空间深空探测低温制冷技术的发展

朱建炳

（兰州物理研究所 真空低温技术与物理重点实验室,兰州 730000）

1 引言

空间深空探测是以航天器、空间站或其它行星为平台,对地球以外的宇宙天体以及远离地球的空间进行探测的活动,包括进入深空的探测活动和在太空对深空进行的探测活动。由于受航天技术发展水平的制约,目前,人类深空探测活动的主要对象是月球,利用空间探测器也只能对火星、金星、木星等少数天体进行探测,更多时候则是利用各种天文卫星或空间望远镜对广袤宇宙空间进行观测。

在地面对宇宙太空进行观测,必须透过厚厚的大气层。受大气组分的影响,观测只能在几个电磁波段内进行,并且还会受到大气和尘埃粒子等因素的干扰。随着航天技术的不断发展,为空间深空探测和天文观测提供了必要的手段。人们可以通过卫星或空间望远镜收集各种宇宙辐射,对采集到的信号进行分析、研究,从而获得人类感兴趣的信息。空间深空探测的特点就是穿过地球大气层,实现对天体全电磁波段的探测。这是人类进一步了解宇宙,探索地球与生命的起源和演化,获取更多科学认识的重要手段,也有利于开发和利用空间资源,服务于人类社会的可持续发展。

2 对低温制冷技术的要求

2.1 制冷温度

众所周知,宇宙是个高真空、极低温（约为3K）的环境。要对处于深冷宇宙空间天体物质进行观测,提高探测器的灵敏度和整个系统的热稳定性,要求接收此信息的空间望远镜和仪器设备必须保持极低的温度。一般来说,探测器的波长越长,需要的制冷温度越低。天文望远镜光学系统温度与宇宙辐射背景之间的关系[1]如图1所示。从图中可以看出,对于远红外和亚毫米波长望远镜,其光学系统温度需要降低到几十开尔文以下,而用作探测器的微热量计和辐射测热仪须达到mK级,才能获得较高的探测精度。采用超导量子干涉器件（Superconducting Quantum Interference Device）的高精度探测器也要工作在1～8K的极低温度下。

图1 天文望远镜光学系统温度与宇宙辐射背景之间的关系

2.2 制冷系统设计

空间低温制冷系统对航天器及其有效载荷设备的结构布局和功能有重要影响,它需要根据航天器的使命进行有针对性的特殊设计,以确保探测器有关设备能够工作在合适的温度范围。在进行低温制冷系统设计时,除了要考虑制冷系统的制冷温度、制冷功率、质量和功耗等指标外,还应满足以下约束条件:

1）航天器从发射到任务完成要经历力学环境和热真空环境,所以要求制冷系统具有较强的环境适应能力;

2）3 年以上工作寿命和长期免维护、且工作可靠;

3）结构紧凑,布局合理,具有良好的绝热性能,冷量损失最少;

4）适应空间微重力的工作状态;

5）适应航天器各种工作模式要求。

3 空间深低温制冷技术

深低温制冷技术一般是指制冷温度在20K以下温区的制冷技术,制冷温度低于1K称为极低温制冷技术。适合空间应用的深低温制冷机主要包括超流氦杜瓦、多级机械制冷机、吸附式制冷机、绝热去磁制冷机和3He-4He稀释制冷机等。

3.1 超流氦制冷技术

超流氦制冷技术是利用超流氦的“热机效应”对探测器进行2.1K以下温区冷却,制冷量主要来源于从液态到气态的相变潜热,可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。

空间超流氦制冷系统包括超流氦存储杜瓦与探测器的热耦合组件以及长期运行的管理组件。整个制冷系统必须能够承受卫星发射时造成的力学环境影响,同时满足极高的绝热和密封要求。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。通过在杜瓦内部增加挡板解决杜瓦内部液体晃动对航天器姿态控制的影响。系统还必须能够经受长期空间的低温、辐射等恶劣环境的考验。

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,利用航天器轨道空间优良的热环境,降低超流氦的蒸发速率,从而延长航天器的工作寿命。美国BALL公司为斯匹策空间望远镜研制的超流氦杜瓦的主要作用是把探测器冷却至1.4K,同时采用蒸发的冷氦气将光学系统冷却至5.5K,制冷量达6mW[2]。该制冷系统就是利用辐射制冷将超流氦杜瓦外壳冷却至40K以下,用360L的超流氦可以满足5年工作寿命要求。

3.2 多级机械制冷技术

机械制冷技术是近几年空间制冷技术发展的重点。目前,已获得成功应用的长寿命机械制冷机有40多台,已经从冷却红外探测器扩展到冷却高灵敏度低温探测器与低温光学系统,为储存式制冷器提供冷屏,实现空间低温液体零蒸发储存（Zero Boil-Off）等。机械制冷机制成两级可以达到20K温区,三级或两级制冷加J-T制冷可以达到液氦温区。

在多级机械制冷技术的研究方面,美国位于世界前列。为了满足深空探测需求,2001年,NASA启动了高级低温制冷机开发计划（Advanced Cryocooler Technology Development Program,ACTDP）[3]。在该计划的支持下,洛克希德◦马丁公司成功研制四级脉管制冷机,最低制冷温度达到3.83K,温度在6K时,可提供50mW的制冷量;温度在18K时,可提供150mW的制冷量,功耗为725W,质量为21kg。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6K冷源,制冷量为70mW;三级脉冲管制冷机在10K温度条件下可提供200mW的制冷量,功耗为300W。BALL宇航技术公司采用三级斯特林制冷机与J-T制冷器复合技术方案,也可以远距离为冷却对象提供6K/70mW的冷源;三级斯特林制冷机在15K温度条件下可提供250mW的制冷量,功耗为150W。

日本在多级斯特林制冷机研究方面也取得了显著的成绩。三菱重工研制的双级斯特林制冷机在20K温度条件下可提供200mW的制冷量,功耗为80W,质量为9.5kg。该制冷机经改进后,用来预冷以4He为工质的J-T制冷器,在4.5K温度条件下可以提供50mW制冷量,功耗为145W,质量为23kg。采用该制冷机预冷以3He为工质的J-T节流制冷器,在1.7K温度条件下可以提供16mW制冷量,质量为25kg,功耗为180W。

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,通过污染控制延长工作寿命;采用与J-T制冷器耦合实现与被冷却对象的远距离冷却,降低冷头振动和电磁干扰的影响;开发一台压缩机驱动多冷头的新技术方案,以满足系统多点冷却需求。

3.3 吸附式制冷技术

吸附式制冷技术是利用吸附床加热解析获得高压气体,冷却吸附进行低压抽气的制冷方式,一般与J-T节流阀结合实现制冷。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。吸附式制冷机的工作温度取决于工质气体种类,吸附式压缩机可远离冷端,放置在航天器平台上。

美国JPL实验室已经为普朗克空间探测器成功开发了温度为20K的氢吸附低温制冷机,压缩机由6组金属氢化物吸附床和低压气体储存器组成,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450K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60K后,在J-T节流制冷器中膨胀冷却至18K,并提供冷量。液体和气体的混合氢在制冷腔吸热后,再通过逆流换热器升温至270K,在吸附床中被吸附,完成制冷循环。该吸附式制冷机在20K可提供1W制冷量,总功耗达370W,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300mK以下制冷温度。英国卢瑟福实验室（Rutherford Appleton Laboratory）为赫谢尔空间望远镜成功研制了3He吸附式制冷机[4],如图2所示。在超流氦热沉温度为1.5K,制冷机在290mK时,可以获得10μ W制冷量;制冷机工作中产生的吸附热通过热开关控制传导到超流氦热沉中,采用间断工作方式,工作时间可达70h。

图2 赫谢尔吸附式制冷机

3.4 绝热去磁制冷技术

图3 4级CADR制冷机

绝热去磁制冷机是利用顺磁盐的磁致热效应实现制冷,它由顺磁盐、高性能磁体和热开关组成。当对顺磁盐进行绝热去磁时,磁熵降低对外吸热,可以产生50～100mK低温。绝热去磁制冷机的优点是操作简单,工作效率高,无运动部件;其缺点是质量较大,强磁场会产生较大的电磁干扰,通常需要采用液氦或其它冷却方式为其提供几开尔文的低温热源。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质量为15kg的绝热去磁制冷机,采用1.3K超流氦作为热沉,在60mK可以提供0.3μ W制冷量。

目前,美国NASA正在开发可连续工作的多级绝热去磁制冷机（Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator,CADR）,通过热开关控制几台绝热去磁制冷机顺序工作,可获得连续制冷量。图3是美国GSFC研制的4级CADR制冷机,当热沉温度为4.2K时,在50mK可以提供6μ W制冷量,制冷机质量为8kg[5]。日本为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制冷机提供1.8K的热沉,研制成功了两级绝热去磁制冷机[6],在50mK可以提供0.4μ W制冷量,制冷机质量为8kg。

绝热去磁制冷技术发展方向是: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研制;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。

3.5 氦稀释制冷技术

氦稀释制冷技术是利用3He-4He溶液特性进行制冷,在3He-4He混合室中,当3He原子从浓缩相进入超流的4He中时,产生吸热效应而制冷。氦稀释制冷机的制冷温度可达100mK以下,制冷量可达100μ W;与其它极低温制冷机相比,可以连续工作,具有可靠性高,操作简单,无振动和电磁干扰,工作性能稳定等特点。3He-4He稀释制冷机如图4所示。

图4 3He-4He稀释制冷机

氦稀释制冷机已经在普朗克空间探测器中获得成功应用,如高频仪器（High Frequency Instrument）测热辐射计探测器采用3He-4He稀释制冷机将其冷却至0.1K[7]。它由3个4He和1个3He高压储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4.5K后被液化,再通过一个以3He为工质的J-T制冷器预冷至1.8K,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0.1K,制冷量为100nW,工作寿命为1年。

开式氦稀释制冷系统工作寿命有限,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,构成一个闭式制冷系统,从而延长其工作寿命。法国已经研制成功1台闭循环氦稀释制冷机,该制冷机采用1台3He循环泵和3He相分离器,实现了最低制冷温度39mK,在100mK有1μ W的制冷量[8]。

4 低温制冷技术在深空探测中的典型应用

欧空局研制的普朗克探测器（Planck Mission）已经于2009年5月发射成功,主要用于探测整个宇宙微波辐射背景[9]。普朗克制冷系统如图5所示。卫星运行于拉格朗日L2轨道,通过V型辐射制冷器冷却至50K,工作寿命为2年。有效载荷由1个长约1.5m的离轴望远镜和2个共焦面的微波辐射探测仪组成,其低频仪器探测器通过JPL研制的氢吸附式制冷机冷却至20K;高频仪器探测器阵列先由氢吸附式制冷机预冷至18K,通过英国卢瑟福实验室的J-T制冷器冷却至4K,再通过法液空公司研制的氦稀释制冷机将其冷却至0.1K,整个制冷系统功耗为426W。这是人类首次采用非液氦预冷的全主动制冷系统在空间获得mK级制冷温度。

图5 普朗克制冷系统

日本与NASA正在合作研制新型X射线探测望远镜（New Exploration X-ray Telescope,NEXT）,主要用于研究银河系中巨型黑洞演变过程,追溯宇宙结构形成历史,计划将于2013年发射[10]。其软X射线分光计（Soft X-ray Spectrometer）探测器制冷方案如图6所示。X射线分光计直接安装在36L超流氦杜瓦内,通过两级绝热去磁制冷机将其冷却至50mK。为了满足3～5年的工作寿命要求,设计采用2套两级斯特林制冷机与J-T制冷器复合制冷系统作为绝热去磁制冷机的低温热沉备份。当杜瓦中超流氦耗尽时,可以通过气隙式热开关控制复合制冷系统作为绝热去磁制冷机的热沉。另外2套20K两级斯特林制冷机为超流氦杜瓦提供冷屏蔽。制冷系统总质量为250kg,功耗达290W。

图6 软X射线分光计探测器制冷方案

美国和加拿大正在合作研制的詹姆斯◦韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope,JWST）是一台大型低温红外望远镜,JWST的结构示意图如图7所示。该望远镜由18块六边形铍镜拼接而成,主镜直径达6.5m,主要用于探索银河系、恒星和行星系的形成和演变过程,计划于2014年发射[11]。为了充分利用第二拉格朗日点轨道优良的热环境,设计采用一个大型可展开辐射散热屏能将整个望远镜和光学系统冷却至35K以下。其中红外仪器光学系统拟采用NGST公司的三级脉管制冷机与J-T制冷器复合制冷方法实现冷却,通过三级脉管制冷机将J-T制冷器工质预冷至18K,再通过J-T制冷器将探测器光学系统冷却至6.7K[12]。整个制冷系统功耗达400W,质量为79kg。脉管制冷机和J-T制冷压缩机均被安装在航天器平台上,远离制冷机冷头11m,J-T制冷器的柔性连管穿过了温差较大的3个区域,具有很高的技术挑战性。

图7 JWST的结构示意图

图8 Con-X制冷系统

美国NASA正在开发的X-星座（Constellation-X）计划,是目前仅次于JWST的X射线天文物理研究项目,由4台X射线望远镜组成。主要用于探索银河系的组成、宇宙的大尺度演化、物质和能量的循环、暗物质的特性等,计划将于2018年6月发射[13]。其有效载荷中的X射线微热量光谱计（X-ray Microcalorimeter Spectrometer）采用高分辨率超导量子跃迁探测器,其制冷方案如图8所示。X射线微热量计和制冷系统均设置在1个小型杜瓦内,杜瓦外壳通过辐射制冷方式冷却至150K,超导量子跃迁探测器和SQUID输出电路采用三级脉管制冷机与J-T制冷器复合制冷系统冷却至6K,再通过四级连续工作绝热去磁制冷机冷却至50mK,制冷量6mW。同时绝热去磁制冷机的第五级可以为探测器组件提供1.2K冷屏,并冷却探测器的SQUID放大器。

5 我国低温制冷技术需求与现状

我国的深空探测计划虽然起步较晚,但已取得令人瞩目的成绩,目前正处于相关探测技术的稳步发展阶段。“十一◦五”期间,我国已经启动了空间太阳望远镜与空间亚毫米波相干和非相干探测器的研究工作。空间亚毫米波相干和非相干探测器将采用超流氦低温系统,可以将探测器冷却至1.5～2.0K。

经过40多年的发展,我国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。十几台辐射制冷器已经在实际工程中得到应用,并且积累了丰富的实践经验。斯特林制冷机和脉管制冷机也趋于成熟,目前正在进行搭载飞行验证,但这些成果远远不能满足我国深空探测技术的需求。在超流氦制冷技术研究领域,中科院理化所在超流氦相分离技术方面进行了探索,建立了相分离器地面试验设备[14];兰州物理研究所已经开始了空间超流氦杜瓦的研制工作。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正在采用多级脉管制冷机进行探索;在空间极低温制冷温区,我国尚处于空白阶段。

6 总结与建议

从国外深空探测技术发展来看,为了实现有效探测,深低温制冷技术已经成为深空探测技术中最为关键技术之一。从制冷技术的发展来看,从早期以被动致冷为主,逐步转向以多级机械制冷为主的主动制冷;从单一的制冷方式向多种制冷方式复合制冷转变。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。

随着空间深空探测技术的不断发展,不仅要求低温科技工作者开发可以为航天器提供满足工作温度要求的可靠冷源,还要掌握深低温制冷系统的空间应用与热集成技术,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。

在空间深低温技术研究方面,我国与国外先进技术的差距依然很大,为了适应我国深空探测技术发展的需求,应及时开展深低温技术的研究工作,包括深低温制冷技术、被动热控制技术、大型太阳屏技术、低温传热技术、高效绝热技术和低温测试技术等。在现有机械制冷技术基础上,及时启动多级机械制冷技术研究工作,适时开展极低温区制冷技术探索,为其空间应用做好技术储备。

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