空間紅外天文觀測(cè)中低溫制冷系統(tǒng)分析

劉心廣 吳亦農(nóng) 李春來(lái)

(1杭州電子科技大學(xué)電子信息學(xué)院 杭州 310018)(2中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所微型制冷技術(shù)研究室 上海 200083)(3中國(guó)科院上海技術(shù)物理研究所航空遙感技術(shù)研究室 上海 200083)

1 引言

天文學(xué)歷史久遠(yuǎn)，但利用紅外波段進(jìn)行天文觀測(cè)則起步很晚，直到20世紀(jì)60年代以后，由于紅外技術(shù)的發(fā)展和空間探測(cè)的成功，久隱深空的天體紅外輻射才成了揭示宇宙奧秘的工具，紅外天文學(xué)開(kāi)始發(fā)展，逐漸揭開(kāi)了冷宇宙神迷的面紗。

紅外天文學(xué)是在0.7 μm到1 000 μm之間的波長(zhǎng)上觀測(cè)和研究天體。一般溫度低于4 000 K天體的輻射主要在紅外區(qū)，是空間紅外天文觀測(cè)的主要對(duì)象，其研究意義［1］重大，但是除了少數(shù)大氣窗口外，地球大氣層吸收了幾乎所有的紅外輻射，所以必須用高靈敏度的天基觀測(cè)平臺(tái)進(jìn)行空間紅外觀測(cè)。

工作在中遠(yuǎn)紅外波段的探測(cè)器自身需要一個(gè)近絕對(duì)零度的工作溫度，且由于其探測(cè)的目標(biāo)和背景均為冷環(huán)境，為降低光學(xué)系統(tǒng)本身的熱噪聲，提高成像質(zhì)量，必須配備低溫制冷系統(tǒng)。制冷技術(shù)是紅外天文觀測(cè)的核心技術(shù)之一，它直接關(guān)系到探測(cè)性能和衛(wèi)星的工作壽命。本文對(duì)紅外天文衛(wèi)星中低溫系統(tǒng)的構(gòu)成進(jìn)行了分析，針對(duì)空間的特殊應(yīng)用環(huán)境，對(duì)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)(氣液相分離器、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、流量調(diào)節(jié))進(jìn)行了研究。

2 空間紅外天文衛(wèi)星

自第一顆空間紅外天文衛(wèi)星IRAS于1983年成功發(fā)射之后，隨著各項(xiàng)技術(shù)的成熟應(yīng)用，空間紅外天文衛(wèi)星獲得了較快的發(fā)展，針對(duì)各項(xiàng)任務(wù)的紅外衛(wèi)星相繼發(fā)射成功，如表 1 所示［2－6］。其中，SIRTF 和 ASTRO－F衛(wèi)星的整體與結(jié)構(gòu)剖面分別如圖1、圖2所示。

表1 部分紅外天文衛(wèi)星概況Table 1 General situation of some infrared astronomy satellites

圖1 SIRTF外形及剖面構(gòu)成Fig.1 Figure and section schematics of SIRTF

可以看出，紅外衛(wèi)星中，望遠(yuǎn)鏡部分的工作溫度為5 K，遠(yuǎn)紅外的探測(cè)的工作溫度為1.5 K，對(duì)此接近絕對(duì)零度的深低溫工作環(huán)境，均采用了超流氦制冷，液態(tài)超流氦的攜帶量從400 L到2 200 L不等，而超流氦的用量也就成了限制衛(wèi)星整體運(yùn)行壽命的關(guān)鍵因素。

衛(wèi)星中低溫制冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與衛(wèi)星運(yùn)行軌道、內(nèi)部熱負(fù)載、熱量的傳輸與交換方式等直接相關(guān)。

2.1 SIRTF

圖2 ASTRO-F外形及剖面構(gòu)成Fig.2 Figure and section schematics of ASTRO-F

SIRTF是NASA4大天文衛(wèi)星計(jì)劃的最后1顆，工作波長(zhǎng)范圍在3 μm到180 μm之間，望遠(yuǎn)鏡主反射鏡的直徑85 cm，是目前孔徑最大的空間紅外望遠(yuǎn)鏡。SIRTF的軌道是“尾隨地球的日心軌道”，即處在地球背面的拉格朗日點(diǎn)上，與地球保持同樣的角速度繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，這使得SIRTF有一個(gè)良好的熱環(huán)境;深空環(huán)境溫度約30 K至40 K，利用大自然作為冷卻源，SIRTF可以攜帶很少的液氦，大大減輕了自身質(zhì)量。

SIRTF的有效載荷必須在深低溫狀態(tài)下才能正常工作，而其低溫保持器能夠使這些科學(xué)儀器的溫度在5年內(nèi)一直保持在約1.4 K。低溫保持器由真空外殼、內(nèi)部和中間蒸汽冷卻防護(hù)層、氦罐和流體管理系統(tǒng)組成，氦罐內(nèi)裝有360 L超流氦。

望遠(yuǎn)鏡外殼可以把熱量輻射到背朝太陽(yáng)的冷空，太陽(yáng)電池帆板為望遠(yuǎn)鏡遮擋太陽(yáng)光，中間防護(hù)部分阻斷來(lái)自太陽(yáng)電池帆板和衛(wèi)星平臺(tái)的熱量。望遠(yuǎn)鏡固定在蒸汽制冷的低溫防護(hù)罩頂部。SIRTF在發(fā)射過(guò)程中，望遠(yuǎn)鏡和低溫防護(hù)罩變熱，進(jìn)入預(yù)定軌道后，通過(guò)與深空的輻射換熱，用約1周時(shí)間將衛(wèi)星外殼冷至50 K;之后，望遠(yuǎn)鏡和外殼的熱耦合被切斷，氦蒸氣用幾周的時(shí)間將望遠(yuǎn)鏡組件冷卻至5.5 K，將探測(cè)器組件冷卻至1.4 K，從此，衛(wèi)星整體開(kāi)始正常工作。

以前的空間紅外望遠(yuǎn)鏡都由巨大的制冷器掩蓋，以使望遠(yuǎn)鏡保持在接近絕對(duì)零度的溫度，這種稱為“冷發(fā)射”制冷方式，而SIRTF采用了創(chuàng)新的“暖發(fā)射”制冷方式，它在環(huán)境溫度下發(fā)射，在深空通過(guò)輻射制冷降低外殼溫度，只有探測(cè)儀器等密封在真空殼內(nèi)?！芭l(fā)射”制冷方式大大減小制冷劑的質(zhì)量，延長(zhǎng)了衛(wèi)星的工作壽命。

2.2 ASTRO－F

ASTRO－F是日本首顆紅外天文衛(wèi)星，進(jìn)入距離地面745 km的太陽(yáng)同步軌道后，將以每圈100 min的速度運(yùn)行。這架望遠(yuǎn)鏡能夠觀測(cè)到1.7 μm到180 μm之間的遠(yuǎn)紅外的廣闊波段，擁有出色的空間分辨率和探測(cè)能力，夠?qū)? 000萬(wàn)個(gè)星系進(jìn)行探查。

ASTRO－F搭載有液氦冷卻型紅外望遠(yuǎn)鏡、遠(yuǎn)紅外測(cè)量?jī)x和紅外照相機(jī)，每半年就可以將整個(gè)天空一覽無(wú)余，也可以對(duì)特定天體進(jìn)行定向觀測(cè)?！癆STROF”的觀測(cè)生涯預(yù)計(jì)約為550天，期間望遠(yuǎn)鏡和大部分探測(cè)器被制冷到5.8 K，遠(yuǎn)紅外的探測(cè)被冷到1.8 K。制冷系統(tǒng)采用了復(fù)合制冷方式:外殼跟星體隔離，被輻冷到200 K;利用兩套兩級(jí)斯特林制冷機(jī)冷卻低溫保持器外屏，減少漏熱，節(jié)省氦的用量，進(jìn)而減輕整體體積和重量，其低溫杜瓦中盛有170 L超流氦。

3 低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在紅外天文觀測(cè)衛(wèi)星中，紅外波段探測(cè)器工作溫度設(shè)計(jì)在1.5 K，望遠(yuǎn)鏡工作溫度設(shè)計(jì)在5 K。因此，對(duì)探測(cè)器組件和望遠(yuǎn)鏡組件可采用超流氦和氦蒸氣制冷［7］;為了減少液態(tài)超流氦的攜帶量，并延長(zhǎng)衛(wèi)星整體工作壽命，對(duì)超流氦杜瓦的外殼可用機(jī)械制冷機(jī)預(yù)冷到80 K，機(jī)械制冷機(jī)可采用斯特林型或脈管型;同時(shí)在衛(wèi)星整體的外殼上，設(shè)計(jì)輻射制冷和熱屏蔽，充分利用外太空的冷背景，降低衛(wèi)星熱功耗，將外殼輻射制冷到200 K。整機(jī)熱耗和各級(jí)制冷量的具體值可依設(shè)計(jì)方案中的散熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算，此處不予詳述。總體制冷方案及其有效載荷分別如圖3、圖4所示。

圖3 低溫制冷方案Fig.3 Blue print of cryogenics

圖4 低溫系統(tǒng)有效載荷示意圖Fig.4 Payload schematics of cryogenic system

4 關(guān)鍵技術(shù)

超流氦制冷是整個(gè)低溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，涉及的的關(guān)鍵技術(shù)主要有:超流氦的儲(chǔ)存、杜瓦的絕熱支撐、超流氦的流動(dòng)換熱方式、超流氦的氣液相分離、超流氦的質(zhì)量監(jiān)測(cè)、超流氦流量的調(diào)節(jié)、超流氦的填充及試驗(yàn)考核等。其中，空間應(yīng)用與地面應(yīng)用的差異性主要體現(xiàn)在氣液相分離、質(zhì)量監(jiān)測(cè)和流量調(diào)節(jié)等技術(shù)上。

4.1 氣液相分離

超流氦氣液相分離器是空間紅外探測(cè)器冷卻系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，作用是在失重條件下限制超流氦向外空間泄漏，同時(shí)排出超流氦制冷所產(chǎn)生的氦蒸氣，保持超流氦制冷系統(tǒng)恒溫器的溫度穩(wěn)定性。

基于超流氦二流體理論的熱－機(jī)械效應(yīng)［8］和相分離器流動(dòng)傳熱特性制成的多孔塞相分離器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于空間超流氦制冷系統(tǒng)中［9－12］，其工作原理如圖5所示。遠(yuǎn)紅外探測(cè)器組件所放出的熱量，被傳輸?shù)蕉嗫兹南掠危瑥亩诙嗫兹舷掠涡纬蓽夭瞀，根據(jù)超流氦的熱－機(jī)械效應(yīng)，溫差可以導(dǎo)致壓差，使得上游壓力升高Δp，最終在多孔塞的孔道中產(chǎn)生穩(wěn)定的熱流和質(zhì)量流。液氦在多孔塞下游氣液界面蒸發(fā)，氣體帶走探測(cè)器組件傳輸過(guò)來(lái)的熱量，維持下游溫度的穩(wěn)定，這樣氣液相分離器就維持了多孔塞上游超流氦杜瓦內(nèi)的溫度和壓力的穩(wěn)定。當(dāng)器件放熱量增大時(shí)，多孔塞兩端的溫差和壓差也隨之升高，引起相分離器質(zhì)量流率和熱流密度增大，實(shí)現(xiàn)熱平衡。

圖5 多孔塞氣液相分離器原理圖Fig.5 Working principle of porous plug liquid-vapor phase separator

4.2 質(zhì)量監(jiān)測(cè)

超流氦的用量是決定衛(wèi)星整體工作壽命的重要參數(shù)，在軌檢測(cè)其質(zhì)量也是對(duì)衛(wèi)星控制、調(diào)節(jié)的重要依據(jù)。在失重條件下，氣體和液體不存在明顯的分離界面，因此不可以像地面上那樣通過(guò)測(cè)量液面高度來(lái)計(jì)算超流氦的質(zhì)量。

為了對(duì)超流氦進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可利用氦的熱容量來(lái)間接測(cè)量。Q=mcΔT，其中:Q為加熱量，m為氦質(zhì)量，c為其比熱容，ΔT為溫升。在已知氦的熱容量參數(shù)下，可以通過(guò)給內(nèi)部氦加熱量Q，通過(guò)測(cè)量其溫升ΔT，來(lái)計(jì)算其質(zhì)量m，該操作中的溫度反應(yīng)如圖6所示［13］。

圖6 質(zhì)量測(cè)量的溫度反應(yīng)Fig.6 Mass gauge measurement response

4.3 流量調(diào)節(jié)

對(duì)超流氦輸送的流量調(diào)節(jié)目的是消耗最少的超流氦來(lái)滿足各器件的工作溫度，進(jìn)而延長(zhǎng)衛(wèi)星整體工作壽命。壓差和速度是超流氦輸送的動(dòng)力源，不同的相分離器對(duì)應(yīng)不同的流量調(diào)節(jié)方法，對(duì)多孔塞相分離器來(lái)說(shuō)，可在其兩端安裝輔助加熱控制器，通過(guò)調(diào)整附加加熱量的大小，來(lái)控制多孔塞兩端的溫差ΔT，進(jìn)而改變相分離器兩端的壓差，實(shí)現(xiàn)超流氦流量的調(diào)節(jié)。在溫度梯度的作用下，微細(xì)孔道中的超流氦并不能大量地向壓力較低的下游流動(dòng)，這也是多孔塞能夠防止超流氦大量泄漏和調(diào)節(jié)流量的原因。

5 結(jié)論

低溫制冷系統(tǒng)是決定紅外天文衛(wèi)星成像質(zhì)量、工作壽命的關(guān)鍵組成之一，本文根據(jù)探測(cè)器組件和光學(xué)部分極低工作溫度的需求，分析了紅外天文衛(wèi)星中的低溫系統(tǒng)，給出了總體制冷方案和低溫系統(tǒng)有效載荷示意框圖，通過(guò)三級(jí)復(fù)合制冷方式，最大程度地降低超流氦用量，延長(zhǎng)衛(wèi)星工作壽命;針對(duì)超流氦制冷在空間應(yīng)用時(shí)的特殊性，闡述了氣液相分離、質(zhì)量監(jiān)測(cè)、流量調(diào)節(jié)3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的工作原理。

對(duì)空間紅外天文觀測(cè)低溫制冷系統(tǒng)的研究，不僅可以促進(jìn)氦制冷系統(tǒng)在空間的應(yīng)用，推動(dòng)空間紅外觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，深入對(duì)浩瀚冷宇宙的認(rèn)識(shí);還將會(huì)為未來(lái)中國(guó)第一顆紅外天文衛(wèi)星升空打下堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，為中國(guó)空間紅外探測(cè)的進(jìn)展拉開(kāi)新的序幕。

1 焦維新.當(dāng)代空間紅外天文觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展［J］.國(guó)際太空，2003(8):1－4.

2 Mason P V.Long－term performance of the passive thermal control systems of the IRAS spacecraft［J］.Cryogenics ，1998，28(2):137－141.

3 Wright E L.Cobe observations of the cosmic infrared background［J］.New Astronomy Reviews，2004，48:465－468.

4 Sanders D B.The cosmic evolution of luminous infrared galaxies:from IRAS to ISO，SCUBA and SIRTF ［J］.Advances in Space Research，2004，34:535－542.

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 劉心廣，吳亦農(nóng).超流氦制冷系統(tǒng)在空間紅外天文觀測(cè)中的應(yīng)用［J］.紅外，2008(1):1－5.

8 余興恩，李 青，洪國(guó)同，等.超流氦氣液相分離器實(shí)驗(yàn)研究［J］.導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù)，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.

11 Van Sciver S W.Helium cryogenics plenum press［M］.New York:Plenum Press，1986:130－132.

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.