制冷技术在航天遥感领域的应用综述

制冷技术在航天遥感领域的应用综述1引言制冷是指用人工的方法在一定时间和一定空间内将物体冷却，使其温度降低到环境温度以下，保持并利用这个温度。制冷技术是为适应人们对低温条件的需要而产生和发展起来的，我国古代就有人用天然冰冷藏食品和防暑降温。1755年爱丁堡的化学教师库仑利用乙醚蒸发使水结冰，他的学生布拉克从本质上解释了融化和气化现象，提出了潜热的概念，并发明了冰量热器，标志着现代制冷技术的开始。随着科学技术的发展以及人民生活水平的不断提高，制冷技术在工业、农业、国防、建设、科学研究等国民经济各个部门中的作用和地位日益重要。按照所获得的温度，通常将制冷的温度范围划分为以下几个领域：120K以上，普冷；0.3K120K,深冷（又称低温）；0.3K以下，极低温。在红外遥感领域，制冷型探测器工作温度一般在120K以下，属于低温范围，是低温制冷技术重要应用领域之一。2制冷技术的分类和发展制冷技术的分类制冷技术按照制冷方式不同主要有相变制冷技术、气体制冷技术、声制冷技术、磁制冷技术、热电制冷技术和辐射式制冷技术等。相变制冷技术是利用物质从质密集态向质稀集态相变时吸收潜热的特性实现制冷，应用范围很广，包括建筑室内及交通工具的空气调节、食品冷冻等多种工业、商业及民用领域，已经深入到了人们日常生活中。气体制冷技术又可以细分为气体涡流制冷、气体膨胀制冷和绝热放气制冷技术等，用来获取120K以下的低温，主要应用领域有红外器件的制冷、低温电子器件制冷、磁共振成像系统的冷却、高温超导体冷却及低温物性研究等。声制冷技术是利用热声效应的一种制冷方法，即：当声波引起的压力、位移、温度波动作用到固体边界时，发生明显的声波能量与热能的相互转换，从而达到降低温度的目的。声制冷技术主要应用在要求制冷温度低但制冷量不大的红外器件、雷达和低温电子设备的降温冷却。以上三种制冷技术均需要填充流体性质的工作介质，带来的问题就是可能出现工作介质的泄漏和污染，磁制冷技术、热电制冷技术和辐射式制冷技术则没有流体工作介质，可以避免泄漏和污染问题。磁制冷技术是利用磁热效应的一种制冷方式，即：顺磁体绝热去磁过程中，温度会降低。磁制冷技术主要应用在氦的液化和超流氦的生成等方面。热电制冷技术是利用帕尔帖效应的一种制冷方法，它不需要任何工质，无活动部件，结构简单。应用范围较广，非常适宜于微型制冷领域，如：汽车冰箱、家用饮水机、医疗器械和空间飞行器上的仪器设备冷却。辐射式制冷技术是航天领域特有的制冷技术，是将空间飞行器内部的热量通过适当传热途径导至热辐射器，再由热辐射器排向4K冷黑空间。2.1 制冷技术的发展历程在普冷方面，1834年发明家波尔金斯造出了第一台以乙醚为工质的蒸气压缩式制冷机，这是后来所有蒸气压缩式制冷机的雏型。到1875年卡利和林德用氨作制冷剂，从此蒸气压缩式制冷机开始占有统治地位。到20世纪，制冷技术有了更大发展。美国通用电器公司研制成功全封闭制冷压缩机；米里杰发现氟里昂制冷剂并用于蒸气压缩式制冷循环以及混合制冷剂的应用；伯宁顿发明回热式除湿器循环以及热泵的出现，均推动了制冷技术的发展。在低温方面，1934年，卡皮查发明了先用膨胀机将氦气降温，再用绝热节流使其液化的氦液化器；1947年柯林斯采用双膨胀机于氦的预冷。大部分的氦液化器现已采用膨胀机，其在制冷技术的开发和实际使用中获得广泛的应用。新的降低温度方法的发明，扩大了低温的范围，并进入了超低温领域。德拜和焦克分别在1926年和1927年提出了用顺磁盐绝热退磁的方法获取低温；由库提和西蒙等提出的核子绝热去磁的方法可将温度降至更低。更近期的制冷技术发展主要缘于世界范围内对食品、舒适和健康方面，以及在空间技术、国防建设和科学实验方面的需要，从而使这门技术在20世纪的后半期得到飞速发展。受微电子、计算机、新型原材料和其它相关工业领域的技术进步的渗透和促进，制冷技术取得突破性的进展。3航天遥感领域应用的制冷技术原理简介3.1气体制冷技术气体制冷技术中的气体涡流制冷实质上是用人工的方法产生涡流使气体分为冷、热两部分，从而分离出来的冷气流即可制冷，优点是结构简单、启动快，但主要缺点是效率太低。适用于航天遥感领域的气体制冷技术主要包括气体膨胀和绝热放气制冷技术，换热器是这两类气体制冷机的关键部件，它的结构形式和效率高低直接决定了制冷机的效率和尺寸。换热器基本形式有两种，间壁式和回热式，两者区别在于间壁式换热器中冷热流体流道彼此分开，回热式则是冷热流体周期性的交替流经回热器，回热器起到冷热流体热交换的媒介作用。按照换热器的不同将这两大类气体制冷机细分为间壁换热式制冷机、回热式制冷机和混合式制冷机。间壁换热式制冷机主要有J-T节流制冷机、林德-汉普逊制冷机和布雷顿制冷机等，自20世纪50年代以来已经陆续应用在夜视仪和导弹制导系统的红外探测器制冷，同时各种类型回热式制冷机的实验研究不断取得进展，其中包括斯特林制冷机、VM制冷机、G-M制冷机、索尔文制冷机、脉冲管制冷机等。在众多类型制冷机中，斯特林制冷机在航天领域，特别是红外遥感方面，得到了最广泛的应用，近年来脉冲管制冷机的研究取得了突破，国内产品已经有了在轨飞行经历。3.1.1 斯特林制冷技术在气体制冷循环中，由两个等容过程连接两个等温过程构成的循环称之为斯特林循环；由两个定压过程连接两个等温过程称之为埃里克森循环。相对而言，埃里克森循环制冷机采用配气阀门控制流率，增大了系统的复杂性，从而增大了磨损和噪音，降低了效率和运行寿命。斯特林制冷机之所以能够在航天领域得到应用，主要得益于其长寿命、高可靠、低噪声、体积小、重量轻、发射环境适应性好等优点。如图1(a)所示斯特林制冷机由回热器R、冷却器A、冷却器C及两个活塞和两个气缸组成。从图1(b)、(c)中的状态1开始，压缩活塞和膨胀活塞均处于右止点。气缸内有一定量的气体，压力为P1，容积为V1,循环所经历的过程如下：等温压缩过程12：压缩活塞向左移动而膨胀活塞不动。气体被等温压缩，压缩热经冷却器A传出，温度保持恒值Ta，压力升高到P2，容积减小到V2。定容放热过程23：两个活塞同时向左移动，气体的容积保持不变，即V3=V2，直至活塞到达左止点。当气体通过回热器R时，将热量传给填料，因而温度由Ta降低到Tc0，同时压力由P2降低到P3。等温膨胀过程34：压缩活塞停止在左止点，膨胀活塞继续向左移动直至左止点，温度为Tc0的气体进行等温膨胀，通过冷量换热器C从低温热源（冷却对象）吸收一定的热量QcO（循环制冷量）。容积增大到V4而压力降低到P4。定容吸热过程41：两个活塞同时向右移动直至右止点，气体容积保持不变V4=V1回到起始位置。当温度为Tc0的气体流经时从回热器R填料吸热，温度升高到T1,同时压力增加到P1。41过程，气体吸收的热量等于23过程气体所放出的热量。图1（c）示出了理想的斯特林制冷循环的p-V图和T-s图。I结构示意图活塞运动示意I割c）片阙和人sS图1斯特林制拎循环工作过程示意图制冷机在工作时压缩机及排出器活塞和曲轴产生振动和噪声，如何降低振动是重要的研究方向。为此，研究者开发出了分置式制冷机，即：将压缩机和排除器完全独立的分开安置，在两者之间通过细管连接，这样可以减小压缩机的振动对被冷却的器件的影响，现在红外遥感领域应用的制冷机大多采用此种结构形式。3.1.2 脉冲管制冷技术采用分置式结构的斯特林制冷机减小了振动，但其排出器的振动仍然没有消除，而且排出器距离被冷却器件很近，如何进一步降低振动影响摆在面前。脉冲管制冷机就很好的解决了这一难题，取消了低温活动部件。基本型脉冲管制冷机是利用高压气体在脉冲管空腔中的绝热放气膨胀过程获得制冷效果。高压气体需要由压缩机来提供，即压缩机与脉冲管之间通过连管连接。压缩机与脉冲管之间采用阀门配气的称为G-M型脉冲管制冷机；而采用线性驱动技术、没有配气阀门的称之为斯特林型脉冲管制冷机，它可以看成为用脉冲管取代斯特林制冷机膨胀机的气体制冷机斯特林型脉冲管制冷机具有结构简单、尺寸紧凑、可靠性高和运行寿命长的优点，是近年来冷却红外探测器的候选制冷机之一，甚至有取代斯特林制冷机的趋势。3.2 辐射式制冷技术辐射式制冷技术主要应用在航天领域。空间热辐射器是航天器和空间环境实现换热的装置可以简化看作是朝向深冷空间的、背面与空间飞行器绝热的表面，其制冷量Q可以用公式（1）来表示。式中A辐射面积；T辐射表面温度；辐射表面红外发射率；ai吸收率；qei外热流密度。从公式（1）看，若获得较高制冷量，式中括号内第一项尽量大，第二项尽量小。可供选择的技术手段主要是提高表面温度T,选用高且低ai/比值的热控涂层和避免或减小到达辐射器表面的外热流。3.3 热电制冷技术热电制冷是热电效应主要是帕尔帖效应在制冷技术方面的应用。帕尔帖效应是指在外电场作用下,载流子在由低势能状态热电偶流向高势能状态热电偶时的结点处吸收热量,产生制冷效果，反之，则放出热量。如图2所示，热电制冷器由半导体（N型、P型）温差电元件、金属导流片、陶瓷片组成,其中金属导流片是连接半导体温差电元件的结点。如图2所示电流方向，当电流从N型半导体流向P型半导体时，结点处吸热；当电流由P型半导体流向N型半导体时，在结点处放热，于是形成了冷面和热面。当电流方向相反时,原吸热的结点放热，原放热的结点吸热，冷面和热面位置颠倒。t/JrI1/f1f图2热电制冷原理示意图热电制冷器可获得的制冷量0可以用公式（2）和（4表刀1=伽_碍頊严爲_曲（3）式中n温差电元件对的数量；Q0一对温差电元件制冷量；aN、aPN型、P型温差电元件热电动势率;Tc冷面温度；AT冷热面温差；I输入电流；R一对温差电元件的电阻；k一对温差电元件的热导。4航天遥感领域对制冷技术的需求与应用航天遥感领域特别是红外遥感方面是制冷技术重要的应用方向，直接推动了低温制冷技术的发展。航天遥感领域对制冷技术的需求主要体现在探测器、低温光学和辐射定标等方面。4.1 探测器对制冷技术的需求与制冷技术应用不同种类探测器对制冷技术需求不同。一般而言，硅器件在常温下不需要对焦平面制冷，但在某些场合下为了降低焦平面探测器的热噪声、温度噪声从而提高信噪比，焦平面温度需要控制在5C甚至低到-201水平，工作时温度波动在21以内，一般采用辐射散热技术和半导体制冷技术来实现；MCT红外探测器工作温度一般要求控制在60K150K,根据探测器规模制冷量需求有所不同，从毫瓦级到瓦级不等，通常采用机械式气体制冷技术和辐射制冷技术。辐射制冷技术是空间应用最早、较为成熟的空间制冷技术，从1966年美国Nimbus1卫星首次搭载至今已有40多年的历史。国内方面，“FY-1”卫星上的探测器制冷采用了FLW-1型二级辐射制冷器，“ZY-1”卫星红外多光谱扫描仪探测器也成功应用了二级辐射制冷技术。近二十多年来，斯特林制冷机一直是航天遥感器应用的主力机械制冷机，在1991年，0.8W80K的单级制冷机已成功应用于美国高层大气研究卫星（UARS）和欧空局地球遥感卫星（ERS-1），累积空间运行寿命超过10600小时。目前斯特林制冷机的研究重点主要是进一步提高制冷机工作寿命和可靠性，降低功耗，减少制冷机的体积重量，使其微小型化，以满足不同的任务需求。美国德克萨斯仪器公司生产的直线电机驱动型军用斯特林制冷机重量为1.3kg，制冷量0.35W77K,功耗18W；1999年美国BallAerospace&TechnologiesCorp与美国AirForceResearchLaboratory联合研制的空间用斯特林制冷机总重量15kg（含控制器及电源），制冷量0.76W80K,功耗为80W。国内方面，2002年“HY-1”卫星水色扫描仪，应用斯特林制冷机为红外探测器制冷，制冷温度达到了95K水平。美国的TRW公司已研制成功了多种型号的微型长寿命空间脉冲管制冷机并应用于遥感器，例如：1998年为多光谱热像仪研制了一台微型脉冲管制冷机，在制冷温度为60K时获得了2W的制冷量。近年来，国内脉冲管制冷机的研究取得了不小成绩，中科院理化所研制的脉冲管制冷机已经搭载技术试验卫星上天，经受了飞行考验，为该卫星红外成像仪正常工作提供了保证。低温光学技术对制冷技术的需求与制冷技术应用遥感器在深空约4K的低温背景下，当需要探测的目标信号十分微弱时，探测系统内常温的光学系统和光机结构产生的热辐射将成为探测器背景辐射的主要来源。探测器背景辐射严重影响着探测器灵敏度，从而影响相机系统探测能力。只有将光学系统及光机结构冷却到一定程度，才能有效地减少背景辐射，最大限度地发挥探测器的性能，大大提高系统的探测能力。只有空间低温光学技术，才能完成对弱小目标的远距离探测。航天508所开展了空间低温光学技术方面的研究，经过论证，提出制冷需求为：1）遥感器光学系统和光机结构冷却到110K以下温度；2）制冷量不小于10W；3）设计寿命5年。国内研究大冷量制冷机的单位有中科院理化所、航天510所、中电16所等。理化所研究了大冷量脉管制冷机，图3是理化所研制的10W120K制冷机原理样机照片。10W/120K制冷机原理样机图4.2 航天508所承担的“十一五”预研课题采用了中科院理化所研制的大冷量脉冲管制冷机辐射定标技术对制冷技术的需求与制冷技术应用辐射定标技术是航天遥感器技术重要组成，用于在飞行中对红外相机探测器各通道响应的变化及响应的不一致性进行校正，其定标源可以采用标准灯、高低温黑体、太阳、月亮、云层、冷空间及地面辐射较正场，其中高低温黑体是红外遥感器常采用的星上定标标准源。在定标过程中，要求将低温黑体辐射表面温度控制在低于环境温度约10C20C，温度均匀性要求优于0.1K，温度波动优于0.1K/30min。由航天508所承担的某红外遥感型号低温黑体辐射源采用了热电制冷技术，将热电制冷器冷面安装在低温黑体背面，热面安装在遥感器主体结构上。热电制冷器通电后，冷面从黑体表面吸热使其温度降低，热面产生的热量通过结构排散到遥感器内部空间。经过地面试验验证，该设计达到了定标使用要求。5.1.1 5展望5.1需重点解决的技术关键制冷技术的发展要适应遥感器应用需求航天遥感器对制冷技术提出了大冷量、高可靠、长寿命、低功耗、体积小、重量轻的要求其中，机械式气体制冷机的寿命和可靠性最为关键，经过长期不懈努力，目前国内脉冲管制冷机寿命可达到约20000小时，但距离5年甚至更长寿命要求还有差距，据报道国外斯特林制冷机已经有超过5年甚至到10年的在轨运行记录。低温制冷技术的可靠性研究、加速寿命试验方法等还没有深入开展，制冷机寿命指标缺乏大量试验数据支撑。功耗、体积、重量主要受到卫星平台的限制，功耗大还会加大散热技术难度。这些方面的要求都为制冷技术在遥感器中的应用提出了挑战与机遇。5.1.2 制冷技术的在航天遥感器上的应用制冷技术应用方面的技术关键在于：a)如何解决发热端散热问题。在空间环境下，传热主要依靠导热和辐射两种方式进行，目前解决散热问题的主要方法是通过热管将热量导至卫星散热面(热辐射器)，进而排散至冷空间。所遇到的困难在于对遥感器多种工作模式的适应性较差，为满足用户需求，有时不得不占用卫星电能控制其温度不致过低。解决的思路主要有：通过控制传热路径通断状态控制向外排散的热量；设置合理储能单元实现发热端温度的稳定。这些解决思路需要与遥感器热控制技术相结合，而且需要综合考虑系统的可靠性、稳定性、所占用的资源等，技术复杂程度高。b)制冷机与红外探测器的耦合问题。主要需解决的问题有：杜瓦或冷箱隔热设计，特别对于大规模、长线阵探测器，杜瓦或冷箱设计极为关键；制冷机冷头与探测器阵列在机械、热、光学等方面的耦合匹配。该问题的解决，需要与具体型号相结合。制冷技术在航天遥感领域应用前景航天遥感技术的发展离不开制冷技术的支撑，反过来，制冷技术的发展离不开航天遥感技术的需求牵引作用。随着航天遥感技术的发展与用户需求的不断提高，对制冷技术提出了更高要求。机械式气体制冷技术已经逐渐得到广泛应用，而且向更大制冷量、更低制冷温度、更高可靠性等方向发展。热电制冷技术由于技术较为成熟，重量较轻、无振动、对安装位置无特殊要求，已经得到了应用。特别是在温度要求在普冷直至接近常温下，除了黑体辐射定标之外，还可以在电子元器件散热方面、环路热管储液器控温方面应用，甚至还可以与遥感器热控制技术结合起来应用。辐射式制冷技术是最早得到应用的制冷技术之一，作为遥感器探测器制冷有逐渐被机械式气体制冷技术取代的趋势，但在遥感器电子设备散热方面仍然作为首选技术手段。研究者在制冷技术应用研究取得了许多进步，正在研究关键技术的突破途径，为制冷技术在航天遥感领域的更广泛应用打下了坚实基础。