空間機(jī)械制冷機(jī)降額使用條件分析

王兵

（北京空間機(jī)電研究所，北京　100094）

空間機(jī)械制冷機(jī)降額使用條件分析

王兵

（北京空間機(jī)電研究所，北京100094）

空間機(jī)械制冷機(jī)是紅外探測(cè)器組件中的關(guān)鍵組成部分，在性能參數(shù)滿足要求后，可靠性成為制約制冷機(jī)在實(shí)際任務(wù)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。根據(jù)不同的在軌使用壽命要求，對(duì)制冷機(jī)采取降額使用的策略是提升在軌可靠性的有效途徑。在總結(jié)制冷機(jī)失效模式及分析其失效機(jī)理基礎(chǔ)上，明確了降額的依據(jù)，并確定了降額因子大小。

空間機(jī)械制冷機(jī)；失效模式；降額；降額因子

0　引言

空間制冷機(jī)是紅外探測(cè)器組件中的關(guān)鍵組成部分，在性能參數(shù)滿足要求之后，可靠性就成了制約制冷機(jī)在實(shí)際任務(wù)中應(yīng)用的關(guān)鍵因素。國外空間制冷機(jī)歷經(jīng)多臺(tái)空間應(yīng)用及地面大樣本量試驗(yàn)測(cè)試，可靠性已得到充分驗(yàn)證。國產(chǎn)制冷機(jī)經(jīng)過多年的發(fā)展，產(chǎn)品功能已滿足使用要求，但由于應(yīng)用深度和廣度欠缺，可靠性數(shù)據(jù)積累不足，導(dǎo)致在實(shí)際配套中存在較大的可靠性風(fēng)險(xiǎn)。為有效控制在軌風(fēng)險(xiǎn)，提高可靠性，在國產(chǎn)制冷機(jī)研制能力現(xiàn)狀下，讓制冷機(jī)降額工作是行之有效的措施。

目前空間制冷機(jī)主要是斯特林制冷機(jī)和脈沖管制冷機(jī)，二者結(jié)構(gòu)形式及制冷機(jī)理存在一定差異，但關(guān)鍵參數(shù)具有共性考核意義。因此，在對(duì)制冷機(jī)失效模式進(jìn)行充分總結(jié)基礎(chǔ)上，明確降額依據(jù)，并確定降額因子大小。

1　空間制冷機(jī)失效分析

1.1失效模式

以斯特林制冷機(jī)為例，其早期失效主要是指初期裝配運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)各種不能正常運(yùn)行或制冷機(jī)性能指標(biāo)無法達(dá)到要求的失效。

通過對(duì)多種結(jié)構(gòu)、規(guī)格的制冷機(jī)研制及調(diào)試中出現(xiàn)的問題研究，認(rèn)為制冷機(jī)早期失效包括：運(yùn)動(dòng)部件的卡缸、耐磨層的脫落、運(yùn)動(dòng)部件的撞缸、直線電機(jī)引線的斷路或短路、結(jié)構(gòu)件的松動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)等［1］。

對(duì)“牛津型”斯特林制冷機(jī)的正常失效分析國外及國內(nèi)研究均很深入，主要包括磨損、泄露、疲勞、污染以及空間散熱等。

可靠性（長(zhǎng)壽命）是指制冷系統(tǒng)的性能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)（或長(zhǎng)期）保持不衰減或衰減在規(guī)定范圍內(nèi)。包括制冷機(jī)及制冷控制器。

一般產(chǎn)品的壽命過程都經(jīng)歷3個(gè)階段：早期失效期、隨機(jī)失效期和耗損失效期。對(duì)應(yīng)這3個(gè)階段的失效率與時(shí)間的關(guān)系曲線呈浴盆狀，即所謂的浴盆曲線，如圖1所示。

圖1　制冷機(jī)理論壽命浴盆曲線

1.2可靠性分析

美國JPL實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過幾十年對(duì)國際上眾多空間制冷機(jī)研制單位的研發(fā)和測(cè)試的數(shù)據(jù)積累，分析和比較了幾類空間機(jī)械制冷機(jī)的可靠性，例如壓縮機(jī)采用對(duì)置形式的脈管制冷機(jī)的總失效概率為7.5%，壓縮機(jī)采用平衡器形式的脈管制冷機(jī)為7.9%，壓縮機(jī)采用對(duì)置形式的斯特林制冷機(jī)為13.7%，雙斯特林制冷機(jī)為16.3%。

由此可見，膨脹組件的存在導(dǎo)致二類空間制冷機(jī)的總失效概率大不相同。另外，還注意到制冷機(jī)可靠性的另一個(gè)關(guān)鍵因素就是輸入功率的影響程度。由于功率轉(zhuǎn)化關(guān)系是決定制冷機(jī)的選取和尺寸大小的關(guān)鍵參數(shù)，所以，如何反映和預(yù)估功率對(duì)可靠性的影響對(duì)于空間制冷機(jī)研究至關(guān)重要［2］。

表1為某型號(hào)脈管制冷機(jī)和控制器可靠性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)詳細(xì)描述了制冷機(jī)和控制器可靠性隨功率和行程變化的情況和相應(yīng)的各個(gè)失效機(jī)理的發(fā)生概率，從表中不難發(fā)現(xiàn)隨著功率和壓縮行程的增加，制冷機(jī)和控制器的總失效概率均增加，但控制器增加的幅度遠(yuǎn)小于制冷機(jī)的幅度。該表還反映出內(nèi)部污染是除泄露（屬于單點(diǎn)失效）外隨機(jī)過程中失效概率最大的一種失效模式［3］。

表1　空間制冷系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)

國外諸多研究機(jī)構(gòu)認(rèn)為，在其他影響可靠性的因素解決后，污染引起制冷機(jī)的失效是主要的失效模式。大量的觀察、壽命試驗(yàn)以及空間應(yīng)用也表明，機(jī)器性能的退化直接源于內(nèi)部污染。主要由兩方面引起，一方面是由于材料除氣工藝不足，導(dǎo)致污染物殘留的初始污染；另一方面是內(nèi)部材料如回?zé)崞鳌㈦姍C(jī)膠、活塞襯套等材料的緩慢持續(xù)出氣污染。初始污染可以延長(zhǎng)除氣處理時(shí)間來控制，而材料的出氣污染難以從根本上消除，是制約制冷機(jī)長(zhǎng)壽命的根本因素。

大量研究表明，非金屬材料的除氣特性與溫度的關(guān)系遵循如下規(guī)律：

污染氣體總量隨時(shí)間的關(guān)系：

式中：m為出氣總質(zhì)量；m0為初始污染量；K1、k2為常數(shù)；t為時(shí)間；T為溫度；B為出氣質(zhì)量特征常數(shù)；τ為出氣時(shí)間特征常數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，目前制冷機(jī)用材料的出氣質(zhì)量特征常數(shù)在0.017～0.024，不同溫度下的出氣時(shí)間特征常數(shù)不同，但一般在10 h以內(nèi)。取B為0.02，τ為10，放氣溫度取制冷機(jī)工作環(huán)境溫度300 K。

文獻(xiàn)［5］根據(jù)污染失效模式，進(jìn)一步假定：（1）回?zé)崞魑廴臼侵评錂C(jī)性能退化的最主要原因；（2）污染物僅由內(nèi)部工件釋放，且完全冷凝在回?zé)崞鲀?nèi)；（3）污染總量不足以導(dǎo)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頭的溫升。

這樣可建立冷頭溫升的時(shí)間關(guān)系，即參數(shù)退化的物理模型：

式中：Tc為冷頭溫度；TCO為初始制冷溫度；TCE為冷頭溫度的最終退化量；τ為冷頭溫度退化的時(shí)間特征常數(shù)；t為工作時(shí)間。對(duì)于初始污染的影響，已隱含反映在模型參數(shù)初始制冷溫度TCO里面。

這就得到了制冷機(jī)污染失效的性能退化隨時(shí)間的定量規(guī)律，該模型的物理內(nèi)涵是：該方程由兩項(xiàng)組成，第一項(xiàng)是冷頭初始溫度；第二項(xiàng)是由于污染物的積累，使冷頭溫度變化的增量。當(dāng)t趨于無窮大時(shí)，第二項(xiàng)趨于TCE，即冷頭的最終溫升。TCE對(duì)應(yīng)于污染物飽和出氣量，是一個(gè)與溫度呈指數(shù)關(guān)系的量，工作環(huán)境溫度越高，冷頭退化的最終幅度越大。需要注意的是，外推加速試驗(yàn)壽命時(shí)，需要考慮不同溫度下的判據(jù)取值。

針對(duì)一臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)4 300 h的制冷機(jī)得到了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。得知，冷頭初始溫度：79.76 K，冷頭溫度的最終退化量：9.53 K，冷頭溫度退化時(shí)間特征常數(shù)：105.8×12 h。擬合結(jié)果如式（4）：

圖2是高溫加速壽命數(shù)據(jù)擬合的結(jié)果。加速條件：殼溫60℃，加速系數(shù)相當(dāng)于常溫（23℃）下的6.65倍。經(jīng)與當(dāng)時(shí)的研究者確認(rèn)，該試驗(yàn)只適用于嚴(yán)格的雙驅(qū)制冷機(jī)（壓縮機(jī)、膨脹機(jī)均由單獨(dú)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)），由于各種原因，該試驗(yàn)并未繼續(xù)深入開展。目前壽命跑合試驗(yàn)的情況是：2 W@80 K制冷機(jī)連續(xù)工作65 000 h，冷指溫度升高5 K；1.5 W@60 K制冷機(jī)連續(xù)工作42 000 h，冷指溫度升高2 K。

圖2　冷頭溫度變化規(guī)律擬合和外推曲線圖

針對(duì)這兩個(gè)在試制冷機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，套用式（4），考慮到產(chǎn)品工藝的改進(jìn)和性能的提升，這兩臺(tái)制冷機(jī)均為鑒定產(chǎn)品，其冷頭溫度退化時(shí)間特征常數(shù)取為1 920 h。則其污染退化曲線分別如圖3、4。

圖3　2 W@80 K污染推廣曲線圖

圖4　1.5 W@60 K污染推廣曲線圖

式（3）、（4）函數(shù)關(guān)系本質(zhì)上是一致的，只是常數(shù)存在一定的差別。式（4）是在式（3）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步推廣應(yīng)用的結(jié)果。圖3曲線變化規(guī)律與圖4相似，斜率有所不同。因此，該試驗(yàn)具有積極的意義及實(shí)際推廣價(jià)值。但因各種原因，該試驗(yàn)缺少后續(xù)研究，且由于國內(nèi)制冷機(jī)工藝水平的限制，不同類型制冷機(jī)及單臺(tái)制冷機(jī)性能參數(shù)都不嚴(yán)格一致。該類型試驗(yàn)還需要大樣本長(zhǎng)時(shí)間予以進(jìn)一步的驗(yàn)證。

理化所針對(duì)脈沖管類型制冷機(jī)也開展了污染放氣試驗(yàn)。通過添加雜質(zhì)氣體的方式，模擬緩慢釋放的污染氣體累計(jì)到一定程度后體現(xiàn)出來的性能變化，開展了充氣管路處理研究、制冷機(jī)材料放氣規(guī)律研究。試驗(yàn)結(jié)果如圖5、6所示。

圖5　壓縮機(jī)功率與污染加氣情況

圖6　放氣速率與時(shí)間的關(guān)系

1.3分析小結(jié)

由圖6所示，放氣速率按指數(shù)規(guī)律下降，在壽命前期，放氣速率較快，末期放氣緩慢。比較圖3、4、6，盡管兩家是獨(dú)立開展的試驗(yàn)，但各曲線在時(shí)間發(fā)展規(guī)律上具有一定的一致性，都是工作40 000 h左右漸趨平緩。從以上分析比較可總結(jié)出四點(diǎn)：（1）制冷機(jī)污染放氣遵循指數(shù)函數(shù)規(guī)律；（2）國內(nèi)研制單位工藝不同，指數(shù)函數(shù)參數(shù)存在一定出入；（3）制冷機(jī)性能衰減緩慢，壽命末期有可能會(huì)出現(xiàn)短時(shí)大幅衰減；（4）因?yàn)槲廴痉艢馐侵饕Ｊ竭^于理想化，這也是國內(nèi)該試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€無法取得行業(yè)公認(rèn)的原因，后續(xù)研究可以以污染放氣為主，其他失效模式為輔，并以修正因子的形式進(jìn)行完善，建立壽命預(yù)測(cè)模型。

基于以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制冷機(jī)性能衰減的直接體現(xiàn)是冷指溫度發(fā)生波動(dòng)并逐漸升高，制冷能力下降。在此情況下，唯有增大輸入功率直至活塞滿行程，以損失可靠性為代價(jià)來獲取滿足需要的制冷量。

根據(jù)產(chǎn)品的性能曲線，以5 W@80 K/120 W制冷機(jī)為例，制冷機(jī)性能退化完全由污染放氣導(dǎo)致。污染造成冷指溫度上升，并假定冷指溫度升高5 K可視為致命性能下降。由圖7、8可知，冷指溫升5 K，其對(duì)應(yīng)的輸入功率增加20 W，輸入功率增加16.7%，進(jìn)一步提高冗余，可認(rèn)為輸入功率需要增加20%。

圖7　制冷溫度與制冷量關(guān)系曲線圖

圖8　制冷量與輸入功率關(guān)系曲線圖

2　降額分析

2.1降額參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)研制單位的工藝水平，認(rèn)為制冷機(jī)可靠性能滿足分系統(tǒng)的指標(biāo)要求，主要失效仍然是因材料固有屬性決定的。

基于以上分析，制冷機(jī)應(yīng)該在壽命末期扣除因污染放氣導(dǎo)致的制冷量衰減，在此情況下滿行程制冷量仍然還能維持焦平面的工作。依據(jù)各研制單位現(xiàn)有幾款制冷機(jī)地面實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為輸入功率與制冷量近似成比例關(guān)系，即輸入功率降額應(yīng)與制冷量降額對(duì)應(yīng)。同時(shí)，降低制冷機(jī)熱端溫度和開關(guān)機(jī)次數(shù)可進(jìn)一步提高制冷機(jī)可靠性。因此，選定降額參數(shù)分別為制冷量、輸入功率、熱端溫度及開關(guān)機(jī)次數(shù)。

2.2降額因子

污染放氣總量與工作時(shí)間呈指數(shù)關(guān)系，根據(jù)上述數(shù)據(jù)及各家正在跑合樣機(jī)的實(shí)際時(shí)間，認(rèn)為上海技物所2 W@80 K制冷機(jī)連續(xù)工作65 000 h（7年）冷指溫度升高5 K具有代表性。據(jù)此做出假定，制冷機(jī)冷指溫度升高5 K以上，即視為進(jìn)入壽命末期，但壽命末期通過提高輸入功率維持制冷量的保持時(shí)間目前還無法定論。結(jié)合目前遙感器壽命需求，可依據(jù)不同在軌壽命需求規(guī)定降額因子的值。具體如表2所列。

表2　空間制冷機(jī)降額參照表

3　結(jié)論

基于對(duì)制冷機(jī)的主要失效模式及其失效概率的分析，確定了降額的主要依據(jù)，并基于國內(nèi)主要研制單位典型產(chǎn)品試驗(yàn)數(shù)據(jù)，明確降額參數(shù)及降額因子。

以上推導(dǎo)較為理想，存在假定條件。實(shí)際情況非常復(fù)雜，難以明晰各影響因素單獨(dú)的影響程度，最終的失效往往仍然是多個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。但無疑此方法在制冷機(jī)領(lǐng)域內(nèi)存在一定的共識(shí)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

［1］陳國邦，湯珂.小型低溫制冷機(jī)原理［M］.北京：科學(xué)出版社，2010.

［2］劉迎文，黃競(jìng)，李常春，等.空間機(jī)械制冷機(jī)的工程化研究現(xiàn)狀［J］.制冷學(xué)報(bào)，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］楊少華，張曉明，劉心廣，等.斯特林制冷機(jī)關(guān)鍵材料的初期特性分析［J］.真空與低溫，2008，14（3）：152-156.

［5］楊少華，張曉明，劉心廣，等.斯特林制冷機(jī)污染退化的加速壽命模型［J］.紅外技術(shù)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，湖北潛江人，高級(jí)工程師，主要從事遙感器熱控設(shè)計(jì)、總體方案設(shè)計(jì)。Email：wangbing413@aliyun.com。