低温技术在太空监测领域的应用_许令顺

多。为了达到 1 K 以下的温度，必须同时使用多种制 冷技术。下面几种技术可以获得 1 K 以下的温度条 件［15］。 3． 1 绝热去磁制冷
绝热去磁制冷是基于传统的制冷原理发展起来 的，结合悬挂系统适合于航天器发射振动的条件，也 适合于 磁 屏 蔽。 这 种 类 型 的 制 冷 机 首 先 运 用 在 由 Goddard 空间飞行中心（ GSFC） 发展的用于冷却安装 在 Suzaku 上的 X 射线谱仪的单级 60 mK 的 ADＲ 制 冷机，该制 冷 机 通 过 混 合 的 液 氦 和 固 氖 杜 瓦 进 行 预 冷。不幸的是这次太空任务仅运行了 3 个星期就失 败了，原因 是 由 于 氦 提 前 消 耗 完。 但 是 在 这 段 时 间 ADＲ 正常工作，证明用 ADＲ 在空间领域是可行的。 最近的发展包括由 Mullard 空间科学实验室和 Astrium 研制的二级 ADＲ 制冷机，可以从 4 K 的界面分别 提供 1 K 和 50 mK 的制冷环境，如图 5 所示［16］。
这种设计使 SIA 与氦储器之间的热绝缘比较弱，可以 在冷却至 7 K 以下的温度时蒸发储器中的液氦。检 测器与远红外检测器同焦平面板是热绝缘的，但是通 过铜缆将它们与液氦储器连接，这样可以获得比焦平 面板更低的温度。焦平面板与液氦储器总的热负载 大约为 3． 4 mW。冷却望远镜需要更低的温度，在液 氦储器上安装了一个电加热器，这样可以增加液氦的 蒸发速率，以达到制冷温度。
发射年份 1983 1989 1995 1997 1999 2002 2002 2006 2003 2005 2006 2009 2009 2013 2017 2020
制冷系统 4 He 制冷剂 4 He 制冷剂 4 He 制冷剂
sN2 sH2
斯特林制冷
斯特林制冷 4 He 制冷剂 斯特林制冷 sNe + 4 He + ADＲ 4 He + 制冷机 4 He + 3 He 稀释 JT 制冷 + ADＲ 辐冷 + 制冷机 辐冷 + 制冷机 斯特林 + ADＲ
2013 年第 3 期 总第 193 期
低温工程
CＲYOGENICS
No. 3 2013 Sum No. 193
低温技术在太空监测领域的应用
许令顺1，2 张华标1，2 武义锋1，2 仰 叶1，2
（ 1 中国电子科技集团公司第十六研究所 合肥 230043） （ 2 安徽万瑞冷电科技有限公司 合肥 230088）
SPICA IXO（ ESA，JAXA，NASA）
表 1 低温技术在国外发射卫星上的应用情况
Table 1 Summary of cryogenic space programmes
科研领域 IＲ IＲ IＲ NIＲ IＲ
射线 太阳能
IＲ 星体研究
X 射线 IＲ FIＲ
次 mm NIＲ
MIＲ-FIＲ X-射线
和焦平面仪器由一挡板，望远镜壳，3 个屏蔽层和太 阳光屏蔽 层 包 围 着，以 阻 止 外 界 环 境 热 向 望 远 镜 传 导。望远镜以及热屏蔽层都通过捆绑固定在底部的 总线模块板上面。捆绑材料是碳纤维增强塑料和由 具有低导热率的氧化铝纤维增强塑料组成。挡板和 望远镜外壳则由具有高导热率的碳纤维增强塑料组 成，可以驱散热流。太阳光屏蔽层，3 个屏蔽铝板以及 结构框架则由玻璃纤维塑料捆绑在一起。制冷系统上 分别用了 4 K 和 1 K 的两套机械制冷机。4 K 的机械 制冷机是用来冷却中红外装置，该温度的获得是由一 台 4 K J-T 制冷机和一台用于预冷至 20 K 的二级斯特 林制冷机组成。远红外装置则需要 1． 7 K 的工作环 境，该温度是通过一台用3 He 作为工作气体的 J-T 制冷 机和一台用于预冷却的二级斯特林制冷机获得。
Key words： cryogenics； space survey； satellite； adiabatic demagnetization refrigerators； dilution refrigerator
1引言
低温技术在过去的 30 年取得了显著的发展，制 冷设备的可靠性和简易性的增加也让它可以成功在 航空、航天领域应用［1-6］。同时，由于一些装置在低温 条件下工作时其性能会显明显改善，这也扩大了低温 技术在航空领域的应用范围。目前低温已经成为航 空领域不可或缺的技术。航天中所应用到的低温领
（ 1 The 16th Institute of China Electronics Technology Corporation，Hefei 230043 ，China） （ 2 Anhui Vacree Technologies Co． ，Ltd． ，Hefei 230088，China）
Abstract： With the development of cryogenics，the work performance of refrigerators has improved signally． The cryogenics are widely used in aerospace． The applications of the cryogenics in the space survey satellite was summarized，the development trends was analyzed． Then the refrigeration methods of the different temperature used in space survey were also summarized． Finally the refrigeration of the space survey satellite abroad was shown to illustrate the design process of cryogenic systems．
轨道 近极 近地 HEO LEO LEO HEO LEO 环地 环日 LEO LEO 日-地 日-地 日-地 日-地 日-地
目前太空领域所使用的制冷方式的趋势是用制 冷机代替用装有液体制冷剂的低温恒温器。因为装 有液体制冷剂的制冷方式重量较大，并且也会影响飞 行任务的寿命。但是在用制冷机取代过程中却遇到 了许多技术上的挑战。如制冷机的冷端一般由镀金
收稿日期： 2012-10-29； 修订日期： 2013-05-20 作者简介： 许令顺，男，30 岁，博士。
第3 期
低温技术在太空监测领域的应用
53
适应； （ 4） 制冷机的寿命必须匹配航天器飞行的周期，
甚至超过任务周期。 到目前为止，已经有很多发射的卫星都安装了制
冷系统去执行太空探索，对地监测等任务［7-10］。如在 1983 年发射的 IＲAS，1995 年发射的 ESA’s ISO，最近
第3 期
低温技术在太空监测领域的应用
55
图 3 AKAＲI 卫星示意图及内部结构图 Fig． 3 AKAＲI satellite overview and cross-sectional view of AKAＲI cryostat
另外，国际空间站上安装的超导磁体用来宇宙中 的带电粒子，原子核谱以及 X 射线的能量。该种类磁 体一般是低温超导磁体，其形状如图 4a 所示［14］，该形 状是由边缘场和接近零的总偶极矩决定的。一幅场线 圈产生了偶极场，两套跑道形绕组围绕着中心对称排 布。绕组是由铝稳定的 NbTi / Cu 超导材料组成，如图 4b 所示，用超流体液氦冷却至 1． 8 K 时以实现超导。中心 场的强度是 0． 86 T。图 4c 是其中一个跑道形绕圈的示 意图，超导体压绕在铝支撑架上。完成的线圈通过围绕 不锈钢线圈而进行预压，如图 4d 所示。磁体密封在一 内直径为 1． 1 m，外径为 2． 7 m，高 0． 9 m 的环形低温恒 温器内。电子器件，阀门以及电缆安装在恒温器外面。
在 2006 年 发 射 的 NASA 的 Spitzer，以 及 普 朗 克 和 Herschel 卫星。在 10 K 到 100 K 的温度内许多任务 都可以操作，如军事侦察、对地观测、气象预报等。表 1 总结了国外近些年来一些发射的卫星中所用到的 制冷技术及其运行状况［11］。
任务 IＲAS（ NASA，NIVＲ，SEＲC）
摘 要： 随着低温技术的发展，制冷机的各方面工作性能显著改进，低温技术在航天领域得到了
广泛应用。介绍了低温技术在国外太空监测卫星中的应用情况，分析其发展趋势。对太空监测所需
要不同温度区间的制冷方法进行了总结，最后以国外执行监测任务卫星上的制冷系统为例说明制冷
系统设计过程。
关键词： 低温 太空监测 卫星 绝热去磁制Βιβλιοθήκη Baidu 稀释制冷
图 2 SPICA 上将安装的红外太空望远镜
（ a） 太空模拟图； （ b） 整体结构示意图； （ c） 内部结构图
Fig． 2 Infrared space telescope on SPICA
日 本 在 2006 年 发 射 的 用 于 太 空 红 外 检 测 的 AKAＲI 卫星，该卫星上的红外检测设备需要 7 K 的 工作环境，其制冷系统如图 3 所示［13］。AKAＲI 的制 冷系统采用 170 L （ 25 kg） 的液氦作为制冷剂。需要 冷却的装置包括焦平面仪器和望远镜，安装在焦平面 板上面而组成了科学装置集成系统（ SIA） 。液氦储 器没有直接与 SIA 相连，而是通过圆柱形的碳纤维增 强塑料，这样可以减少 SIA 与氦储器之间的热负载。
的铜块构成，其面积较小。当被冷却物体离制冷机较 远时，会影响冷量的传输。另外制冷机的冷量较小， 而用液体制冷剂冷却时却不存在这个问题。因此有 必要用多种制冷方式去实现所需要的制冷温度。如 图 1 所示，是空间低温领域在不同的温区所使用的不
图 1 太空领域不同温区所使用制冷技术 Fig． 1 Operating temperature range of different space coolers
COBE（ NASA） ISO（ ESA） HST（ NASA）
WIＲE（ NASA） INTEGＲAL（ ESA） ＲHESSI（ NASA）
Spitzer（ NASA） Ｒosetta（ ESA） Suzaku （ ISAS，NASA） Akari（ ISAS） Herschel（ ESA） Planck （ ESA） JWST（ NASA）
域比较广泛，从 100 K 至接近 0 K 之间都会涉及。与 地面所使用低温获得设备相比，航天应用低温设备在 以下技术方面的需求更为强烈：
（ 1） 制冷机所使用的材料能满足空间环境的要 求，其质量越低越好；
（ 2） 制冷机能在零重力状态下工作，必须能够经 受住由火箭所带来的振动；
（ 3） 制冷机的电功率尽量与航天器电源功率相
中图分类号： TB651，TB69
文献标识码： A
文章编号： 1000-6516（ 2013） 03-0051-06
Application of cryogenics in the field of space survey
Xu Lingshun1，2 Zhang Huabiao1，2 Wu Yifeng1，2 Yang Ye1，2
54
低温工程
2013 年
同的制冷技术。因为对制冷机的要求较高，所以一般 情况下都是采用多种制冷方式联用。在本文中，将根 据所需的不同制冷条件概述国外的制冷技术在太空 领域的应用。
2 1 K 以上制冷方式
即将在 2018 年发射的 SPICA 太空飞行器上将安 装红外太空望远镜［12］。其制冷系统是通过机械制冷 和辐射制冷实现。该卫星在太空执行任务的时间至 少 3 年以上。图 2 是其卫星运行时的模拟图片，外形 图与内部结构图。制冷集成由机械冷却和有效辐射 冷却构成，可以让 SPICA 望远镜集成系统包括一级 镜片，二级镜片，望远镜的光学试验台，仪器光具座和 焦平面仪器维持在 4． 5 K 的工作环境。仪器光具座
制冷温度 / K 3
1． 4 － 1． 6 1． 8 60 ＜ 7． 5 85 85 1． 4 80
0． 065 1． 8
0． 3，1． 7 0． 1，20 4 － 40
4． 5 0． 05 － 0． 3
寿命 290 天 305 天 804 天 700 天 120 天 2 －5 年 ＞5 年 2． 5 年 10 年 730 天 550 天 4． 5 年 460 天 5 － 10 年 5年 ＞5 年