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淺談空間低溫制冷技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展
泰州市裕華制冷設(shè)備制造有限公司 滕振亞 2015/4/22 21:24:45
摘要：隨著我國科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，我國的空間技術(shù)得到了快速的發(fā)展，同時空間低溫技術(shù)作為空間技術(shù)中一項重要內(nèi)容，也得到了長足的進步。空間低溫技術(shù)是一項集合航空技術(shù)、低溫冷凍技術(shù)等技術(shù)為一體的科學(xué)技術(shù)，其可以為飛船、衛(wèi)星等航天器及其各種配件提供其正常工作所需的低溫環(huán)境。本文從空間低溫制冷技術(shù)的應(yīng)用入手，就空間低溫制冷技術(shù)的發(fā)展進行了詳細的分析與研究。
關(guān)鍵詞：空間制冷；低溫技術(shù)；應(yīng)用；發(fā)展
目前，隨著人類科學(xué)技術(shù)與空間技術(shù)的發(fā)展，各種航天器應(yīng)運而生，其為人類探索外太空提供了必要的工具�？臻g低溫制冷技術(shù)是衛(wèi)星、飛船等航天器得以在外太空運行的關(guān)鍵技術(shù)，其可以為各類航天器及其所應(yīng)用的各種低溫電子學(xué)、超導(dǎo)器件、低溫探測器等裝置提供其正常工作所需的低溫條件，從而確保各類器件及設(shè)備的工作性能得到切實地維護。因此，對于空間低溫制冷技術(shù)進行分析和研究是具有積極意義的。
1 空間低溫制冷技術(shù)的應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和空間探索的日益深入，人類在空間技術(shù)方面取得了顯著的成績，這也促使各類遙感儀器，如超導(dǎo)量子探測器、亞毫米波探測器、γ射線、X射線和紅外探測器等被廣泛應(yīng)用于航天器上。理論上來講，宇宙空間是一個具有超低溫（約為3K），高真空的環(huán)境。因此，在不借助空間低溫制冷技術(shù)的前提下，各類航天器上所配置的低溫光學(xué)探測器的系統(tǒng)溫度要遠高于探測背景的溫度，這就會干擾探測目標的信號，從而降低探測效果。而如果在各種航天器的探測設(shè)備上安置低溫制冷系統(tǒng)，則可以顯著地降低光學(xué) 遙感系統(tǒng)自身的溫度，從而達到排出或屏蔽探測目標外的熱干擾，提高探測結(jié)果的靈敏度和準確度，同時也可以極大地減少光學(xué)遙感系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱噪聲。由此可見，空間低溫制冷系統(tǒng)是深空探測航天器及地遙感衛(wèi)星等各類探測設(shè)備中必不可少的一部分。
2 空間低溫制冷技術(shù)的發(fā)展
通常而言，根據(jù)空間低溫制冷機工作方式的不同可以將其分為被動式制冷和主動式熱泵循環(huán)。被動式制冷實際上就是通過儲存的低溫制冷劑的相變換熱或輻射換熱來為被冷卻的對象提供冷源的一種制冷方式；主動式熱泵循環(huán)制冷則是通過制冷機來實現(xiàn)對被冷卻提供冷源的制冷方式。
2.1 輻射制冷器
輻射制冷器屬于被動式制冷裝置中的一種，其主要是借助宇宙中的冷黑背景來實現(xiàn)降溫的一種裝置。輻射制冷器是在1996年由美國研制出的一種制冷裝置，經(jīng)過長時間對該裝置的改進和完善，其已經(jīng)可以應(yīng)用于各類不同軌道中，如拋物面G型、V型、W型、L型、圓錐形以及方錐型等，且該裝置的制冷量可以從幾毫瓦達到百毫瓦級，制冷溫度可以實現(xiàn)從200K降至80K。例如，美國于2002年發(fā)射的EOS-Apua上的平流層氣體紅外分光計輻射制冷器的最低制冷溫度可以達到60K；歐空局研制的拋物面G型輻射制冷器可以實現(xiàn)269Mw/105K的軌道性能等。
輻射制冷器的最大優(yōu)點就是功耗小、無噪聲干擾、可靠性高、壽命長、無運動部件，尤其適用于空間紅外線遙感中。但是其也具有一定的不足，具體表現(xiàn)為體積大、制冷量小，不能有阻擋物，且對安裝位置、飛行姿態(tài)及航天器軌道有嚴格的要求，地面試驗難以開展，故其應(yīng)用范圍有一定的局限性。輻射制冷器的發(fā)展方向主要是提高制冷量，減少級間耦合與支撐的熱損失，降低陽光和地球輻射的影響，擴大視場，對輻射交換的面型結(jié)構(gòu)進行改進等，從而滿足焦平面器件對制冷量的要求。
2.2 固體制冷器
固體制冷器實際上是通過借助固態(tài)制冷劑來在空間的升華過程來產(chǎn)生冷源的一種制冷設(shè)備。該制冷設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單，不受空間運行軌道限制，無振動或振動性小以及不消耗航天器能源等優(yōu)點。該裝置常用的固態(tài)制冷劑有氖、氫、氬、氮等，且可以制成單、雙級兩種固體制冷器。制冷劑通常都被儲存在特制的鋁制容器中，其外殼通常由低熱導(dǎo)、高強度的復(fù)合材料來進行支撐，內(nèi)外層之間采用多層真空絕熱的方式來降低熱損耗。探測器借助導(dǎo)熱桿來實現(xiàn)與固體制冷器的連接，過程中所產(chǎn)生的各類氣體則通過預(yù)設(shè)的排氣管排到空間中。如1990年發(fā)射的哈勃空間望遠鏡就是采用固氮制冷器，其可以為各類探測設(shè)備與儀器提供58K的環(huán)境條件。固體制冷器自身所攜帶的制冷工質(zhì)數(shù)量往往是決定其工作壽命的關(guān)鍵因素，同時隨著其在工作過程中的質(zhì)量變化，也將引起衛(wèi)星質(zhì)心的改變，從而增加了航天器的控制難度，這也是阻礙其進一步發(fā)展的決定性因素。
2.3 超流氦制冷器
超流氦制冷器主要滑絲通過制冷劑的相變來產(chǎn)生冷源的制冷設(shè)備，其可以為探測器提供2.0K以下的冷卻環(huán)境。該制冷系統(tǒng)可以直接用于多種探測系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)中，同時也可以作為支撐更低溫度制冷系統(tǒng)的平臺，如配以磁制冷、3He-4He稀釋制冷和3He吸附制冷可以得到更低的制冷溫度（如0.300K至（未完，下一頁）
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