气体轴承技术在空间斯特林制冷机和发电机中的应用综述_翟文英

高能太阳光谱成像仪探测器（ ＲHESSI） 是美 国宇航局于 2002 年 2 月 5 日发射的一颗太阳探 测卫星（ 见图 1） ，主要目的是研究太阳耀斑中的 粒子加速和能量释放过程。该卫星可以从最佳的 角度观测太阳，布置了 9 个工作于 75 K 的锗探测 器［1］。该探测器选用 Sunpower 公司的 M77B 制 冷机，用于 γ 射线光谱仪的冷却。该星用斯特林 制冷机的一个独特的方案是采用单级斯特林制冷 机，但是实现了两级温度平台［2］。一级温度平台 为 155K，用于冷却辐射屏，二级温度平台为 65K － 75K（ 如图 2 所示） ，用于冷却 γ 射线光谱仪。 该制冷机顺利通过了 14． 1grms 的振动测试后无 任何异常。
第5 期
低温技术
制冷机和发电机的研究和产品状况。
Cryogenics
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2 气体轴承斯特林制冷机空间应用 现状
气体轴承斯特林制冷机，其在地面上具有效率 高、重量轻、体积小的特点，由于其具备诸多优点， 气体轴承斯特林制冷机在空间中已有很多成熟的 应用案例，美国的 Sunpower 公司在空间应用方面 已具有很成熟的技术，可靠性方面已经得到充分验 证，其开发的单级斯特林制冷机在空间中应用已超 过 13 万小时。这些成熟的案例充分证明了气体轴 承式斯特林制冷机在空间应用中的可行性。 2． 1 ＲHESSI 卫星用 M77B 气体轴承制冷机
Overview of gas bearing technology application status in space Stirling cryocooler and convertor
Zhai Wenying，Wang Bo，Kong Zhongke，Wang Jianzhong （ The 16th Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei 230043，China） Abstract： As a key technology to assure the long life of Stirling cryocooler and convertor，gas bearing is used to eliminate the friction． The development and application overview of gas bearing used in space Stirling cryocooler and convertor was given in the paper，emphatically introduced the application of gas bearing cryocooler used in ＲHESSI Satellite，Space Shuttle Discovery，Alpha Magnetic Spectrometer － 02 （ AMS － 02） ，and Active Cryogenic Experiment Ｒefrigerator used in International space station． The research and development of gas bearing Stirling convertor was also introduced in the paper． At last，the paper predicts the research and application tendency of gas bearing Stirling technology in China． Keywords： Space，Gas bearing，Stirling，Cryocooler，Convertor
特林制冷机 低温冰箱可为航天任务所携带的生物样本、 食物等提供恒定的低温环境。而航天任务要求低 温冰箱能够满足空间环境，常规的制冷循环在空 间环境下难以满足要求，因此需要采用其他形式 的制冷方式制作航天用低温冰箱。 1994 年 2 月，“发 现 者 号 ”航 天 飞 机 携 带
图 6 Shuttle 低温冰箱［9］ Fig． 6 Shuttle cryogenic refrigerator
图 1 ＲHESSI 卫星示意图［1］ Fig． 1 Layout of satellite ＲHESSI
图 2 单级斯特林制冷机实现两个温度平台示意图［2］ Fig． 2 Single － stage Stirling cryocooler achieves two plat-
forms of temperature
M87N 气体轴承斯特林制冷机 阿尔法磁谱仪 2（ AMS － 02） （ 见图 3） 于 2011 年 4 月 29 日由美国“奋进”号航天飞机送入国际 空间站，用于搜索暗物质和反物质［4］。 AMS － 02 需要四个制冷机，要求制冷机在 60 K 提供共 9． 4W 的制冷量，输入功率为 400 瓦。最 终采用美国 Sunpower 公司的 M87N 制冷机［5］，它 是 M87 的升级版，增强了针对性，以更好地满足 AMS － 02 计划。自 2000 年以来（ 至 2005 年） ，Sunpower 公司已经制造了约 180 台 M87（ 见图 4） 。对 设计进行固化，通过一百台产量积累了 330000 个 小时的运行时间。为了保证 M87N 制冷机在阿尔 法磁谱仪 2 上的应用，早在 2001 年，美国宇航就对 两台 M87N 制冷机进行试验。在该项目上选取的 四台制冷机，用于辐射屏的冷却，以延长储存制冷 剂的时间，制冷机的冷头通过柔性热桥被连接到辐 射屏的外侧。为了最大限度地减少蒸汽冷却屏的 温度梯度，其中两个制冷机将被安装在上部真空支 撑环上，其余两个制冷机上将被安装到下部低真空 的支撑环。用于 AM － 02 的制冷机在 2003 年 12 月交付给 NASA 的 Goddard 太空飞行中心，在交付
低温与超导 第 42 卷 第 5 期
低温技术 Cryogenics
Cryo． ＆ Supercond． Vol． 42 No． 5
气体轴承技术在空间斯特林制冷机和发电机中的 应用综述
翟文英，王波，孔中科，王建中
（ 中国电子科技集团公司第十六研究所，合肥 230043） 摘要： 气体轴承技术消除了摩擦，是保证制冷机和发电机长寿命的一种核心技术。从制冷机和气体轴承斯特 林发电机两个方面，综述了国内外空间用气体轴承斯特林的发展与应用现状。其中，重点介绍了制冷机系列产品 的在 ＲHESSI 卫星、" 发现者号" 航天飞机、国际空间站磁谱仪（ AMS － 02） 和空间用冰箱上的应用情况，同时分析了 气体轴承斯特林发电机的国内外研制与应用情况。最后指出我国在气体轴承斯特林技术的发展与应用趋势。 关键词： 空间； 气体轴承； 斯特林； 制冷机； 发电机
·24· 前进行了 250 小时的测试［6］。
低温技术 Cryogenics
第5 期
SOＲ / F（ Space Orbiting Ｒefrigeraton / Freezer） 低温 冰箱进入太空。该项目 SOＲ / F 冰箱的冷却选用 Sunpower M223 气体轴承斯特林制冷机（ 见图 5） ， 该制冷机能够提供 35W@ 223K 冷量，输入功率为 65W［8 － 9］。
林制冷机
第5 期
低温技术 Cryogenics
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2012 年 10 月 7 日，GLACIEＲ 冰箱（ 一般实验 室国际空间站主动低温实验冰箱 General Laboratory Active Cryogenic ISS Experiment Ｒefrigerator） 通 过 Space X 公司发射，携带蓝钟冰淇淋杯“奖励食 品”，运送给国际空间站宇航员。该低温实验冰箱 可以容纳多个生物样品种类，有多个容纳箱。该低 温实验冰箱可以在断电后，8 个小时内保持温度低 于 － 160 °C［11 －13］。冰箱的制冷系统采用 Sunpower 公司的 CryoTel 气体轴承斯特林制冷机。
图 4 Sunpower M87 制冷机［5］ Fig． 4 Sunpower M87 cryocooler
该制冷机的驱动控制器能够提供 150 瓦的输 入电功。由于国际空间站的限制，额定输入功率 被限制到 100 W 以下，而在工作中 60 瓦是制冷 机工作下限，以保证气体轴承正常悬浮。制冷机 安装在较高强度的磁场中，与制冷机轴向垂直的 方向磁场高达 925 高斯，与制冷机轴向上的磁场 高达 400 高斯［7］。对制冷机的磁兼容性测试表 明，制冷机能够在 AMS － 02 的磁场中正常工作， 其性能没有衰减。M87N 采用气体轴承支撑，能 够保证斯特林制冷机的性能与制冷机布置方向无 关。气体轴承系统保证了活塞和排出器在气缸正 中运行，避免了运动部件间的磨损。 2． 3 “发现者号”航天飞机用 M223 气体轴承斯
M77B 制冷机采用美国 Sunpower 公司的气体 轴承支承技术，可以减少磨损以及提高可靠性，以 保证其长寿命。γ 射线光谱仪对振动要求较高， 制冷机额外采用了与压缩机匹配的电机进行减 振，该种形式的主动减振器能够使得制冷机的振 动降低到 10mg / rms（ 加速度） ［3］。该制冷机的设 计寿命为 2 年，然而该制冷机的寿命大幅超过了 设计寿命，从 2002 年发射到现在为止，该制冷机 仍然正常运行，到目前运行超过 120000 h ［3］。 2． 2 国际空间站阿尔法磁谱仪 2 （ AMS － 02） 用
本文通过国内外文献调研，以了解气体轴承 技术在空间用斯特林制冷机和斯特林发电机中的 应用状况，介绍了国内外空间用气体轴承斯特林
பைடு நூலகம்
投稿日期： 2014 － 03 － 03 基金项目： 中国电子科技集团公司技术创新基金（ JYZ015 － 1301 － 2323） 资助。 作者简介： 翟文英（ 1987 － ） ，女，硕士，主要研究方向为情报研究。
图 3 国际空间站阿尔法磁谱仪 2［4］ Fig． 3 International Space Station AMS － 02