测热辐射计探测器就是采用3He-4He稀释制冷机冷却至0.1 K[7]。它由3个4He和1个3He高压贮瓶以及控制管路组成。高压气体通过辐射制冷和J-T制冷器冷却至4.5 K后被液化，再通过一个以3He为工质的J-T制冷器预冷至1.8 K，3He与4He液体在HFI焦平面混合室内进行稀释降温，使焦平面冷却至0.1 K，制冷量为100 nW，工作寿命1年。

开式3He-4He稀释制冷系统中由于受容器体积限制，工作寿命有限。目前国外学者正在采用改性活性炭作为3He吸附泵，吸附的3He经过冷凝液化后再返回混合室，通过热开关构成一个闭式制冷系统，可以提高制冷量，延长工作寿命。法国已经研制成功一台闭循环3He-4He稀释制冷机[8]，它采用一台3He循环泵和3He相分离器，实现了最低制冷温度39 mK，在100 mK有1 μW的制冷量。

图5 四级CADR制冷机

图6 3He-4He稀释制冷机

4 我国空间低温制冷技术的现状

我国的空间制冷技术经过40多年的发展，已经研制成功了空间辐射制冷器、斯特林制冷机、脉冲管制冷机、固体制冷器、逆布雷顿制冷机等多种制冷设备，取得了一系列重要成就，建立了完整配套的航天工程体系。已有十多台辐射制冷器在“风云”系列气象卫星和“资源”卫星上获得成功应用，积累了丰富的工程应用经验，目前依然是我国实用型遥感卫星的主要制冷方式，如“风云三号”“风云四号”气象卫星和“资源一号”03/04星依然采用辐射制冷器为其探测器提供冷源。空间斯特林制冷机和脉管制冷机也基本趋于成熟，中科院理化所研制的脉管制冷机已在“试验一号”卫星上进行了搭载飞行。航天510所研制的斯特林制冷机在解决了影响制冷机工作寿命的工质气体污染这项关键因素后[9]，工作寿命和可靠性获得很大提高，将在“实践九号”卫星上搭载进行空间飞行验证，即将转向工程应用。在超流氦技术研究领域，中科院理化所在超流氦相分离技术方面进行了探索，建立了相分离地面试验设备[10]；航天510所已经开始空间超流氦杜瓦的研制工作。西安交通大学在逆布雷顿制冷技术研究方面也进行了探索；在深低温机械制冷技术研究方面，浙江大学和中科院理化所采用多级脉管制冷机正在进行探索，中科院理化所研制的双级脉管制冷机[11]，最低制冷温度已经达到16.1 K，在20 K可以提供80 mW制冷量,输入功率200 W。浙江大学研制的斯特林型两级脉管制冷机最低制冷温度达到14.2 K[12]。在空间极低温制冷温区，我国还处于一片空白。

5 结束语

从国外航天技术发展来看，由于空间宇宙背景的“冷黑”条件，为了实现有效观测与探测，均把低温制冷技术作为关键的一项技术进行开发。从制冷技术的发展来看，从早期以被动制冷方式为主，逐步向多级机械制冷机为主的主动式制冷方式转化；从单一的制冷方法向多种制冷方法复合制冷方式转变。在极低温区从开式制冷向长寿命的闭式循环制冷方式转化；从间断工作向连续工作方式转化。

在空间低温技术研究方面，我国与国外先进技术的差距很大。随着我国空间技术的发展，为低温科技工作者带来机遇与挑战，不仅要为航天器提供满足工作温度要求的可靠冷源，还要掌握低温制冷系统的空间应用与热集成技术，有效地解决制冷设备的安装与散热、与冷焦面耦合技术、电磁兼容性、工作模式和系统控制等问题。根据不同的冷却对象和要求，进行系统综合设计，满足各类长寿命航天器空间应用要求。同时应开展相关技术的研究工作，包括深低温制冷技术、被动热控制技术、低温传热技术、高效绝热技术、低温测试技术、低温过程材料等。在空间超流氦制冷技术研究方面，应加大投入，进行系统研究，综合考虑空间应用的特殊因素，提出总体技术方案和实施途径，并加以实施。在现有机械制冷技术基础上，及时启动空间多级机械制冷技术研究工作，以满足未来深空探测技术的需求，为其空间应用做好技术贮备。

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