空间机械制冷机降额使用条件分析

王兵

（北京空间机电研究所，北京　100094）

空间机械制冷机降额使用条件分析

王兵

（北京空间机电研究所，北京100094）

空间机械制冷机是红外探测器组件中的关键组成部分，在性能参数满足要求后，可靠性成为制约制冷机在实际任务中应用的关键因素。根据不同的在轨使用寿命要求，对制冷机采取降额使用的策略是提升在轨可靠性的有效途径。在总结制冷机失效模式及分析其失效机理基础上，明确了降额的依据，并确定了降额因子大小。

空间机械制冷机；失效模式；降额；降额因子

0　引言

空间制冷机是红外探测器组件中的关键组成部分，在性能参数满足要求之后，可靠性就成了制约制冷机在实际任务中应用的关键因素。国外空间制冷机历经多台空间应用及地面大样本量试验测试，可靠性已得到充分验证。国产制冷机经过多年的发展，产品功能已满足使用要求，但由于应用深度和广度欠缺，可靠性数据积累不足，导致在实际配套中存在较大的可靠性风险。为有效控制在轨风险，提高可靠性，在国产制冷机研制能力现状下，让制冷机降额工作是行之有效的措施。

目前空间制冷机主要是斯特林制冷机和脉冲管制冷机，二者结构形式及制冷机理存在一定差异，但关键参数具有共性考核意义。因此，在对制冷机失效模式进行充分总结基础上，明确降额依据，并确定降额因子大小。

1　空间制冷机失效分析

1.1失效模式

以斯特林制冷机为例，其早期失效主要是指初期装配运行时，出现各种不能正常运行或制冷机性能指标无法达到要求的失效。

通过对多种结构、规格的制冷机研制及调试中出现的问题研究，认为制冷机早期失效包括：运动部件的卡缸、耐磨层的脱落、运动部件的撞缸、直线电机引线的断路或短路、结构件的松动或转动等［1］。

对“牛津型”斯特林制冷机的正常失效分析国外及国内研究均很深入，主要包括磨损、泄露、疲劳、污染以及空间散热等。

可靠性（长寿命）是指制冷系统的性能在规定时间内（或长期）保持不衰减或衰减在规定范围内。包括制冷机及制冷控制器。

一般产品的寿命过程都经历3个阶段：早期失效期、随机失效期和耗损失效期。对应这3个阶段的失效率与时间的关系曲线呈浴盆状，即所谓的浴盆曲线，如图1所示。

图1　制冷机理论寿命浴盆曲线

1.2可靠性分析

美国JPL实验室经过几十年对国际上众多空间制冷机研制单位的研发和测试的数据积累，分析和比较了几类空间机械制冷机的可靠性，例如压缩机采用对置形式的脉管制冷机的总失效概率为7.5%，压缩机采用平衡器形式的脉管制冷机为7.9%，压缩机采用对置形式的斯特林制冷机为13.7%，双斯特林制冷机为16.3%。

由此可见，膨胀组件的存在导致二类空间制冷机的总失效概率大不相同。另外，还注意到制冷机可靠性的另一个关键因素就是输入功率的影响程度。由于功率转化关系是决定制冷机的选取和尺寸大小的关键参数，所以，如何反映和预估功率对可靠性的影响对于空间制冷机研究至关重要［2］。

表1为某型号脉管制冷机和控制器可靠性数据，统计数据详细描述了制冷机和控制器可靠性随功率和行程变化的情况和相应的各个失效机理的发生概率，从表中不难发现随着功率和压缩行程的增加，制冷机和控制器的总失效概率均增加，但控制器增加的幅度远小于制冷机的幅度。该表还反映出内部污染是除泄露（属于单点失效）外随机过程中失效概率最大的一种失效模式［3］。

表1　空间制冷系统的可靠性数据

国外诸多研究机构认为，在其他影响可靠性的因素解决后，污染引起制冷机的失效是主要的失效模式。大量的观察、寿命试验以及空间应用也表明，机器性能的退化直接源于内部污染。主要由两方面引起，一方面是由于材料除气工艺不足，导致污染物残留的初始污染；另一方面是内部材料如回热器、电机胶、活塞衬套等材料的缓慢持续出气污染。初始污染可以延长除气处理时间来控制，而材料的出气污染难以从根本上消除，是制约制冷机长寿命的根本因素。

大量研究表明，非金属材料的除气特性与温度的关系遵循如下规律：

污染气体总量随时间的关系：

式中：m为出气总质量；m0为初始污染量；K1、k2为常数；t为时间；T为温度；B为出气质量特征常数；τ为出气时间特征常数。

根据文献［4］的研究，目前制冷机用材料的出气质量特征常数在0.017～0.024，不同温度下的出气时间特征常数不同，但一般在10 h以内。取B为0.02，τ为10，放气温度取制冷机工作环境温度300 K。

文献［5］根据污染失效模式，进一步假定：（1）回热器污染是制冷机性能退化的最主要原因；（2）污染物仅由内部工件释放，且完全冷凝在回热器内；（3）污染总量不足以导致性能致命退化（制冷性能下降40%以上）；（4）污染物冷凝的量正比于冷头的温升。

这样可建立冷头温升的时间关系，即参数退化的物理模型：

式中：Tc为冷头温度；TCO为初始制冷温度；TCE为冷头温度的最终退化量；τ为冷头温度退化的时间特征常数；t为工作时间。对于初始污染的影响，已隐含反映在模型参数初始制冷温度TCO里面。

这就得到了制冷机污染失效的性能退化随时间的定量规律，该模型的物理内涵是：该方程由两项组成，第一项是冷头初始温度；第二项是由于污染物的积累，使冷头温度变化的增量。当t趋于无穷大时，第二项趋于TCE，即冷头的最终温升。TCE对应于污染物饱和出气量，是一个与温度呈指数关系的量，工作环境温度越高，冷头退化的最终幅度越大。需要注意的是，外推加速试验寿命时，需要考虑不同温度下的判据取值。

针对一台试验样机4 300 h的制冷机得到了实测数据。得知，冷头初始温度：79.76 K，冷头温度的最终退化量：9.53 K，冷头温度退化时间特征常数：105.8×12 h。拟合结果如式（4）：

图2是高温加速寿命数据拟合的结果。加速条件：壳温60℃，加速系数相当于常温（23℃）下的6.65倍。经与当时的研究者确认，该试验只适用于严格的双驱制冷机（压缩机、膨胀机均由单独的电机驱动），由于各种原因，该试验并未继续深入开展。目前寿命跑合试验的情况是：2 W@80 K制冷机连续工作65 000 h，冷指温度升高5 K；1.5 W@60 K制冷机连续工作42 000 h，冷指温度升高2 K。

图2　冷头温度变化规律拟合和外推曲线图

针对这两个在试制冷机的试验数据，套用式（4），考虑到产品工艺的改进和性能的提升，这两台制冷机均为鉴定产品，其冷头温度退化时间特征常数取为1 920 h。则其污染退化曲线分别如图3、4。

图3　2 W@80 K污染推广曲线图

图4　1.5 W@60 K污染推广曲线图

式（3）、（4）函数关系本质上是一致的，只是常数存在一定的差别。式（4）是在式（3）的基础上进一步推广应用的结果。图3曲线变化规律与图4相似，斜率有所不同。因此，该试验具有积极的意义及实际推广价值。但因各种原因，该试验缺少后续研究，且由于国内制冷机工艺水平的限制，不同类型制冷机及单台制冷机性能参数都不严格一致。该类型试验还需要大样本长时间予以进一步的验证。

理化所针对脉冲管类型制冷机也开展了污染放气试验。通过添加杂质气体的方式，模拟缓慢释放的污染气体累计到一定程度后体现出来的性能变化，开展了充气管路处理研究、制冷机材料放气规律研究。试验结果如图5、6所示。

图5　压缩机功率与污染加气情况

图6　放气速率与时间的关系

1.3分析小结

由图6所示，放气速率按指数规律下降，在寿命前期，放气速率较快，末期放气缓慢。比较图3、4、6，尽管两家是独立开展的试验，但各曲线在时间发展规律上具有一定的一致性，都是工作40 000 h左右渐趋平缓。从以上分析比较可总结出四点：（1）制冷机污染放气遵循指数函数规律；（2）国内研制单位工艺不同，指数函数参数存在一定出入；（3）制冷机性能衰减缓慢，寿命末期有可能会出现短时大幅衰减；（4）因为污染放气是主要失效模式过于理想化，这也是国内该试验模型还无法取得行业公认的原因，后续研究可以以污染放气为主，其他失效模式为辅，并以修正因子的形式进行完善，建立寿命预测模型。

基于以上试验数据，制冷机性能衰减的直接体现是冷指温度发生波动并逐渐升高，制冷能力下降。在此情况下，唯有增大输入功率直至活塞满行程，以损失可靠性为代价来获取满足需要的制冷量。

根据产品的性能曲线，以5 W@80 K/120 W制冷机为例，制冷机性能退化完全由污染放气导致。污染造成冷指温度上升，并假定冷指温度升高5 K可视为致命性能下降。由图7、8可知，冷指温升5 K，其对应的输入功率增加20 W，输入功率增加16.7%，进一步提高冗余，可认为输入功率需要增加20%。

图7　制冷温度与制冷量关系曲线图

图8　制冷量与输入功率关系曲线图

2　降额分析

2.1降额参数

根据国内研制单位的工艺水平，认为制冷机可靠性能满足分系统的指标要求，主要失效仍然是因材料固有属性决定的。

基于以上分析，制冷机应该在寿命末期扣除因污染放气导致的制冷量衰减，在此情况下满行程制冷量仍然还能维持焦平面的工作。依据各研制单位现有几款制冷机地面实际试验数据，可以认为输入功率与制冷量近似成比例关系，即输入功率降额应与制冷量降额对应。同时，降低制冷机热端温度和开关机次数可进一步提高制冷机可靠性。因此，选定降额参数分别为制冷量、输入功率、热端温度及开关机次数。

2.2降额因子

污染放气总量与工作时间呈指数关系，根据上述数据及各家正在跑合样机的实际时间，认为上海技物所2 W@80 K制冷机连续工作65 000 h（7年）冷指温度升高5 K具有代表性。据此做出假定，制冷机冷指温度升高5 K以上，即视为进入寿命末期，但寿命末期通过提高输入功率维持制冷量的保持时间目前还无法定论。结合目前遥感器寿命需求，可依据不同在轨寿命需求规定降额因子的值。具体如表2所列。

表2　空间制冷机降额参照表

3　结论

基于对制冷机的主要失效模式及其失效概率的分析，确定了降额的主要依据，并基于国内主要研制单位典型产品试验数据，明确降额参数及降额因子。

以上推导较为理想，存在假定条件。实际情况非常复杂，难以明晰各影响因素单独的影响程度，最终的失效往往仍然是多个因素综合作用的结果。但无疑此方法在制冷机领域内存在一定的共识，具有一定的实际应用价值。

［1］陈国邦，汤珂.小型低温制冷机原理［M］.北京：科学出版社，2010.

［2］刘迎文，黄竞，李常春，等.空间机械制冷机的工程化研究现状［J］.制冷学报，2006，27（1）：1-8.

［3］Ross Jr R G.Cryocooler reliability and redundancy consider⁃ationsforlong-lifespacemissions［M］//Cryocoolers 11.Spring⁃erUS，2002：637-648.

［4］杨少华，张晓明，刘心广，等.斯特林制冷机关键材料的初期特性分析［J］.真空与低温，2008，14（3）：152-156.

［5］杨少华，张晓明，刘心广，等.斯特林制冷机污染退化的加速寿命模型［J］.红外技术2008，30（8）：462-464.

DERATING USING CONDITION ANALYSIS OF SPACE MACHANICAL COOLER

WANG Bing
（Beijing Institute of Space Mechanics&Electricity，Beijing100094，China）

Space mechanical cooler is the key part of the infrared detector module.While the performance parameters meet the requirements，reliability becomes the key factor limiting applications in real missions of the cooler.Based on deferent requiement of on-orbit life，the derating strategy of the cooler is the effective way to increase reliability in orbit.This paper summarizes the cooler machine failure mode and analyzes its failure mechanism，identifies the derating basis，and determines the derating factor value.

space mechanical cooler；failure mode；derating；derating factor

TB65

A

1006-7086（2015）06-0355-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.06.011

2015-09-06

王兵（1976-），男，湖北潜江人，高级工程师，主要从事遥感器热控设计、总体方案设计。Email：wangbing413@aliyun.com。