“高分四號”衛星凝視相機脈沖管制冷機

蔡京輝 趙密廣 洪國同

（中國科學院理化技術研究所，北京 100190）

“高分四號”衛星凝視相機脈沖管制冷機

蔡京輝 趙密廣 洪國同

（中國科學院理化技術研究所，北京 100190）

“高分四號”衛星凝視相機采用國產長壽命脈沖管制冷機冷卻紅外焦平面探測器，是中國長壽命脈沖管制冷機首次在軌業務應用。文章介紹了該長壽命脈沖管制冷機的特點、主要技術指標、可靠性控制措施，同時介紹了中國科學院理化技術研究所基于“高分四號”衛星凝視相機脈沖管制冷機研制的新一代脈沖管制冷機的情況。“高分四號”衛星上的脈沖管制冷機采用理化所獨立研制的高效率壓縮機。該壓縮機采用永磁電機動圈結構、板彈簧支撐，電機中永磁場最高磁場強度達到1.1T。脈沖管冷指采用同軸布置。整機制冷性能為3W/80K，最大輸入功率小于80W，整機質量小于6kg。脈沖管制冷機已在軌連續開機超過半年，性能未見衰減。

壓縮機 脈沖管制冷機 紅外焦平面探測器 “高分四號”衛星

0 引言

小型脈沖管制冷機由于其壽命長、比質量（80K制冷量/質量）高等技術優勢，已經替代輻射制冷機，成為國際空間制冷的主力。在國際航天領域，脈沖管制冷機用于冷卻大規模紅外焦平面探測器、濾光片以及冷光學鏡頭等。

脈沖管制冷技術的發展起源于20世紀60年代美國科學家的工作。20世紀80年代，前蘇聯科學家對脈沖管制冷機的流程進行了改進，使其最低溫度降低至 105K。1986年，美國科學家將脈沖管制冷機最低溫度降低至60K，證明其可以具有液氮溫區的應用價值。1989年，中國科學院低溫中心（現中國科學院理化技術研究所前身，以下稱理化所）的一臺脈沖管制冷機，在油潤滑壓縮機的驅動下，獲得49K的最低制冷溫度，在77K獲得12W的制冷量。20世紀70年代，牛津大學發明了板彈簧支撐的無閥長壽命壓縮機技術，極大地提高了斯特林制冷機的空間應用可靠性和使用壽命。到20世紀90年代，斯特林制冷機技術在美國和歐洲獲得全面空間應用，極大地推進了國際空間紅外探測技術的發展。斯特林制冷機在低溫端有運動部件，但受到結構和流程的制約，該運動部件不能采用板彈簧雙支撐方案，因此難以避免低溫下的磨損。斯特林制冷熱力學循環由兩個等容回熱過程、一個等溫壓縮過程和一個等溫膨脹過程組成。現實中，這四個過程通過電機控制兩個活塞實現，這兩個活塞有嚴格的相位關系。低溫運動部件的磨損，會造成竄氣損失，同時也造成相位的變化。由于這種變化非常復雜，導致超過5年壽命斯特林制冷機的可靠性計算難以滿足工程要求。隨著宇航技術的不斷發展，衛星平臺的壽命已經達到在軌10年以上，要求與之配套的載荷也需要壽命在10年以上。1995年左右，美國開始嘗試脈沖管制冷機的空間應用。從制冷機理上，國際低溫界把脈沖管制冷機與斯特林制冷機相聯系，認為兩者均歸類于回熱式制冷循環。為了便于理解，脈沖管制冷機的制冷原理可以簡化的表述成“在廣義回熱式循環的基礎上，把斯特林制冷循環的低溫固體活塞由氣體活塞代替，形成脈沖管制冷循環，該氣體活塞的形成由長頸管氣庫等氣體動力學元件組成”。從熱力學角度，脈沖管制冷循環可以認為由一個等溫壓縮過程、一個等溫膨脹過程和兩個多變換熱過程組成。由于脈沖管制冷機冷端沒有運動部件，其氣體活塞與固體活塞之間的相位關系由制冷機結構決定，因此可靠性高，壽命長。根據美國NTSG公司的文章[1]，到2010年，脈沖管制冷機已經是美國空間機械長壽命制冷機的首選機型。理化所從1986年開始脈沖管制冷機的研究，歷經三十年，獲得大量的基礎研究和應用研究成果。理化所承擔了“高分四號”衛星凝視相機脈沖管制冷機研制任務，脈沖管制冷機用于冷卻紅外焦平面探測器，保證其在80K溫度下正常工作。

1 3W/80K脈沖管制冷機

“高分四號”衛星凝視相機采用一臺3W/80K同軸脈沖管制冷機，配合華北光電技術研究所的紅外探測器-杜瓦組件，形成紅外探測器組件。該脈沖管制冷機如圖1所示，技術指標如表1所示。

該制冷機壓縮機采用板彈簧支撐，雙活塞對置布置，實現制冷機高可靠、低振動。壓縮機內部結構如圖2所示，壓縮機電機為永磁動圈式直線電機；該電機采用理化所獨立開發的高效率磁路，最大磁場強度達到1.1T。制冷機整機采用全焊接結構，保證氣密性、降低整機重量。

圖1 3W/80K脈沖管制冷機整機Fig.1 3W/80K pulse tube cryocooler

表1 3W/80K同軸脈沖管制冷機的主要技術指標Tab.1 The main technical specifications of 3W/80K coaxial pulse tube cryocooler

圖2 壓縮機內部結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of internal structure of compressor

制冷機所采用的板彈簧如圖3所示。

圖3 板彈簧曲線Fig.3 The plate spring curve

制冷機冷指為同軸布置，接口尺寸與法國9189制冷機一致。制冷機的制冷性能曲線如圖4所示。

圖4 脈沖管制冷機性能曲線Fig.4 The performance curve of pulse tube cryocooler

2 脈沖管制冷機的可靠性控制措施

理化所從1995年開始開展空間脈沖管制冷機研究，已經完成300多臺脈沖管制冷機整機的制造。根據脈沖管制冷機的研制經驗，借鑒國際上有關資料，表2列出了空間機械制冷機可能的失效機理，同時列出了脈沖管制冷機針對這些失效機理的失效概率。

表2 空間機械制冷機可能的失效機理及脈沖管制冷機的失效概率Tab.2 The possible failure mechanism of space mechanical cryocooler and the failure probability of pulse tube cryocooler

通過上表可知，由于膨脹機內部沒有運動部件，空間脈沖管制冷機的失效機理就是內部放氣污染和制冷機電控失效兩項。

理化所研制的脈沖管制冷機的制造工藝流程中，針對可靠性的工藝有近20項，其中包括了零件篩選、烘烤除氣、部件振動篩選、整機篩選等環節。圖5顯示了截止到2016年6月17日，脈沖管制冷機在軌交流輸入功率曲線。在軌數據表明，制冷機長期工作在22W左右，遠低于最大輸入功率80W。目前，制冷機在軌性能有三倍多的余量。入軌初期整星調整期間，制冷機輸入功率略有提高，隨后降低，證明該制冷機的可靠性措施有效。

圖5 脈沖管制冷機在軌輸入功率（交流）Fig.5 The pulse tube cryocooler input power (AC) on orbit

3 新的進展

在 3W/80K脈沖管制冷機成功在軌運行的基礎上，理化所開展了 10W/80K脈沖管制冷機和新一代3W/80K脈沖管制冷機的研制，已經獲得一類工程樣機。10W/80K脈沖管制冷機的技術指標為：80K溫度下，制冷量為10W，運行頻率為50Hz，質量小于8kg，其性能曲線如圖6所示。

圖6 10W/80K脈沖管制冷機性能曲線Fig.6 The performance curve of 10W/80K pulse tube cryocooler

新一代3W/80K脈沖管制冷機是基于理化所高頻脈沖管制冷技術研發的，其特點是運行頻率高，質量輕，體積小。典型性能為：80K溫度制冷量3W，輸入功率80W，運行頻率120Hz，質量小于1.6kg。該機最佳工作冷量為2W/80K，此時輸入功率僅為45W，比“高分四號”衛星脈沖管制冷機效率高，質量輕。其外觀圖和性能曲線見圖7和圖8。

圖7 理化所新一代3W/80K脈沖管制冷機實物照片Fig.7 Photos of a new generation of 3W/80K pulse tube cryocooler

圖8 理化所新一代3W/80K高頻脈沖管制冷機性能Fig.8 Performances of a new generation of 3W/80K high frequency pulse tube cryocooler

4 結束語

本文介紹了“高分四號”衛星凝視相機采用的3W/80K脈沖管制冷機的基本情況、可靠性控制措施以及理化所在該技術上的最新進展。3W/80K脈沖管制冷機首次在軌業務應用的成功，標志著我國已經具備研制高可靠、長壽命空間機械制冷機的能力。

References)

[1] RAAB J, TWARD E. Northrop Grumman Aerospace Systems Cryocooler Overview[J]. Cryogenics, 2010, 50(9): 572-581.

[2] MOSER K S, DAS A, OBAL M W. The Qualification and Use of Miniature Tactical Cryocoolers for Space Application: Cryocooler 9[C]. Springer US, 1997, 905-915. DOI: 10.1007/978-1-4615-5869-9_10.

[3] GRIEP W L V D, MULLIE J C, WILLEMS D W J, et al. Development of a 15W Coaxial Pulse Tube cooler: Cryocooler 15[C]. Boulder: ICC Press, 2009, 157-165.

[4] RUHLICH I, KORF H, WIEDMANN TH. The AIM-Space Cryocooler Programs: Crycocooler 11[C]. New York: Springer US, 2002: 139-144. DOI: 10.1007/0-306-47112-4_18.

[5] ROSS R G. Cryocooler Reliability and Redundancy Considerations for Long-Life Space Missions: Cryocoolers 11[C]. New York: Springer US, 2002: 637-648. DOI: 10.1007/0-306-47112-4_79.

[6] MAI M, RUHLICH I, ROSENHAGEN C. Development of the Miniature Flexure Bearing Cryocooler SF070: Cryocoolers 15[C]. Boulder: ICC Press: 2009, 133-138.

[7] RUHLICH I, MAI M, Wiedmann, WIEDMANN. Flexure Bearing Compressor in the One Watt Linear (OWL) Envelope[J] Proc. SPIE, 2007(6542): 654221-1 to -7.

[8] RADEBAUGH R. Pulse Tube Cryocoolers for Cooling Infrared Sensors[J]. SPIE: Infrared Technology and Applications XXVI, 2000, 4130: 363-379.

[9] KITTEL P, KASHANI A, LEE J M, et al. General Pulse Tube Theory[J]. Cryogenics, 1996, 36(10): 849-857.

The Pulse Tube Cryocooler of GF-4 Satellite Staring Camera

CAI Jinghui ZHAO Miguang HONG Guotong

（Technical Institute of Physical and Chemistry, CAS, Beijing 100190, China）

A pulse tube cryocooler is installed on the GF-4 satellite to cooling down an infrared focal plane detector. The pulse tube cryocooler, whose on-orbit life time is designed more than 5 years, is the frist Chinese device to servicing on orbit. This paper introduces the characteristics, the main technical data and the reliability of the pulse tube cryocooler. The next generation pulse tube cryocoolers developed by IPC (The Technical Institute of Physical And Chemistry) is introduced, which is based on the GF-4 pulse tube technique. A compressor which has two pistons, high efficiency linear motor and plate support spring is used to drive a co-axial pulse tube cooled finger. The highest magnetic field strength is 1.1T. The pulse tube cryocooler can provide 3W cooling power at 80K with 80W input power. The mass of the cryocooler is 6kg. The crycooler has been running on orbit for more than 4 000 hours. The performance degradation is not observed yet.

compressor; pulse tube cryocooler; infrared focal plane detector; GF-4 satellite

TB651

: A

: 1009-8518(2016)04-0066-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.009

蔡京輝，男，1965年生，1989年獲清華大學熱能工程系碩士學位，研究員。研究方向為脈沖管制冷機。E-mail: jhcai@mail.ipc.ac.cn。

（編輯：毛建杰）

2016-06-05

國家重大科技專項工程