“高分四号”卫星凝视相机脉冲管制冷机

蔡京辉 赵密广 洪国同

（中国科学院理化技术研究所，北京 100190）

“高分四号”卫星凝视相机脉冲管制冷机

蔡京辉 赵密广 洪国同

（中国科学院理化技术研究所，北京 100190）

“高分四号”卫星凝视相机采用国产长寿命脉冲管制冷机冷却红外焦平面探测器，是中国长寿命脉冲管制冷机首次在轨业务应用。文章介绍了该长寿命脉冲管制冷机的特点、主要技术指标、可靠性控制措施，同时介绍了中国科学院理化技术研究所基于“高分四号”卫星凝视相机脉冲管制冷机研制的新一代脉冲管制冷机的情况。“高分四号”卫星上的脉冲管制冷机采用理化所独立研制的高效率压缩机。该压缩机采用永磁电机动圈结构、板弹簧支撑，电机中永磁场最高磁场强度达到1.1T。脉冲管冷指采用同轴布置。整机制冷性能为3W/80K，最大输入功率小于80W，整机质量小于6kg。脉冲管制冷机已在轨连续开机超过半年，性能未见衰减。

压缩机 脉冲管制冷机 红外焦平面探测器 “高分四号”卫星

0 引言

小型脉冲管制冷机由于其寿命长、比质量（80K制冷量/质量）高等技术优势，已经替代辐射制冷机，成为国际空间制冷的主力。在国际航天领域，脉冲管制冷机用于冷却大规模红外焦平面探测器、滤光片以及冷光学镜头等。

脉冲管制冷技术的发展起源于20世纪60年代美国科学家的工作。20世纪80年代，前苏联科学家对脉冲管制冷机的流程进行了改进，使其最低温度降低至 105K。1986年，美国科学家将脉冲管制冷机最低温度降低至60K，证明其可以具有液氮温区的应用价值。1989年，中国科学院低温中心（现中国科学院理化技术研究所前身，以下称理化所）的一台脉冲管制冷机，在油润滑压缩机的驱动下，获得49K的最低制冷温度，在77K获得12W的制冷量。20世纪70年代，牛津大学发明了板弹簧支撑的无阀长寿命压缩机技术，极大地提高了斯特林制冷机的空间应用可靠性和使用寿命。到20世纪90年代，斯特林制冷机技术在美国和欧洲获得全面空间应用，极大地推进了国际空间红外探测技术的发展。斯特林制冷机在低温端有运动部件，但受到结构和流程的制约，该运动部件不能采用板弹簧双支撑方案，因此难以避免低温下的磨损。斯特林制冷热力学循环由两个等容回热过程、一个等温压缩过程和一个等温膨胀过程组成。现实中，这四个过程通过电机控制两个活塞实现，这两个活塞有严格的相位关系。低温运动部件的磨损，会造成窜气损失，同时也造成相位的变化。由于这种变化非常复杂，导致超过5年寿命斯特林制冷机的可靠性计算难以满足工程要求。随着宇航技术的不断发展，卫星平台的寿命已经达到在轨10年以上，要求与之配套的载荷也需要寿命在10年以上。1995年左右，美国开始尝试脉冲管制冷机的空间应用。从制冷机理上，国际低温界把脉冲管制冷机与斯特林制冷机相联系，认为两者均归类于回热式制冷循环。为了便于理解，脉冲管制冷机的制冷原理可以简化的表述成“在广义回热式循环的基础上，把斯特林制冷循环的低温固体活塞由气体活塞代替，形成脉冲管制冷循环，该气体活塞的形成由长颈管气库等气体动力学元件组成”。从热力学角度，脉冲管制冷循环可以认为由一个等温压缩过程、一个等温膨胀过程和两个多变换热过程组成。由于脉冲管制冷机冷端没有运动部件，其气体活塞与固体活塞之间的相位关系由制冷机结构决定，因此可靠性高，寿命长。根据美国NTSG公司的文章[1]，到2010年，脉冲管制冷机已经是美国空间机械长寿命制冷机的首选机型。理化所从1986年开始脉冲管制冷机的研究，历经三十年，获得大量的基础研究和应用研究成果。理化所承担了“高分四号”卫星凝视相机脉冲管制冷机研制任务，脉冲管制冷机用于冷却红外焦平面探测器，保证其在80K温度下正常工作。

1 3W/80K脉冲管制冷机

“高分四号”卫星凝视相机采用一台3W/80K同轴脉冲管制冷机，配合华北光电技术研究所的红外探测器-杜瓦组件，形成红外探测器组件。该脉冲管制冷机如图1所示，技术指标如表1所示。

该制冷机压缩机采用板弹簧支撑，双活塞对置布置，实现制冷机高可靠、低振动。压缩机内部结构如图2所示，压缩机电机为永磁动圈式直线电机；该电机采用理化所独立开发的高效率磁路，最大磁场强度达到1.1T。制冷机整机采用全焊接结构，保证气密性、降低整机重量。

图1 3W/80K脉冲管制冷机整机Fig.1 3W/80K pulse tube cryocooler

表1 3W/80K同轴脉冲管制冷机的主要技术指标Tab.1 The main technical specifications of 3W/80K coaxial pulse tube cryocooler

图2 压缩机内部结构示意图Fig.2 Schematic diagram of internal structure of compressor

制冷机所采用的板弹簧如图3所示。

图3 板弹簧曲线Fig.3 The plate spring curve

制冷机冷指为同轴布置，接口尺寸与法国9189制冷机一致。制冷机的制冷性能曲线如图4所示。

图4 脉冲管制冷机性能曲线Fig.4 The performance curve of pulse tube cryocooler

2 脉冲管制冷机的可靠性控制措施

理化所从1995年开始开展空间脉冲管制冷机研究，已经完成300多台脉冲管制冷机整机的制造。根据脉冲管制冷机的研制经验，借鉴国际上有关资料，表2列出了空间机械制冷机可能的失效机理，同时列出了脉冲管制冷机针对这些失效机理的失效概率。

表2 空间机械制冷机可能的失效机理及脉冲管制冷机的失效概率Tab.2 The possible failure mechanism of space mechanical cryocooler and the failure probability of pulse tube cryocooler

通过上表可知，由于膨胀机内部没有运动部件，空间脉冲管制冷机的失效机理就是内部放气污染和制冷机电控失效两项。

理化所研制的脉冲管制冷机的制造工艺流程中，针对可靠性的工艺有近20项，其中包括了零件筛选、烘烤除气、部件振动筛选、整机筛选等环节。图5显示了截止到2016年6月17日，脉冲管制冷机在轨交流输入功率曲线。在轨数据表明，制冷机长期工作在22W左右，远低于最大输入功率80W。目前，制冷机在轨性能有三倍多的余量。入轨初期整星调整期间，制冷机输入功率略有提高，随后降低，证明该制冷机的可靠性措施有效。

图5 脉冲管制冷机在轨输入功率（交流）Fig.5 The pulse tube cryocooler input power (AC) on orbit

3 新的进展

在 3W/80K脉冲管制冷机成功在轨运行的基础上，理化所开展了 10W/80K脉冲管制冷机和新一代3W/80K脉冲管制冷机的研制，已经获得一类工程样机。10W/80K脉冲管制冷机的技术指标为：80K温度下，制冷量为10W，运行频率为50Hz，质量小于8kg，其性能曲线如图6所示。

图6 10W/80K脉冲管制冷机性能曲线Fig.6 The performance curve of 10W/80K pulse tube cryocooler

新一代3W/80K脉冲管制冷机是基于理化所高频脉冲管制冷技术研发的，其特点是运行频率高，质量轻，体积小。典型性能为：80K温度制冷量3W，输入功率80W，运行频率120Hz，质量小于1.6kg。该机最佳工作冷量为2W/80K，此时输入功率仅为45W，比“高分四号”卫星脉冲管制冷机效率高，质量轻。其外观图和性能曲线见图7和图8。

图7 理化所新一代3W/80K脉冲管制冷机实物照片Fig.7 Photos of a new generation of 3W/80K pulse tube cryocooler

图8 理化所新一代3W/80K高频脉冲管制冷机性能Fig.8 Performances of a new generation of 3W/80K high frequency pulse tube cryocooler

4 结束语

本文介绍了“高分四号”卫星凝视相机采用的3W/80K脉冲管制冷机的基本情况、可靠性控制措施以及理化所在该技术上的最新进展。3W/80K脉冲管制冷机首次在轨业务应用的成功，标志着我国已经具备研制高可靠、长寿命空间机械制冷机的能力。

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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

蔡京辉，男，1965年生，1989年获清华大学热能工程系硕士学位，研究员。研究方向为脉冲管制冷机。E-mail: jhcai@mail.ipc.ac.cn。

（编辑：毛建杰）

2016-06-05

国家重大科技专项工程