空间低温光学试验深低温背景环境的实现

徐 冰，马 龙

(北京空间机电研究所，北京100076)

1 引言

空间低温光学技术具有广泛的应用前景，低温光学遥感相机测试和试验对工艺设备的要求不同于传统光学遥感相机。

低温光学遥感相机测试与试验平台是相机的性能测试与评价的基础设施，也是研制过程中至关重要的一项工作，最终的测试与评价结果是验证相机功能和性能重要依据。由于空间低温光学遥感相机的工作环境和待探测目标的特殊性，它的系统测试与试验平台必须能够提供超高真空(真空度优于1×10－5Pa)和深低温冷黑背景(背景温度20 K以下，甚至更低)环境条件。为了使光学测试获得更好的稳定性，试验的背景温度不均匀性优于±3 K，试验舱内不得有机械震动。目前空间环模设备中液氮流程的冷背景无法满足试验需求，必须在液氮冷背景的基础之上建立温度不高于20 K的深低温氦冷黑背景。国内尚无专门的空间低温光学试验设备，建立符合光学测试要求的深低温冷黑背景环境是主要技术难题，针对如何实现20 K以下的深低温光学试验环境进行了探讨。

2 氦冷背景实现形式

低温光学试验要求空间环模设备中的背景温度不高于20 K，在某些特殊试验中要求背景温度能够维持4.5 K左右，甚至更低。空间环模设备中的氦冷背景是由能模拟深低温冷黑环境的终端冷舱并配合大功率的氦制冷系统组成。目前，氦冷背景主要有以下三种实现途径。

(1)开式液氦冷却系统;

(2)机械式氦气制冷机系统;

(3)氦循环冷却系统。

2.1 开式液氦冷却系统

开式液氦冷却系统的形式与开式液氮冷却系统［1］基本相同，由液氦热沉和液氦储槽两部分构成，系统无法对液氦循环利用，结构如图1所示。为了减少液氦热沉在降温过程中的液氦消耗，液氦热沉首先通过液氮预冷至90 K以下，然后用冷氮气将液氦热沉内残留液氮吹出。待热沉温度回至100 K以上后(确保液氮充分汽化)，改用气氦吹扫，将残留的氮气吹除干净，再注入液氦，逐渐将液氦热沉降温至20 K 以下［2］。

开式液氦冷却系统有以下特点:

(1)原理与结构简单，设备制作工艺成熟，实现20 K以下深冷背景的工艺难度低;

(2)一次性投资较小，配套设备相对简单易用。

系统的不足之处:

(1)液氦热沉降温时需要反复注入氮或氦，使得降温操作工艺流程复杂。如果预冷的氮气有残留，注入液氦后，会导致氮气凝固，堵塞热沉管路，严重影响热沉温度均匀性和安全性;

(2)无法对液氦循环利用，液氦消耗量巨大，导致试验运行成本高;

(3)热沉温度均匀性差，无法满足低温光学测试要求。

2.2 机械式氦气制冷机系统

系统是通过一套或者多套大功率氦压缩机配合冷头，将某一冷板降温至20 K以下。这是直接使用机械式制冷将冷板降至20 K以下，操作简单，通过多块冷板组合成一个全包络式深冷背景。

该方式的氦冷背景有以下优点:

(1)结构原理简单，制作工艺成熟;

(2)系统操作简单，维护方便;

(3)试验运行成本低。

系统的缺点:

(1)冷头的冷源面积相对冷板较小，传导的方式使冷板降温至20 K以下，就会导致冷板均匀较差，难以满足光学测试需求;

(2)若使用多套大功率氦压缩机及其配套冷头，产生的震动影响光学测试。

图1 开式液氦冷却系统结构图

2.3 氦循环冷却系统

氦循环系统是目前技术最先进、最稳定可靠的氦冷背景冷却系统。它的原理类似于氮流程中的带有过冷器并有氮气回收系统的过冷液氮系统，主要包括全封闭式冷氦终端冷舱、主控制机、液氦冷箱、压缩机、气体纯化设备、储气罐、冷氦分配装置以及一些辅助设备。液氦通过分配装置注入到冷舱的制冷管路中实现降温，回流的氦气通过纯化、降温、液化等工序后，又被分配装置再次注入冷舱的制冷管路中。整套系统密闭循环，其优点也非常明显:

(1)背景温度均匀性好、状态稳定、无机械震动，适合光学测试;

(2)氦工质密闭循环，试验运行成本低;

(3)工艺技术先进、可靠性高。

空间低温光学试验的背景环境要求具有温度均匀性好、试验环境稳定性高以及测试工况时间长的特点，因此，以氦循环冷却系统方式建立的氦冷背景最适合用于空间低温光学试验。

3 氦循环冷却系统冷背景

3.1 系统原理

氦循环冷却系统冷背景是通过氦循环冷却系统建立的氦冷背景，由氦液化系统配合相应冷氦分配装置以及终端冷舱组成的密闭循环系统，其中氦液化系统是核心部分，原理框图如图2所示。

图2 氦循环冷却系统冷背景

终端冷舱的结构主要分为管板式热沉和组合式冷板两种。由于氦的热容较小，为减少试验过程中氦冷却系统的辐射冷损，通常将冷舱建立在一个全包络的液氮热沉中，在冷舱和液氮热沉之间加装辐射保温屏，尽可能地减少系统冷损。终端冷舱的冷氦入口与冷氦分配装置的输出端连接，回流端与氦液化系统的回收管路相连接，输出管路中冷氦的压力、流量以及温度参数在一定范围是根据需求调节的。终端冷舱跟液氮热沉结构基本相同，它跟冷氦分配装置的实现难度都不大，而与之配套的氦液化系统则是最关键的技术难点。

氦液化系统的工作原理是基于布雷顿循环和焦耳－汤姆逊效应组合而成的克劳德循环［3－4］。克劳德循环是一种节流循环液化气体的方法，也是氦气液化最有效的深度冷冻循环，主要是依靠气体的节流膨胀和逆流换热作用实现降温液化。循环首先使用压缩机将气体压缩成高压气体，再通过冷却带走压缩热，形成等温压缩过程，然后使高压气体进入一级换热器。通过一级换热器冷却的高压气体分为两部分:一部分进入膨胀机中绝热膨胀，形成低压低温气体;另一部分高压气体则进入换热器与低压低温气体进行换热降温。经过多级膨胀降温和换热作用后，高压气体最终通过节流实现液化，而膨胀过程中产生的低压气体侧返回压缩机入口实现循环，循环制冷量为公式(1):

式中 Q为循环制冷量;H为各级气体焓值;M为进入膨胀机的气体量。

光电提水亦称为光伏提水。利用太阳电池组件，通过控制器，直接(也可配置蓄电池)驱动潜水泵提水。牧区地下水埋深一般在10m以上，最为缺水的季节正是太阳能的峰值期，利用光伏提水非常适宜，随着光伏组件成本的不断下降和泵站关键技术的解决，在人畜饮水、灌溉人工草场和农田等领域具有广阔的前景[5]。

布雷顿循环［5］是以气体为工质的制冷循环，其工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀以及等压吸热四个过程。高压气体在等熵膨胀时，有功输出，同时气体的温度降低，产生降温效果，这是获得制冷效果的重要方法，尤其是在超低温技术领域中。循环中膨胀过程的温差可由公式(2)表示:

式中 ΔT为温度变化量;T1为初始温度;P1为初始压力;P2为膨胀后压力;k为理想气体常数。

焦耳－汤姆逊效应［5］是指流体经过节流膨胀过程前后的焓值不变，通过压力的降低产生降温效果。氦液化主要是利用该效应使得高压氦气流经过节流膨胀，获得低温和液化气体。氦流体在初态和终态的焓值分别为公式(3)和(4):

式中 U1、P1、V1、U2、P2、V2分别为初态和终态时的内能、压强以及体积。

不同的低温光学试验需要的冷背景温度不同，因此，要求的氦液化系统输出冷氦工质的温度也有所不同。氦的常压液化温度为4.22 K，它的物理性质决定了氦液化系统在输出不同温度冷氦工质时的基本原理一样，但是工作流程具有一定差异。总得来说，可以分为三大类:

(1)冷氦输出温度不低于4.22 K;

(2)冷氦输出温度不低于10 K;

3.2 标准的氦液化系统

冷氦输出温度不低于4.22 K的氦液化系统是目前的标准系统，当冷舱温度需要维持在4.5～10 K的范围内时，根据舱内热负荷选择规模合适的标准氦液化系统即可。该氦液化系统的主要工作原理和TS曲线如下，流程如图3所示:

(1)常温常压的氦气通过压缩机的作用，增压达到1.5×106Pa(图中13～14);

(2)压缩后的高压氦气流温度在300 K左右，通过油分离器除油后，才能进入冷箱系统进行降温液化;

(3)常温高压的氦气流进入冷箱后，利用低压回流的氦气进行初步冷却(图中14～1)，再将高压氦气流注入液氮冷却器E1和E2，使得冷却器E2出口处的高压氦气温度降至80 K(图中1～2);

(4)80 K的高压氦气流需通过低温纯化装置，除去其中杂质，保证杂质含量不高于1 ppb;

(5)纯化后的氦气流将分为两部分:一部分氦气流注入串联的透平膨胀机中，利用膨胀降温作用对冷却器E3、E4、E5以及E6进行逐级制冷(布雷顿循环，图中T1～T2);另一部分不进入透平膨胀机的氦气流，利用两次透平膨胀中冷却的冷却器进行逐级降温(焦耳－汤姆逊效应);

(6)最终通过焦耳－汤姆逊阀实现液化进入冷氦分配装置中(焦耳－汤姆逊效应)，而回流的冷氦对各级冷却器仍有降温的作用。

布雷顿在标准氦液化系统中的作用主要通过两个串联的透平膨胀机T1和T2实现，其中T1作用于高温透平，T2作用于低温透平。在两个透平膨胀之间，通过高温透平作用将冷却器E3和E4温度降至20 K(图中3～4过程);再通过低温透平作用将冷却器E5和E6温度降至12 K以下(图中4～9过程)。

图3 标准氦液化系统工作原理图

焦耳－汤姆逊效应主要是通过换热器E5－E6以及节流阀门的工作来保证。纯化氦气流中不进入透平膨胀机的部分首先在冷却器E3和E4中冷却至20 K(图中2～4)，然后注入交换器E5和E6冷却至12 K以下(图中4～6)，最终通过节流阀膨胀至1.2×105Pa实现液化(图中6～7)。

标准氦液化系统将温度为4.22 K的液氦持续注入到冷氦分配装置中，通过装置的调节输出温度为4.22 K的液氦或者10 K以下的冷氦气，控制流量和出口温度就能使试验设备中的冷舱温度在4.5～10 K的范围内任意调节。

3.3 温度不低于10 K的液氦系统

在要求环境温度为20 K的试验中，给冷舱提供一定流量和压力、温度不低于10 K的冷氦气流就能达到要求，而不需要输入液氦或者10 K以下冷氦气。这时对标准的氦液化系统做一定的简化，使得最终获得温度不低于10 K的冷氦气流(工作流程图见图4)。

工作原理是在标准的氦液化流程中去掉了焦耳－汤姆逊作用，以及一个透平膨胀流程，布雷顿循环的工作由单一的透平膨胀机完成:

(1)压缩机输出1.5×106Pa的常温高压氦气经过纯化后，注入E1～E6的各级冷却器进行逐级降温(图中1～6)，冷却器则依靠冷氦回流降温;

(2)从末级冷却器E6输出的高压氦气流直接进入透平膨胀机，通过膨胀减压降温的作用，将压力为1.5×105～1.8×105Pa以及温度在12～19 K之间的冷氦气流注入到冷氦分配装置中。

3.4 温度低于4.22 K的液氦系统

在某些特殊试验中要求环境温度低于4.5 K，那么冷氦输出温度必须低于4.22 K才能满足要求。由于氦的液化温度是4.22 K，要获得温度低于4.22 K的液氦，就必须在标准氦液化系统工作流程的末端再作进一步降温。

目前最为成熟的技术在标准的液氦化流程末端，增加一膨胀降温过程。将末端输出的4.22 K液氦分为两部分:一部分液氦进入真空膨胀机，根据冷氦温度的要求，使用膨胀机将液氦降至适当的压力，达到膨胀降温的目的，将冷却器E7温度要降至4.22 K以下;另一部分液氦则经过该冷却器进行再次降温，冷却到4.22 K以下，并通过第二个节流阀输入到冷氦分配装置中(图中17～19)，流程如图5所示。

图4 输出温度不低于10K的氦液化系统

图5 输出温度低于4.22K的氦液化系统

4 总结

循环式氦冷背景的最大特点在于温度均匀性好、系统稳定性高，是目前建立低温光学遥感相机测试与试验平台的深低温测试背景环境的最佳方式。根据试验中的热负荷以及背景环境温度要求，为冷舱搭配合适的氦液化系统以及冷氦分配装置，就能很好的满足试验背景环境需求。在不超出系统热负荷的前提下，系统能在一定范围内灵活的调节冷舱温度，有效地提高试验系统适应能力，使之能适用于不同背景温度的低温光学试验。

空间低温光学技术是未来航天光学技术发展的重要方向之一，试验深低温背景环境的研究，不仅能够有效提高低温光学测试与试验平台的可靠性，增强低温光学遥感相机功能验证和性能测试的科学依据，而且为空间低温光学技术的发展提供了有力的基础保障。

［1］黄本诚，马有礼.航天器空间环境试验技术［M］.北京:国防工业出版社，2002.

［2］李俊杰，欧阳峥嵘，严定传.空间环境试验舱液氦系统设计与测试，Design and test of liquid helium system of space simulator［J］.真空，2009，46(01):48～50.

［3］杨世铭，陶文铨.传热学(第四版)［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［4］BASS C.D，BASS T D，HECKEL B R，et al.A liquid helium target system for a measurement of parity violation in neutron spin rotation［J］，Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A，612(2009):69 ～82.

［5］Caillaud A，Bonneton M，Delcayre F，et al.Overview of different standard helium Liquefiers for various applications［M］.