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空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展

空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展

朱建炳,潘雁频

(兰州物理研究所,甘肃兰州 730000)

摘 要:介绍了星载红外遥感器对空间低温制冷技术的要求,综述了长寿命空间低温制冷技术在星载红外光

学遥感器中的应用,分析了空间红外遥感器低温制冷技术的现状和发展趋势,指出我国的空间低温制冷技术正向大冷量、长寿命、高可靠性方向发展,并在此基础上讨论了中国空间低温制冷技术的发展方向和应用前景。

关键词:空间制冷;制冷器;红外遥感器

中图分类号:TB 66文献标识码:A 文章编号:100627086(2003)0120006207

APPL I CAT I ON AND D EVELOP M ENT OF SPACEB ORNE COOL ING

TECHNOLOG Y F OR AER OSPACE INFRARED RE MOTE SENS OR

ZHU J i an -bi ng ,PAN Yan -p i n (Lanzhou I n stitute of Physics ,Lanzhou 730000,Ch i na )

Abstract :T he dem ands of spacebo rne coo ling techno logy fo r aero space infrared remo te senso rs are

introduced .T he app licati ons of long lifeti m e spacebo rne coo ling techno logy usd in aero space infrared remo te senso rs are summ arized .Its status and trend are analyzed :they are m uch mo re coo ling capacity ,m uch long lifeti m e and h igher reliability .T he develop ing directi on and app licati on p ro spects of spacebo rne coo ling techno logy in dom estic are discussed .

Key words :spacebo rne coo ling ;cryocoo ler ;infrared remo te senso r

1 引 言

空间低温制冷技术是为卫星、飞船等空间飞行器提供所需低温条件的获得技术及其制冷设备长期稳定工作的控制技术和制冷设备与被冷却对象耦合技术,是空间技术和低温制冷技术相结合的产物,它既是原来低温制冷技术的一部分,又包含了空间环境应用的独特内容。

人类为了探索宇宙,开发地球资源,充分利用卫星遥感技术完成地球资源普查、环境监测、海洋资源调查、气象分析、天文观测等工作。遥感卫星在信息获取和传送方面有着其他载体无法比拟的优势。在世界各国发射上天的数千颗航天器中,大部分是对地观测遥感卫星,其中相当一部分卫星上安装了红外遥感设备。空间红外光学遥感器是遥感卫星为完成其信息的收集任务而必须装备的关键仪器。制冷技术在遥感卫星上的应用主要是冷却红外光学遥感器中的核心部件即红外探测元件,为红外探测器和其他光电器件提供可靠冷源,降低红外遥感器的温度,既可减少本底热噪声,也可屏蔽和排除视场外的热干扰,提高探测精度和灵敏度,使其获得稳定、可靠的探测性能。因此,为红外遥感器提供冷源的低温制冷设备性能的优劣将直接影响红外探测或信号处理质量,甚至影响卫星整体飞行任务的圆满完成,空间制冷技术已成为制约我国遥感卫星发展的一项关键技术。

收稿日期:2002207230.

作者简介:朱建炳(1966-),男,甘肃省平凉市人,高级工程师,从事空间低温制冷技术研究。

6 真空与低温V acuum &C ryogenics 第9卷第1期2003年03月

2 星载红外遥感器对空间制冷技术的要求

由于受空间环境条件的限制及制冷设备本身尺寸小、质量轻,功耗低和无维修工作寿命等特殊要求,地面大量使用的制冷设备并不能直接应用于空间。航天器所处的空间环境不仅具有超高真空、微重力、高能粒子辐照、背景温度极低(3~4K )等特点,还要经历发射加速、剧烈振动、冲击等恶劣力学环境考验,星载制冷设备要在空间仪器上获得应用,必须能够适应空间环境的特殊要求。因此,星载红外遥感器对空间制冷技术的主要要求是:

(1)必须能够在卫星平台和有效载荷的约束条件下适应空间环境的特殊要求,经受住发射、振动和冲击的考验,这是空间制冷技术首先要考虑的问题。

(2)工作寿命长、可靠性高。低温制冷设备的工作寿命和可靠性是制约其在空间应用的关键因素,制冷设备必须在轨工作期间以给定温度提供足够有效的制冷量。

(3)制冷效率高,功耗低。在轨工作期间因受能源的限制,功耗是严格控制的指标之一,应尽可能地提高制冷效率,降低功耗。

(4)体积小、质量轻、结构紧凑,这是对空间制冷设备的基本要求。

(5)自身产生的振动、噪声和电磁干扰小,不污染光学系统。制冷设备的振动和电磁干扰是遥感卫星的2个主要噪声源。

(6)制冷设备工作期间温度的稳定性要高,降温速度要快。

随着现代热成像技术、红外探测、跟踪、搜索系统的发展,对空间制冷技术提出了更高的要求,最典型的要求是工作寿命更长、可靠性更高、制冷量更大,不断追求低能耗、低振动、轻型化等高指标。

3 空间遥感器制冷技术的发展现状

可在星载红外遥感器中应用的长寿命制冷方法主要有以微型斯特林制冷机为代表的机械制冷技术、辐射制冷技术和杜瓦贮存的低温工质,其中杜瓦贮存的低温工质因制冷器的体积、质量及工作寿命存在着明显的不足,在空间已经受到限制使用;目前在轨航天器上所使用的长寿命(2年以上)应用型制冷设备主要有空间辐射制冷器、微小型斯特林制冷机和脉冲管制冷机等。

3.1 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,它是通过高效辐射板将来自红外遥感器的热量以辐射换热的形式辐射到高真空的冷黑空间,同时尽可能多地屏蔽外热流影响以达到被动制冷的目的,因工作期间无任何运动部件,具有无振动、无噪声干扰、工作寿命长、可靠性高、极少消耗航天器能源等优点,所以被应用于各种长寿命遥感系列卫星。国外从20世纪60年代初开始研究空间辐射制冷技术,并随着空间遥感技术的发展而迅速发展起来。目前已有美国、日本、欧空局、俄罗斯等在先后发射的各种遥感卫星中成功地应用了各种结构形式的辐射制冷器。不同的卫星轨道要有不同结构类型的辐射制冷器相适应,在太阳同步轨道卫星中主要有W 型、L 型、抛物面G 型、V 型等结构形式;在地球静止轨道卫星中主要有圆锥型和方锥型等结构形式。在相同的卫星轨道中也可以通过改进辐射制冷器的结构形式和辐射换热面形结构,提高辐射制冷器的性能。美国是目前辐射制冷技术发展和应用较完善的国家,已完成多种形式辐射制冷器,制冷性能不断得到提高,相继应用于雨云(N i m bu s )系列卫星、泰罗斯(T I RO S )系列气象卫星、陆地(L andsat )系列地球资源卫星和国防支援计划的导弹预警卫星(D SP )等多种卫星型号。最具代表性的有美国圣?巴巴拉研究中心(SBRC )为陆地卫星(4号、5号)的主题绘图仪(TM )研制的两级抛物面G 型辐射制冷器[1],其特点是级间支撑采用高强度、低热导的玻璃钢纤维带拉伸件,电铸圆抛物锥反射屏,最低制冷温度达8414K ,在9010K 可获得26mW 的制冷量,工作寿命2年。后来不断对其热性能和机械性能进行改进,又应用在“陆地7号”卫星的增强型主题绘图仪(ETM )、火星探测器[2]及地球观测系统上,其中EO S 2PM 上平流层气体红外分光计(S W I RL S )辐射制冷器最低制冷温度可达60K ,在80K 可获得130mW 的冷量。美国加州理工大学的喷气推进实验室(JPL )引入多层V 型高效隔热屏的概念,研制成功了高性能V 型辐射制冷器[3],使单位体积的制冷能力显著提高,样机的制冷能力达到200mW 78K 。Rockw ell 公司一直致力于大型热管辐射制冷器的研7

朱建炳等:空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展

8真空与低温第9卷第1期 

究工作[4],其样机在70K可获得5W的制冷量,最低制冷温度45K,可以为星载的大面积红外探测器列阵提供冷源。欧空局委托荷兰FO KKER公司为环境卫星系统(ENV ISA T21)研制的大气制图扫描成像吸收分光计(SC I AM A CH Y)辐射制冷器在123K获得0175W的冷量[5],在175K获得0196W的有效制冷量。

我国虽然在辐射制冷技术的研究方面起步较晚,但经过20多年努力,已经具备了一定的研究基础和研究经验,在太阳同步轨道遥感卫星中完成了平面W型辐射制冷器的研制,并成功地应用于“风云一号”和“资源一号”卫星,两级圆锥型辐射制冷器也成功地应用于“风云二号”卫星,这说明我国的辐射制冷技术已经达到空间实用的水平。但这些辐射制冷器因受到本身结构、在卫星上安装位置和体积的限制,冷块面积和对冷空间的视场均较小,工作温度一般在95~105K,制冷功率不大,在105K只有50mW的制冷量。“九五”期间,兰州物理研究所和上海技术物理研究所均研制成功了两级抛物面G型辐射制冷器。其中兰州物理研究所研制的样机主要采用了热屏蔽性能更好的高反射率抛物面型薄壳镜面反射器,加大了二级冷块的面积和对冷空间的视场,采用两级支撑带技术降低了级间漏热,采用低温热管实现了辐射制冷器与红外冷焦面的分离,辐射制冷器在卫星上的安装位置更加灵活,冷焦面的配准精度易于得到保证,以及采用可开启 关闭的地球屏兼防污门等新技术,使辐射制冷器在9611K可获得8915mW的制冷量,在10415K可获得19512mW 的制冷量[6]。上海技术物理研究所的样机也达到了8616mW 9614K、10616mW 9817K的良好效果[7]。从这些辐射制冷器的工作性能来看,我国的辐射制冷技术已经取得了长足的发展,但与欧、美等相比仍然有很大的差距,特别是新一代的气象卫星和地球资源卫星所采用的红外遥感器,探测器的元数更多,对制冷要求温度更低,制冷量更大,现已成熟的辐射制冷器不能完全满足这些要求,因此需要继续研究开发长寿命、大冷量空间辐射制冷技术,降低制冷工作温度,提高辐射制冷器的性能,以适应不同遥感探测卫星发展的需求。

辐射制冷器的缺点是体积和质量较大,加工制造比较复杂,安装位置和对卫星轨道及姿态控制的要求较为苛刻,在较低的工作温度下的制冷量有限,所以不能完全满足航天任务的需求。

3.2 斯特林制冷技术

斯特林制冷机一直是星载红外遥感器用机械制冷技术的研究热点,它具有结构紧凑、工作温度范围宽、制冷量大、启动快、安装灵活、受空间环境的影响较小、体积小、质量轻、操作简便等优点,是空间制冷技术的主要发展方向。自1954年第一台斯特林制冷机问世以来,经过了40多年的发展历程,经历了从整体式到分置式、从旋转电机到线性电机驱动等变革,长寿命星载斯特林制冷技术日趋成熟。以荷兰Ph ili p s公司为代表的低温研究机构对斯特林制冷机的多项关键技术进行了深入研究,在传统的整体式、曲柄旋转电机驱动、接触密封、自由型等结构形式上,先后发展了分置式、线性谐振电机驱动、间隙密封、电磁轴承支撑等新型斯特林制冷技术,使制冷机的寿命和可靠性等得到很大提高,同时制冷机的振动和噪声也大大降低,其性能基本适合空间应用要求。在此基础上,国外宇航部门对斯特林制冷技术高度重视,将其作为卫星遥感任务的主要制冷手段。英国牛津大学在20世纪70年代末开始开发板弹簧支撑的线性谐振式星载长寿命斯特林制冷机,首次将板弹簧支撑技术应用于微型斯特林制冷机,保证了活塞和回热器运动组件的完全非接触运动,使斯特林制冷机的可靠性和寿命大幅度提高,从而开创了星载斯特林制冷机的新时代,进入20世纪90年代以来,长寿命(5~10年)的牛津型分置式斯特林制冷机已成为空间应用的主力[8,9]。1991年80K 018W的单级斯特林制冷机已成功应用于美国高层大气研究卫星(UA R S)和欧空局地球遥感卫星(ER S21),在轨累积运行寿命超过10600h。美国德克萨斯仪器公司生产的直线电机驱动斯特林制冷机质量仅为113kg,它的制冷量0135W 77K,功耗18W;1999年美国B a11宇航技术公司与空军实验室联合研制的星载斯特林制冷机总质量15kg(含控制器及电源),制冷量0176W 80K,功耗为80W。目前国外星载斯特林制冷机的研究主要以“牛津型”为主,单级(80K)和多级(20K或4K)制冷机研究并举。研究重点主要在减振降噪。冷头耦合接口、自适应控制和系统实验等技术,进一步提高制冷机寿命(5年以上)、可靠性(大于95%)和制冷效率,减小体积质量,降低功耗,将其微小型化、产品化、多样化,以满足不同的任务需求。欧、美、日等已列入卫星发射计划的30K至80K、0125W至2100W制冷量的长寿命星载斯特林制冷机已有数台。

我国在斯特林制冷技术方面已开展了多年研究工作,并已积累了大量的技术和经验。但由于受基础工业和工艺水平的限制,目前能满足空间应用的星载斯特林制冷机还不成熟。星载斯特林制冷机一般要求长寿命、高可靠性、低功耗、冷头振动和电磁干扰小,因此要采用对置式压缩机、间隙密封结构、线性电机驱动、柔

性支撑等新技术。同时需在冷头采取减振措施以降低冷头振动,采用全金属化活塞,降低制冷机内工质气体污染。国内从事星载斯特林制冷机研制的单位主要有兰州物理研究所和上海技术物理研究所。上海技术物理研究所在“九五”期间研制成功了77K 015W 的星载斯特林制冷机样机,其输入功率2210W (压缩机2110W ,冷头012W ),质量413kg ,到2002年初的运行工作寿命10300h ,设计工作寿命为17000h 。它采用单压缩机驱动,制冷机的振动问题没有解决,抗电磁干扰措施是在冷头加高磁性屏蔽罩。兰州物理研究所也研制成功了分置式斯特林制冷机样机,压缩机活塞对置安装,制冷机总质量619kg (含控制器215kg ),它的制冷量015W 80K ,功耗4218W ,降温时间5m in ,制冷机的振动较小,设计工作寿命为17000h ,整机工作寿命的考核正在进行之中,最关键的板弹簧支撑疲劳加速寿命实验,已连续考核达到15000h 。

3.3 脉冲管制冷技术

脉冲管制冷机是近年迅速发展起来的一种新型的机械制冷技术,它与传统的斯特林制冷机相比,取消了机械式的低温排出器,代之以气体在管内往复运动。因此在低温下没有运动部件,不存在摩擦、磨损问题,也不再需要与之相配的驱动装置、相位匹配、支撑和间隙密封等,使制冷机的结构大大简化,可靠性和工作寿命得到了显著提高,电子控制系统也更为简单,减少了电磁干扰,冷头振动对红外遥感器的影响也大大减小,具有十分明显的优越性,在制冷性能和功耗等方面已达到现有的斯特林制冷机水平,是未来斯特林制冷机的主要竞争方,在空间领域同样具有非常广阔的应用前景。

脉冲管制冷机在近年经过了基本型、谐振型、小孔型、双向进气型、多路旁通型及其他改进型等多种结构形式的发展,使制冷温度逐步降低,制冷效率不断提高。由于脉冲管制冷机具有独特的优势,非常适合于空间应用,因此在国际上掀起了脉冲管制冷机研究热潮,目前正在向实用化和微小型化方向发展,美国航天部门将其列为“第二代空间制冷机”加以研制并应用于空间计划。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,1991年研制成功了由1cc 线性压缩机驱动、输入功率2010W 、制冷量0128W 73K 的脉冲管制冷机[10]。1993年又采用线性电机驱动,研制成功了输入功率17180W ,制冷量0153W 88K 的高效微型脉冲管制冷机[11],在地面实验寿命达到8年,用来冷却小卫星遥感器的冷焦面,并于1997年发射。1998年又为多光谱热像仪研制了1台微型脉冲管制冷机,采用了对置式线性压缩机,工作频率43~48H z ,在制冷温度为60K 时获得了2W 的制冷功率[12],于1998年发射升空。NA SA 和犹它州立大学的空间动力实验室设计的采用宽带发射辐射测量的大气探测仪(SAB ER )的焦平面阵列必须被冷却到75K [13],也选择了TRW 的微型脉冲管制冷机,在72K 可提供250mW 的制冷量,于2000年发射上天。法国也正致力于空间脉冲管制冷机研究,原子能总署低温部与英国合作研制的微型脉冲管制冷机最低温度为54K [14],制冷量1W 80K ,工作环境温度310K ,计划于2001年发射。另外美国的喷气推进实验室JPL 、国家标准局N IST 、荷兰的Ph ili p s 实验室、日本的住友机械研究所等均开展了微型空间脉冲管制冷机的研究工作,计划在5~8年时间内在卫星上获得应用。

中科院理化技术研究所是我国最早从事脉冲管制冷机的研究单位,脉冲管制冷技术的研究一直处于国际先进水平,对其发展起到很大的推动作用,后来多家单位对多种结构形式的脉冲管制冷机进行了研究,并取得了非常瞩目的研究成果,由于受到功耗、结构、体积、工作寿命和可靠性等因素的限制,这些脉冲管制冷机并不能完全满足空间应用的要求。针对国内脉冲管制冷机的这些缺陷,中科院理化技术研究所从1992年开始从事空间微型脉冲管制冷机研究,于2000年研制成功线性压缩机驱动的同轴脉冲管制冷机,在41W 输入功率下达到65K 的最低温度[15],在78K 获得306mW 的制冷量。“九五”期间与上海技术物理研究所合作研制成功了0125W 80K 空间脉冲管制冷机,经过多年探索,已积累了丰富的经验,逐渐形成了自己的技术特点。“十五”期间他们将继续与上海技术物理研究所及兰州物理研究所合作,进一步开展脉冲管制冷机的工程化技术研究。

3.4 其他制冷技术

以气体轴承透平膨胀机为关键产冷部件的微型透平逆布雷顿循环制冷技术因具有独特的优势,在空间应用中也得到越来越广泛的关注。透平逆布雷顿循环制冷机由微型透平机械和高效紧凑的换热器组成,具有较高的制冷效率,没有往复运动部件,振动较小,而且采用气体轴承后转子在气膜上高速旋转,工作寿命长。但结构复杂,制造难度大。国外的大型逆布雷顿循环制冷机已经成熟,目前正致力于开发微型逆布雷顿循环9

朱建炳等:空间制冷技术在星载红外遥感器中的应用与发展

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制冷机。1994年美国C reare公司研制成功5W 65K逆布雷顿循环制冷机,整机质量14kg,累计工作寿命超过35000h;该公司研制的8W 65K制冷机于1998年应用于哈勃望远镜上[16]。近几年NA SA和C reare 公司正在采用动压气体轴承和高速微型透平机械研制制冷温度4~10K、冷量5~200mW的逆布雷顿循环制冷机。西安交通大学低温工程研究所是我国从事逆布雷顿循环制冷机研究条件较好的单位,其研制的透平膨胀机已应用于K M6空间环境模拟实验设备,在空间微小型逆布雷顿循环制冷机研究方面也进行了初步探索。

超流氦杜瓦制冷技术主要应用于红外天文研究和宇宙射线测量卫星,制冷温度为115~512K,目前在该制冷温度范围内还没有其他的制冷方式可以直接满足要求。美国研制的超流氦制冷器已应用于红外天文卫星、太空实验室的红外望远镜。红外天文卫星于1993年发射成功,在轨工作4个月,以后对这种制冷器进行了改进,工作寿命达到14个月。德国应用于红外空间天文台(ISO)超流氦制冷器于1995年发射成功,工作温度119K,在轨寿命18个月以上。欧空局、日本等也研制出不同体积和寿命指标的样机。

热声制冷机是一种新型的空间制冷技术,它结构简单、无滑动密封部件,从根本上消除了机械制冷的振动和磨损,因此可靠性高、寿命长,在中低温区是一种理想的新型制冷技术。美国海军研究院的Garrett等设计了一种航天飞机搭载的混合工质热声制冷机,并于1992年发射上天。它利用扬声器驱动,使制冷温差达到80K,制冷量3W,制冷效率达到20%。

4 我国空间制冷技术的发展趋势

随着我国未来新一代气象卫星、地球资源卫星、海洋卫星、空间太阳望远镜及月球卫星等遥感卫星技术的发展,获取高品质的遥感图像成为必然,增加红外器件元数和谱段、提高空间和光谱分辨率、延长工作寿命是红外遥感器获取优良性能指标的主攻方向,这就对空间制冷技术提出了更高的要求,最主要的是制冷温度更低、制冷功率更大、工作寿命更长、可靠性更高。

辐射制冷技术经过几十年的发展和多次在轨应用,应该是相对比较成熟的空间制冷技术,虽然自身也存在着一定的缺陷与限制,但它在国际上不断得到深入研究发展的主要原因是它在工作寿命和可靠性方面具有独特的优势。在今后5~10年内,我国将要发射的对地观测遥感卫星的红外遥感仪器,由于要求长寿命、高可靠性,仍将以辐射制冷技术作为空间制冷的主要手段。根据目前国内外辐射制冷器研究发展的状况,结合我国的实际情况和今后发展的战略目标,辐射制冷技术发展的趋势一方面通过新技术、新材料的开发与应用进一步降低辐射制冷器的工作温度和增大制冷量,提高工作寿命和运行可靠性,以满足我国未来空间技术的应用要求;另一方面不断提出新的结构形式,适合不同需要,向中低温方向发展,拓宽应用领域。在辐射制冷器研制开发过程中应着重解决以下关键技术。①冷焦面耦合技术:涉及多元红外探测器列阵、多通道的焦面配准、减小探测器引线漏热、解决引线干扰问题等;②隔热技术:设计新颖的支撑系统、新型支撑材料的研制开发;③提高寿命和可靠性:防污染系统设计、长寿命辐射涂层及光学镜面的开发和研制;④新技术、新材料、新工艺的开发应用;⑤各种热流更精确快捷的量化及理论计算方法,地面实验等技术的进一步完善。

未来的红外遥感器对斯特林制冷机的需求越来越迫切。我国星载斯特林制冷机的制冷性能已达到空间应用要求,但寿命短、振动大、可靠性差等缺陷仍然制约着其空间应用。星载斯特林制冷技术的发展趋势主要是加大工程实用化研究,要充分利用“九五”预先研究成果,重点放在提高工作寿命和可靠性、降低功耗、提高制冷效率、减小振动与噪声以及提高其空间环境适应性等方面,对影响斯特林制冷机性能、可靠性和工作寿命的关键技术进行深入研究。同时进行斯特林制冷机的微小型化及其应用研究,减小体积、质量和功耗,以满足未来小卫星对空间制冷技术的需求。在研究过程中着重解决以下关键技术:斯特林制冷机的优化设计、制冷机长期稳定运行自适应控制技术、柔性支撑技术、制冷机冷头减振降噪技术、工质气体污染泄露控制技术、冷头与探测器的耦合技术、零部件的精密加工制造与装配工艺及空间环境适存性研究等。

脉冲管制冷机可为我国新一代的遥感探测卫星提供新的冷源。目前我国能够适合空间红外遥感器应用的微型脉冲管制冷机还停留在实验室水平,制约这一项技术发展的主要原因是脉冲管制冷机的效率低、功耗大,可靠性和工作寿命问题没有从根本上得到解决等。因此脉冲管制冷机的发展趋势是加大对脉冲管制冷理

论、关键技术研究,提高制冷效率,加快技术成果的工程转化,同时对脉冲管制冷机空间环境的适应性进行研究。

空间制冷技术的另一个发展趋势是多种制冷形式相结合的复合制冷技术,利用各种方式的工作温度不同,工作在高温区的制冷设备用作较低工作温区制冷设备的前级制冷器。国外已相继开发成功了斯特林制冷与超流氦杜瓦、J 2T 节流相结合,辐射制冷与热电制冷及固体制冷相结合等多种复合方式。我国目前最具有发展前途的是辐射制冷与机械制冷结合构成的长寿命、大冷量复合制冷技术。由于机械制冷和辐射制冷同为性能优良的制冷手段,但目前还没有一种制冷方式能够完全满足所有的空间应用要求,特别是高分辨率的遥感探测卫星采用了多元红外扫描列阵,对制冷温度和制冷量提出了更高的要求,单独应用辐射制冷技术或机械制冷技术都很难满足空间应用的要求,同时辐射制冷和机械制冷都有各自的优点、不足和不同的工作温度范围。为了有效地发挥各自的优势,扬长避短,可以将大冷量辐射制冷器和机械制冷机通过有效的方法结合起来构成复合制冷技术,制成大冷量的复合制冷系统,用辐射制冷器作为机械制冷机的前级散热器,吸收机械制冷机的热端和压缩机的压缩热,降低机械制冷机的功耗,提高制冷机的工作效率,满足不同的空间应用要求,并实现长寿命、高可靠运行,这是21世纪空间低温制冷技术发展的主要方向。在脉冲管制冷与辐射制冷的复合制冷技术研究方面,美国已经走在世界各国的前列,2000年美国已在对地观测系统的大气红外分光计(A I R S )中首次将2台脉冲管制冷机与辐射制冷器构成复合制冷系统并发射成功[17]。在55K ,可提供1163W 的制冷量,它利用辐射制冷器冷却脉冲管制冷机的压缩机,使其温度控制在290K 左右,大大提高了脉冲管制冷机的效率,同时使制冷机的功耗大大降低。俄罗斯在斯特林制冷与辐射制冷的复合制冷技术研究方面有很强的优势,西伯利亚低温技术股份公司研制的M S M G 28G 2312 80型斯特林制冷机,就是利用辐射制冷器作前级制冷器,两者之间通过低温热管高效耦合。他们还研制成功了用于冷却星载多元列阵红外探测器的10W 80K 大冷量斯特林制冷机,前级也为辐射制冷器。我国在这一方面的研究还是一片空白。5 结 论

空间低温制冷技术主要为星载遥感探测技术服务,并受其在空间应用的制约,所以空间低温制冷技术必须与红外遥感技术同步协调发展。辐射制冷和机械制冷同为性能优良的空间制冷技术,可以适应于不同的飞行任务需求,缺一不可。辐射制冷器主要适用于工作寿命长,对制冷温度稳定度、振动、噪音等指标要求很高,制冷温度较高,卫星背阳面安装位置允许的太阳同步或地球静止轨道卫星的应用。机械制冷机主要适用于制冷温度较低、制冷量为瓦级、振动和噪音指标允许的其他任何轨道卫星的应用,并且两者结合使用可以组成复合制冷系统,降低制冷机的功耗,提高制冷机的工作效率,其应用前景更为广泛。根据不同飞行任务,适合不同温区的制冷机均有必要发展。低温区以机械制冷为主,中低温区以辐射制冷为主。随着我国星载遥感技术发展的需要,大力发展长寿命、高可靠性、大冷量的空间制冷技术。星载制冷设备由于要求长寿命、高可靠性、加工周期长、用量少、制造成本高,在现阶段有限的财力物力条件下,应集中力量主要开展辐射制冷、星载长寿命斯特林制冷、脉冲管制冷及复合制冷技术研究。辐射制冷应向降低温度、提高寿命和冷量、高可靠性的目标发展,同时开展中低温大冷量辐射制冷技术研究。斯特林制冷应以提高寿命、降低功耗、减少振动和电磁干扰为主要研究方向。脉冲管制冷要把基础研究成果逐步工程化,使之满足空间制冷的特殊要求。参考文献:

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21真空与低温第9卷第1期 

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撰写参考文献须知

为了使本刊编排格式更加规范化,以便于《中国学术期刊(光盘版)》及《中国学术期刊综合评价数据库来源期刊》的收录,更广泛地进行国内外学术交流,本刊要求论著文章中参考文献一律采用我国科学技术书刊中所普遍使用的“顺序编码制”,现将撰写要点简述如下:

一、正文中标注格式:采用顺序编码制时,在对文中所引用的文献,按它们出现的先后顺序依次连续排序,并将序号置于方括号内,标于右上角或作为语句的组成部分。

例如:国内外学者对此进行了长期研究[1~3]。

按文献[4]提供的参数设计制作出样机。

二、文后参考文献表的撰写格式:在文后撰写参考文献表时,各条文献应按在论著中文献序号顺序排列,文献中项目一定要完整,内容一定要准确。应根据不同的文献类型分别加以著录。各类文献的标引项及顺序要求为:

1)专著:著者(多名著者时,应标引至少三名著者姓名).书名.版本.出版地:出版者,出版年.起止页码。

2)期刊:作者(多名作者时,应标引至少三名作者姓名).题名.刊名,年,卷(期):起止页码。

3)论文集:作者(多名作者时,应标引至少三名作者姓名).题名.编者:文集名,出版地:出版者,出版年.起止页码。

4)会议论文:作者(多名作者时,应标引至少三名作者姓名).题名.会议名称,会址,会议年份。

5)专利:专利申请者.专利题名.专利国别,专利文献种类,专利号.出版日期。

三、姓名标引:姓名标引时,一律姓前名后;国外作者姓名(包括中国作者姓名使用拼音标引时)一律用大写字母标引。

参考文献是作者写作论著时所参考的文献书目,重点是集中列于文末。标引的规范化,既能提高编排标准,又能提高出版发行效率,这对编者和作者都是有益的。

(本刊编辑部)