小型斯特林制冷机的航空应用与发展趋势

孙 皓，陈晓屏，乔 勇

小型斯特林制冷机的航空应用与发展趋势

孙 皓，陈晓屏，乔 勇

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介绍了国外军用航空器搭载的红外搜索跟踪系统、红外对抗系统、导弹及对应的制冷机匹配情况。对目前国外空军使用的在产或在研的各种整体集成式斯特林制冷机、线性斯特林制冷机的特点进行了总结，指出制冷机的环境适应性与可靠性是制冷机最重要的发展特点。

机载红外系统；斯特林制冷机；整体集成；线性制冷机

0 引言

虽然低温制冷机在军用方面有很多应用，但最主要的应用是冷却红外热像仪的焦平面阵列。从1964年德州仪器公司（Texas Instruments）制造的第一台真正的FLIR，由氦冷却的180元红外探测器开始[1]，到目前第三代FLIR吊舱系统，如雷声公司（Raytheon）ATFLIR吊舱使用斯特林制冷机的AE197锑化铟焦平面探测器[2]，军用航空低温制冷经历了深刻的发展演变，在性能、环境适应性、可靠性等方面有巨大的提升。

1 斯特林制冷机在航空领域的应用现状

在军用航空系统中，斯特林制冷机主要是满足导航、目标定位、导弹告警、红外导弹等多种红外应用的冷却需要，演变产生出各型适合空军应用的斯特林制冷机。表1列举部分典型的国外空军应用斯特林制冷机。大部分军用航空制冷机是分置结构，主要由美军装备，在SADA体系下大量采用线性制冷机。但随着其他国家机载红外系统的发展，采用高可靠旋转制冷机的军用航空制冷机体系也逐步形成，不再局限于SADA的体系，旋转制冷机尺寸小、效率高，以RICOR制冷机在机载导弹告警系统上的应用为典型代表。

1.1 搜索跟踪和目标定位

FLIR是先进作战飞机重要的传感器部件，是构成机载红外搜索与跟踪（IRST）系统、目标定位瞄准系统的重要组成部分。早期的红外搜索和跟踪系统往往只是些具备简单的目标指示或跟踪处理能力的前视红外摄像机，新型IRST采用大面阵的红外探测器，可以实现全方位、宽视场搜索和跟踪、导航、目标定位等功能[3]。这一类机载FLIR大量选配线性分置式斯特林制冷机，如美军配备的3种吊舱，雷声公司ATRLIR吊舱选配7055制冷机[3]，洛克希德-马丁公司Sinper“狙击手”吊舱选配LC1047，诺思罗普-格鲁曼公司LITENING“兰亭”吊舱选配LC1056和LC1062，以及F-35大规模焦平面多路红外系统选配LC1061[4]。F-35搭载诺思罗普-格鲁曼公司光电分布式孔径系统（EODAS）、洛克希德-马丁公司的光电瞄准系统（EOTS）。EODAS是一个采用6个红外凝视型焦平面阵列传感器的分布式孔径系统，EOTS则是一个高性能的、轻型多功能系统，包括1个第三代凝视型前视红外（FLIR）系统[5]。

表1 外军航空军用斯特林制冷机一览

第三代机载FLIR，采用集成杜瓦设计结合高效的制冷机。美国雷声公司与夜视和电子传感器委员会合作开发的FLIR，具有一个小型线性压缩机及9.1mm直径的冷指。制冷机平均寿命大于10000h；在环境温度为23℃，制冷机稳定工作于77K时，输出的制冷量大于1.5W，制冷机在10min以内可制冷至77 K；在环境温度为71℃，制冷机稳定工作于77K时，输出的制冷量大于1W，制冷机在15min以内制冷至77K[6]。

1.2 红外对抗系统

红外制导的空空和地空导弹对战术飞机构成了最大的威胁，特别是对低空、慢速飞行的直升机和具有明显红外信号的大飞机。在“沙漠风暴”行动中，至少20架美军飞机被红外导弹击落[7]。在现代冲突中，大致90%的飞机损失是红外导弹造成的[8]。随着先进红外凝视阵列导引头的出现，红外对抗系统的需求变得尤为迫切。红外对抗系统包括导弹告警传感器、控制装置、干扰装置。导弹告警常用的有紫外、红外传感器，干扰装置有箔条/火焰干扰机和定向能（弧光灯、激光）干扰机。在红外对抗系统中，斯特林制冷机用于冷却红外传感器和激光发生器[9]。

美军一直在进行红外对抗系统的研发工作，主要研发四大红外对抗系统：ATIRCM（先进威胁红外对抗）系统、DIRCM（定向红外对抗）系统、LAIRCM（大型飞机红外对抗）系统、TADIRCM（战术飞机定向红外对抗）系统[10]。ATIRCM主要供美国陆军直升机用，采用紫外告警和激光干扰；DIRCM供直升机和较大型飞机，采用诺格公司AAR-54紫外告警器和激光干扰；LAIRCM用于有强烈红外特征的多发动机大飞机，将采用红外传感器替代紫外告警系统，定向激光器干扰；TADIRCM针对作战飞机F/A-18E/F“超级大黄蜂”，采用ATK公司AN/AAR-47双色中波256×256红外焦平面探测器，工作在140K，DRS公司0.15W线性分置斯特林制冷机提供冷却。虽然美军的导弹告警系统中也用紫外告警，但凝视型红外告警系统作用距离更远，能较好地抑制杂乱回波，而且能工作在不同的波长，使虚警率降到最低。雷声公司的PAWS-2导弹告警系统就是采用每机6个红外告警器提供全方位覆盖，成功的应用于F-16战斗机，PAWS-2红外探测器采用7062制冷机提供冷却[2]。以色列SCD公司推出的机载导弹告警系统探测器采用高可靠性的旋转整体式制冷机[11]，耐受极端高温的能力强，整个系统获得功耗低、体积小的优势。

1.3 红外制导导弹

红外制导导弹利用红外探测器捕获辐射能量并进行目标跟踪，从而实现自主寻的，是红外技术的重要军事应用之一。红外制导导弹的发展可分为两大阶段：第一阶段为热点式制导导弹（点源寻的制导导弹）；第二阶段为热成像式制导导弹，其中又分为两代，第一代红外成像制导导弹采用多元线列探测器和旋转光机扫描器相结合的方法实现对空间二维图像的读出，第二代红外成像制导导弹采用扫描或凝视红外焦平面器件（目前长波64×64元、128×128元和中波256×256元、320×240元红外焦平面探测器件以及4N扫描焦平面器件已经达到实用水平），采用了复杂背景下目标识别技术[12]。

热点式制导导弹和第一代红外成像制导导弹全部采用节流制冷器提供冷量，弹载节流重量轻、启动快、工作持续时间短。而第二代红外成像制导导弹开始采用斯特林制冷机冷却。著名的AIM-9X红外导弹，冷量依靠雷声7052分置线性斯特林制冷机提供[2]。AIM-9X采用128×128元中波凝视红外成像导引头，除了具有精确的制导能力外，还能与国际视觉系统公司的联合头盔指示系统（JHMCS）联用，在导弹发射前为飞行员提供有用的成像信息作态势感知用，因此制冷机要求有持续的工作能力以及足够长的寿命。

1.4 无人机

无人机对于载荷有严格的重量和功耗要求，尤其是微型低海拔无人机，重量影响到飞行性能[13]。整体旋转式斯特林以其结构紧凑、重量轻、功耗小也成为无人机应用的重要选择。Ricor公司开发的K562S制冷机，重量仅185g，MTTF＞5000h，结合工作温度在110K左右的焦平面探测器可以满足小型便携无人机的要求，以高性能制冷型红外探测器取代非制冷红外热像。Ricor公司的高效率轻量化单电机线性分置制冷机化K527，重量270g，重量和效率高于SADAIIIA指标，已经成功用于Controp公司的无人机光电转塔D-STAMP，安装在赫尔墨斯系列无人机使用[14]。大型无人机载荷能力稍大，可以搭载质量更大的制冷机供更高性能红外热像仪用。美军全球鹰无人机选用Raytheon公司7055制冷机冷却AE197中波640×512 InSb探测器，构建高性能FLIR[2]。Thales公司正计划为无人机和其它类型的监视飞机开发一种双光谱热成像摄像机，该双光谱传感器基于现有的Catherine热成像火控系统生产系列改进而来，命名为Catherine XP的首部双光谱传感器原型机已于2007年3月完成[15]，采用0.7W级集成整体式RM4-7i冷却Catherine XP量子阱探测器[16]。

2 空军用斯特林制冷机特点及发展趋势

2.1 军用航空斯特林制冷机特点

为满足军用航空载荷工作条件的各种适应性限制，军用航空斯特林制冷机与普通军用斯特林制冷机相比有更为严格的性能要求。军用航空斯特林制冷机特点总结如下。

2.1.1 环境适应性强

军用飞机具有明显的正弦振动和随机振动特征、受到攻击或发射武器时具有强烈的冲击。以RICOR为例，要求机载应用的制冷机达到两个级别的环境适应性，如图1[11]所示，一级是环境温度85℃、随机振动10rms，二级是环境温度110℃、冲击300。而应用于红外制导导弹需要抗大过载的环境适应能力，如AIM-9X导弹采用矢量推力发动机，机动力强，产生很高的过载。

图1 RICOR制冷机发展路线和环境适应性分级

2.1.2 效率高性能优异

越来越多的红外热像采用大规模焦平面探测器，需要的制冷量也随之增大。诺格公司Litening（“兰亭”目标定位吊舱）AN/AAQ-28早期曾采用雷声AE194中波256×256焦平面探测器[2]，现在已经采用中波640×512和1024×1024探测器。高性能低功耗的制冷机需求变得迫切，以满足日益增长的红外探测器冷却需要。Cobham公司研发了高效的LC1062取代LC1056，两者外形尺寸、重量一致的情况下，LC1062比LC1056有20%的性能提升；LC1061定位为轻量化1W制冷机，拥有SADAII 0.514in冷指，但是重量3.1lb比SADAII制冷机LC1047轻了1.1lb；为第三代FLIR开发的LC1065更是冷量达到1.5W，达到SADAI制冷机性能的水平，但重量仅2.5lb。制冷机性能的提升不单依靠新型永磁材料等材料升级措施；结构上也有新的进展，新型阶梯轴膨胀机[17]有助制冷机性能提高，其原理是声功回收。

2.1.3 冷指尺寸多样

SADA体系是美军在红外技术发展前期通过统一标准以降低风险和控制成本的措施。随着红外技术的发展，成本已得到良好控制，SADA体系受到冲击，冷指已变得丰富。Cobham公司制冷机供第三代前视红外系统用的超高性能制冷机LC1065采用0.373in冷指，不符合SADA系列的任何一款冷指尺寸；Raytheon公司开发的7055采用的是0.253in冷指，也不符合SADA的尺寸。RICOR论述了发展9mm冷指和7.6mm冷指的目的是通过更强壮的冷指提高探测器组件的振动环境适应性。可以看到，冷指尺寸是在制冷机性能提升的基础上结合环境适应性要求而决定的。

2.2 军用斯特林制冷机发展趋势

随着红外探测器在空军装备应用的深入，空军用斯特林制冷机形成了自身的发展特点。

1）轻量化，高效率。小尺寸、大冷量、低功耗一直是制冷机发展的方向。为降低重量指标，需研制高效电机，开发紧凑而高效的电机缩减尺寸，采用新材料减轻质量。

2）强调环境适应性。对于舰载战斗机，高温工作环境温度可能短时间突破71℃，降落拦阻冲击达到300[11]，这对于长寿命的线性制冷机也是极其严酷的，尤其是高温下线性制冷机性能衰减很快。空装制冷机的应用涉及比陆装更为严酷的环境。

3）提高可靠性。技术的进步将线性制冷机的MTTF提高到20000h以上，旋转整体式制冷机的MTTF达到10000h[18]。

2.3 军用斯特林制冷机的技术进展

2.3.1 增强环境适应性的技术途径

改善结构设计，减少结构的薄弱环节。对于膜片弹簧支撑的线性制冷机，膜片弹簧的高径向刚度形成有效的支撑，配合活塞气缸的合适间隙，具有较强的振动环境适应性。对于整体式旋转制冷机，不过分追求制冷机的轻量化，K508N通过对K508的压紧法兰和曲轴箱结构补强提高了振动环境的适应性，如图2[19]，预期K508N的MTTF超过K508达到20000h。

图2 K508N和K508对比

优化热力学、改进热管理，提高温度环境适应性。旋转制冷机的热力学效率可以通过提高充压、提高压比获得，所以更容易获得高温环境下的制冷性能，RICOR的高充压压缩机K548、K543就能在85℃温度工作，最新的K544（见图3）由于采用综合热管理技术，工作温度高达102℃。线性制冷机是弹簧振子系统，气体充当了振子系统里的一个弹簧，充气压力与机械设计难以解耦，因此线性制冷机在常温和高温下的性能较难兼顾，目前鲜有71℃以上的线性斯特林制冷机。

2.3.2 提高可靠性的技术途径

斯特林制冷机可靠性问题的一个主要方面是磨损，消除或减缓磨损可以提高制冷机可靠性。线性制冷机依靠膜片弹簧的支撑体系，实现了理论上的无接触结构，极大提升了线性制冷机的可靠性；加之耐磨工程材料技术迅速发展，涂覆高分子耐磨层进一步保护了活塞、提高线性制冷机可靠性[20-21]。旋转制冷机也有无接触结构的设计，席有民[22]借助滚珠花键结构实现活塞的支撑与运动传递，保持活塞与气缸之间的无接触式间隙密封以提高活塞耐磨水平。旋转制冷机活塞耐磨技术是依靠镀层对活塞实施保护。DLC和TiN硬质镀层微观结构致密，硬度高、摩擦系数低，可以较好地保护活塞，提高耐磨寿命。

3 结束语

我国军用斯特林制冷机研制处于跟踪模仿国外产品的阶段，还在做建立产品体系的工作，并逐步建立起工程化生产制冷机的基础技术和工艺能力。而国外的军用制冷机研发开始打破原有体系，着重解决全新应用面临的环境适应性、可靠性与轻量化的技术要求，立足大系统的可用性，并不局限于原有体系。这对于我国军用制冷技术研发的借鉴意义是：不能只满足于对国外产品的跟踪，应结合光电系统和平台系统的特点，根据国内红外应用系统的情况发展具有自身特色的制冷技术与产品。

[1] Chuck Larsen. TI Infrared or (FLIR)[EB/OL]. Smithsonian Institution [2013-07-02]. http://www.smithsonianchips. si.edu/index2.htm.

[2] Raytheon. DTS04-0019 03/2005[Z]. 2005[2010-10]. www.raytheon.com.

[3] 张延坤, 王旭. 美国机载红外搜索与跟踪系统的发展[J]. 舰船电子工程, 2008(6): 40-43.

Zhang Yankun, Wang Xu. Development of america airborne IRST systems[J]., 2008(6): 40-43.

[4] Cobham. ADV10531 REV B, ADV10553 REV A[Z]. 2009[2010-10]. http://www.cobham.com.

[5] Lockheed Martin. S010-0001-05[Z]. 2010 [2010-10]. http://www.lockhe- edmartin.com.

[6] 范永杰, 金伟其, 刘崇亮. 前视红外成像系统的新进展[J]. 红外与激光工程, 2010(4): 189-194.

FAN Yong-jie, JIN Wei-qi, LIU Chong-liang. New progress on FLIR imaging system[J]., 2010(4): 189-194.

[7] Sandra I. Erwin, U S. Warplanes vulnerable to shoulder-fired missiles[J/ OL]., December 2001. http://www.national defense magazine.org/archive/2001/December/Pages/US_Warplanes4164.aspx.

[8] Michael Puttre. Facing the Soulder-Fired Threat[J]., 2001(4).

[9] Carl S Kirkconnell, Brad A Ross. Raytheon dual-use long life cryo- cooler[J]., 2005, 5783: 169-177.

[10] 胡志鹏, 李耐和. 机载红外对抗系统[J]. 红外, 2004(11): 31-34.

Hu Zhi-peng, Li Nai-he. Airborne infrared counter measure systems[J]., 2004(11): 31-34.

[11] Avishai Filis, Nachman Pundak, Yoav Zur, et al. Cryocoolers for infrared missile warning systems[C]//,, 2010, 76602L, doi: 0.1117/12.850006.

[12] 汪中贤, 樊祥. 红外制导导弹的发展及其关键技术[J]. 飞航导弹, 2009(10): 14-19.

Wang Zhong-xian, Fan Xiang. Development and key-technology of infrared-seeker missle[J]., 2009(10): 14-19.

[13] Avishai Filis, Zvi Bar Haim, Nachman Pundak, et al. Micro miniature rotary stirling cryocooler for compact, lightweight and low power thermal imaging systems[J]., 2009, 7298: 729818-1-9.

[14] Veprik A, Zehtzer S, Vilenchik H, et al. Split stirling linear cryogenic cooler for high temperature infrared sensors[J]., 2009, 7298: 729816-1-10.

[15] 张进. 无人机载光电/红外载荷的现状和发展[J]. 飞航导弹, 2008(4): 34-38.

Zhang Jin. A review of EO/IR payload for UAV[J]., 2008(4): 34-38.

[16] Alain MANISSADJIAN, David GOHIER, Eric COSTARD, et al. Single color and dual band QWIP production results[J].,XXXII, 2006, 6206: 62060E. doi: 10.1117/12.669123.

[17] 江重桦, 陈晓屏, 夏明, 等. 分置式斯特林制冷机气动膨胀机阶梯轴振子运动特性研究[J]. 红外技术, 2014, 36(1): 68-72.

JIANG Chong-hua, CHEN Xiao-ping, XIA Ming, et al. Motion characteristics study on the stepped-rod type vibrator in pneumatic expander of split-stirling cryocooler[J]., 2014, 36(1): 68-72.

[18] 陈晓屏. 微型斯特林制冷机可靠性现状及趋势[J]. 真空与低温, 2010, 16(4): 198-202.

CHEN Xiao-Ping. The reliability development of the tactical Stirling-cryocooler[J]., 16(4): 198-202.

[19] Barak Moshe, Avishai Filis, Nachman Pundak, et al. RICOR’S K508N highly reliable integral rotary cryogenic cooler[A]. 2011[2013]. www.ricor.com.

[20] 辛存良, 何世安. 石墨掺杂聚四氟乙烯基耐磨涂料在制冷机中的试验研究[J]. 低温与超导, 2015, 43(2): 19-22.

Xin Cun-liang, He Shi-an. Experimental study on the wear-resistant coatings based by PTFE mixed with graphite in the refrigerator[J]., 2015, 43(2): 19-22.

[21] 朱艳慧, 朱魁章, 何世安, 等. 减薄耐磨涂层对斯特林制冷机性能的影响[J]. 低温与超导, 2014, 42(7): 16-18.

Zhu Yanhui, Zhu Kuizhang, He Shi’an, et al. The influence of reducing coated thickness of piston on the performance of Stirling cryocooler[J]., 2014, 42(7): 16-18.

[22] 席有民, 平丽浩, 钱吉裕. 滚珠花键支撑斯特林制冷机研制[J]. 低温与超导, 2013, 41(2): 15-18.

Xi Youmin, Ping Lihao, Qian Jiyu. Stirling cryocooler supported with spline bearing[J]., 2013, 41(2): 15-18.

A Review of Micro Stirling Cooler for Aero

SUN Hao，CHEN Xiao-ping，QIAO Yong

(,650223,)

Application of Stirling Coolers employed in IRST and IRCM mounted on the military aircraft including missile is presented. This paper induces the characteristics of those cooler involving integral Stirling cooler and linear Stirling cooler, and points out survival in harsh environment and reliability are important capabilities of Stirling cooler.

airborne IR，Stirling cooler，integral cooler，linear cooler

TN2，TB6

A

1001-8891(2015)11-0906-05

2015-05-18；

2015-08-03.

孙皓（1979-），博士，高级工程师，主要研究小型低温制冷机。