空间红外天文观测中低温制冷系统分析

刘心广 吴亦农 李春来

(1杭州电子科技大学电子信息学院 杭州 310018)(2中国科学院上海技术物理研究所微型制冷技术研究室 上海 200083)(3中国科院上海技术物理研究所航空遥感技术研究室 上海 200083)

1 引言

天文学历史久远，但利用红外波段进行天文观测则起步很晚，直到20世纪60年代以后，由于红外技术的发展和空间探测的成功，久隐深空的天体红外辐射才成了揭示宇宙奥秘的工具，红外天文学开始发展，逐渐揭开了冷宇宙神迷的面纱。

红外天文学是在0.7 μm到1 000 μm之间的波长上观测和研究天体。一般温度低于4 000 K天体的辐射主要在红外区，是空间红外天文观测的主要对象，其研究意义［1］重大，但是除了少数大气窗口外，地球大气层吸收了几乎所有的红外辐射，所以必须用高灵敏度的天基观测平台进行空间红外观测。

工作在中远红外波段的探测器自身需要一个近绝对零度的工作温度，且由于其探测的目标和背景均为冷环境，为降低光学系统本身的热噪声，提高成像质量，必须配备低温制冷系统。制冷技术是红外天文观测的核心技术之一，它直接关系到探测性能和卫星的工作寿命。本文对红外天文卫星中低温系统的构成进行了分析，针对空间的特殊应用环境，对3项关键技术(气液相分离器、质量监测、流量调节)进行了研究。

2 空间红外天文卫星

自第一颗空间红外天文卫星IRAS于1983年成功发射之后，随着各项技术的成熟应用，空间红外天文卫星获得了较快的发展，针对各项任务的红外卫星相继发射成功，如表 1 所示［2－6］。其中，SIRTF 和 ASTRO－F卫星的整体与结构剖面分别如图1、图2所示。

表1 部分红外天文卫星概况Table 1 General situation of some infrared astronomy satellites

图1 SIRTF外形及剖面构成Fig.1 Figure and section schematics of SIRTF

可以看出，红外卫星中，望远镜部分的工作温度为5 K，远红外的探测的工作温度为1.5 K，对此接近绝对零度的深低温工作环境，均采用了超流氦制冷，液态超流氦的携带量从400 L到2 200 L不等，而超流氦的用量也就成了限制卫星整体运行寿命的关键因素。

卫星中低温制冷系统的设计与卫星运行轨道、内部热负载、热量的传输与交换方式等直接相关。

2.1 SIRTF

图2 ASTRO-F外形及剖面构成Fig.2 Figure and section schematics of ASTRO-F

SIRTF是NASA4大天文卫星计划的最后1颗，工作波长范围在3 μm到180 μm之间，望远镜主反射镜的直径85 cm，是目前孔径最大的空间红外望远镜。SIRTF的轨道是“尾随地球的日心轨道”，即处在地球背面的拉格朗日点上，与地球保持同样的角速度绕太阳公转，这使得SIRTF有一个良好的热环境;深空环境温度约30 K至40 K，利用大自然作为冷却源，SIRTF可以携带很少的液氦，大大减轻了自身质量。

SIRTF的有效载荷必须在深低温状态下才能正常工作，而其低温保持器能够使这些科学仪器的温度在5年内一直保持在约1.4 K。低温保持器由真空外壳、内部和中间蒸汽冷却防护层、氦罐和流体管理系统组成，氦罐内装有360 L超流氦。

望远镜外壳可以把热量辐射到背朝太阳的冷空，太阳电池帆板为望远镜遮挡太阳光，中间防护部分阻断来自太阳电池帆板和卫星平台的热量。望远镜固定在蒸汽制冷的低温防护罩顶部。SIRTF在发射过程中，望远镜和低温防护罩变热，进入预定轨道后，通过与深空的辐射换热，用约1周时间将卫星外壳冷至50 K;之后，望远镜和外壳的热耦合被切断，氦蒸气用几周的时间将望远镜组件冷却至5.5 K，将探测器组件冷却至1.4 K，从此，卫星整体开始正常工作。

以前的空间红外望远镜都由巨大的制冷器掩盖，以使望远镜保持在接近绝对零度的温度，这种称为“冷发射”制冷方式，而SIRTF采用了创新的“暖发射”制冷方式，它在环境温度下发射，在深空通过辐射制冷降低外壳温度，只有探测仪器等密封在真空壳内。“暖发射”制冷方式大大减小制冷剂的质量，延长了卫星的工作寿命。

2.2 ASTRO－F

ASTRO－F是日本首颗红外天文卫星，进入距离地面745 km的太阳同步轨道后，将以每圈100 min的速度运行。这架望远镜能够观测到1.7 μm到180 μm之间的远红外的广阔波段，拥有出色的空间分辨率和探测能力，够对1 000万个星系进行探查。

ASTRO－F搭载有液氦冷却型红外望远镜、远红外测量仪和红外照相机，每半年就可以将整个天空一览无余，也可以对特定天体进行定向观测。“ASTROF”的观测生涯预计约为550天，期间望远镜和大部分探测器被制冷到5.8 K，远红外的探测被冷到1.8 K。制冷系统采用了复合制冷方式:外壳跟星体隔离，被辐冷到200 K;利用两套两级斯特林制冷机冷却低温保持器外屏，减少漏热，节省氦的用量，进而减轻整体体积和重量，其低温杜瓦中盛有170 L超流氦。

3 低温系统设计

在红外天文观测卫星中，红外波段探测器工作温度设计在1.5 K，望远镜工作温度设计在5 K。因此，对探测器组件和望远镜组件可采用超流氦和氦蒸气制冷［7］;为了减少液态超流氦的携带量，并延长卫星整体工作寿命，对超流氦杜瓦的外壳可用机械制冷机预冷到80 K，机械制冷机可采用斯特林型或脉管型;同时在卫星整体的外壳上，设计辐射制冷和热屏蔽，充分利用外太空的冷背景，降低卫星热功耗，将外壳辐射制冷到200 K。整机热耗和各级制冷量的具体值可依设计方案中的散热阻抗网络模型计算，此处不予详述。总体制冷方案及其有效载荷分别如图3、图4所示。

图3 低温制冷方案Fig.3 Blue print of cryogenics

图4 低温系统有效载荷示意图Fig.4 Payload schematics of cryogenic system

4 关键技术

超流氦制冷是整个低温系统设计中最关键的环节，涉及的的关键技术主要有:超流氦的储存、杜瓦的绝热支撑、超流氦的流动换热方式、超流氦的气液相分离、超流氦的质量监测、超流氦流量的调节、超流氦的填充及试验考核等。其中，空间应用与地面应用的差异性主要体现在气液相分离、质量监测和流量调节等技术上。

4.1 气液相分离

超流氦气液相分离器是空间红外探测器冷却系统中的关键部件，作用是在失重条件下限制超流氦向外空间泄漏，同时排出超流氦制冷所产生的氦蒸气，保持超流氦制冷系统恒温器的温度稳定性。

基于超流氦二流体理论的热－机械效应［8］和相分离器流动传热特性制成的多孔塞相分离器，结构简单、可靠性高，被广泛应用于空间超流氦制冷系统中［9－12］，其工作原理如图5所示。远红外探测器组件所放出的热量，被传输到多孔塞的下游，从而在多孔塞上下游形成温差ΔT，根据超流氦的热－机械效应，温差可以导致压差，使得上游压力升高Δp，最终在多孔塞的孔道中产生稳定的热流和质量流。液氦在多孔塞下游气液界面蒸发，气体带走探测器组件传输过来的热量，维持下游温度的稳定，这样气液相分离器就维持了多孔塞上游超流氦杜瓦内的温度和压力的稳定。当器件放热量增大时，多孔塞两端的温差和压差也随之升高，引起相分离器质量流率和热流密度增大，实现热平衡。

图5 多孔塞气液相分离器原理图Fig.5 Working principle of porous plug liquid-vapor phase separator

4.2 质量监测

超流氦的用量是决定卫星整体工作寿命的重要参数，在轨检测其质量也是对卫星控制、调节的重要依据。在失重条件下，气体和液体不存在明显的分离界面，因此不可以像地面上那样通过测量液面高度来计算超流氦的质量。

为了对超流氦进行在线监测，可利用氦的热容量来间接测量。Q=mcΔT，其中:Q为加热量，m为氦质量，c为其比热容，ΔT为温升。在已知氦的热容量参数下，可以通过给内部氦加热量Q，通过测量其温升ΔT，来计算其质量m，该操作中的温度反应如图6所示［13］。

图6 质量测量的温度反应Fig.6 Mass gauge measurement response

4.3 流量调节

对超流氦输送的流量调节目的是消耗最少的超流氦来满足各器件的工作温度，进而延长卫星整体工作寿命。压差和速度是超流氦输送的动力源，不同的相分离器对应不同的流量调节方法，对多孔塞相分离器来说，可在其两端安装辅助加热控制器，通过调整附加加热量的大小，来控制多孔塞两端的温差ΔT，进而改变相分离器两端的压差，实现超流氦流量的调节。在温度梯度的作用下，微细孔道中的超流氦并不能大量地向压力较低的下游流动，这也是多孔塞能够防止超流氦大量泄漏和调节流量的原因。

5 结论

低温制冷系统是决定红外天文卫星成像质量、工作寿命的关键组成之一，本文根据探测器组件和光学部分极低工作温度的需求，分析了红外天文卫星中的低温系统，给出了总体制冷方案和低温系统有效载荷示意框图，通过三级复合制冷方式，最大程度地降低超流氦用量，延长卫星工作寿命;针对超流氦制冷在空间应用时的特殊性，阐述了气液相分离、质量监测、流量调节3项关键技术的工作原理。

对空间红外天文观测低温制冷系统的研究，不仅可以促进氦制冷系统在空间的应用，推动空间红外观测技术的发展，深入对浩瀚冷宇宙的认识;还将会为未来中国第一颗红外天文卫星升空打下坚实的理论基础，为中国空间红外探测的进展拉开新的序幕。

1 焦维新.当代空间红外天文观测技术的发展［J］.国际太空，2003(8):1－4.

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5 Stephen M Volz，Russell B Schweickart，Bruce Heurich.Superfluid Helium Cryostat for the SIRTF Cryogenic Telescope Assembly.IR Space Telescopes and Instruments［C］.Proc.of SPIE，2003，4850:1038－1049.

6 Shibai H.ASTRO－F mission ［J］.Advances in Space Research，2004，34:589－593.

7 刘心广，吴亦农.超流氦制冷系统在空间红外天文观测中的应用［J］.红外，2008(1):1－5.

8 余兴恩，李 青，洪国同，等.超流氦气液相分离器实验研究［J］.导弹与航天运载技术，2004(6):43－48.

9 Tuttle J G，DiPirro M J，Shirron P J.On－orbit superfluid transfer:preliminary results from the SHOOT flight demonstration ［J］.Cryogenics，1994，34:349－356.

10 Nakano A，Petrac D，Paine C.HeⅡ liquid/vapor phase separator for large dynamic range operation ［J］.Cryogenics，1996，36:823－230.

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12 Nakano A，Petrac D，Paine C.Investigation of large dynamic range helium Ⅱ liquid/vapor phase separator for SIRTF［J］.Cryogenics，1999，39:471－479.

13 Stephen M Volz，Russell B Schweickart，Bruce Heurich.Superfluid helium cryostat for the SIRTF cryogenic telescope assembly［C］.Proc.of SPIE，2003，4850:1038－1049.