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机械制冷技术在空间遥感领域的应用与发展吴亦农(中国科学院上海技术物理研究所上海200083)摘要: 机械制冷是指需要输入外功的闭式循环主动制冷过程。由于空间环境的特殊性, 机械制冷技术在空间遥感领域的应用除了需满足微型、轻量、长寿命、低功耗、 低振动、低电磁干扰等严格的要求外, 还必须通过热真空、力学、电磁兼容等多种苛刻的空间环境试验的考核, 具有足够的空间环境适应性。分析了机械制冷技术如何满足空间遥感的特殊要求, 并介绍了作为当前研究热点的新型空间机械制冷技术。关键词: 机械制冷空间遥感红外中图分类号: T P 79文献标识码: A文章编号: 1004- 0323 (1999) 01- 0032- 05引言1由于红外光子能量小、红外半导体材料的禁带宽度窄, 为了防止载流子的热激发而引起D 3 的下降, 对于高性能的空间红外遥感仪器所采用的长波光子半导体探测器都必须进行低 温制冷, 以提高红外系统的探测灵敏度。通常空间红外遥感探测器所需要的制冷温度范围为60～ 150 K〔1〕。 目前能够满足上述温度范围的空间低温致冷器主要有辐射致冷器、固体致冷器和机械制冷机。 表 1 列出了对这几种致冷器的比较。表 1 3 种致冷器比较结果制冷器制冷原理优点缺点轨道寿命向空间高真空、深低 温冷背景辐射自身热量的 被动制冷。利用固体升华进行相变 制冷。无运动部件, 无振动和电磁干扰,功耗小、寿命长, 技术成熟。体积大, 制冷温度高、冷量小, 对轨道及卫星姿态要求严格, 易污 染。辐射致冷器数年无振动, 工作温度低, 对轨道无要求, 技术成熟。重量、体积大, 寿命短, 对卫星姿态有影响。固体致冷器数月利用封闭式的制冷机循环进行主动制冷。功耗大, 有散热问题, 有振动及电磁干扰, 技术成熟度稍低。结构紧凑, 制冷量大, 制冷温度范围广, 对轨道及卫星姿态要求低,安装位置灵活。机械制冷机数年通过表 1 可以看出, 机械制冷机在功耗, 散热, 技术成熟性, 振动及电磁干扰等方面还达收稿日期: 1998210227作者简介: 吴亦农, 男, 1968 年 11 月生, 硕士, 从事微型低温制冷机的研制及其在航天红外遥感领域的研究。第 1 期吴亦农: 机械制冷技术在空间遥感领域的应用与发展33不到其它两种致冷器的水平, 但是在制冷量, 制冷温度范围, 安装方式, 对轨道及卫星姿态的要求等方面, 却具有明显的优势。 特别是英国牛津大学研制的牛津型斯特林制冷机, 由于采 用了直线电机、间隙密封、柔性轴承、双驱动结构等新的技术, 使得工作寿命显著提高, 目前已经达到平均无故障工作寿命 (M TB F ) 超过 5 万小时的水平, 完全能够满足空间遥感对制 冷机提出的长寿命的技术要求。因而, 各国都在大力开展机械制冷机在空间遥感领域的应用研究。已经发射的欧空局的地球资源卫星 ER S- 1A T SR 和美国N A SA 的U A R S 卫星均成 功地使用了英国 BA e 公司生产的牛津型斯特林制冷机。尽管在空间应用领域机械制冷技术与其它致冷技术相比有着无法比拟的优点, 但是要想把它成功地应用在空间遥感仪器上却不是一件容易的事情。 由于机械制冷机中有运动部 件, 必然会降低可靠性, 并带来振动干扰; 由于卫星上能源宝贵, 从而对功耗有相当的限制;由于机械制冷中是依靠电机来实现电—功转换的, 必然会向周围发散电磁场, 从而对元件或 线路产生电磁干扰。 这些是机械制冷技术在空间实际应用中必须解决的技术问题。机械制冷机的空间实用化及环境适应性机械制冷机中常见的是斯特林制冷机。 它是通过气体制冷工质在压缩机和膨胀机中进 行逆向斯特林循环来实现制冷的, 具有可微型化, 效率高, 冷量大, 工作温度范围宽, 启动快, 安装灵活等优点, 适合于航天应用, 是空间遥感用制冷机的主力军。 随着空间遥感技术的飞 速发展, 对机械制冷技术在空间实用化及环境适应性方面的研究是首先围绕这种制冷机而 展开的, 主要包括如下几个内容。211长寿命研究通常的军用斯特林制冷机, 因为可以进行地面维护, 运行寿命一般不超过 6 000 h。这达 不到空间遥感任务提出的长寿命的要求, 在空间领域中一直没有得到广泛而成功的应用。80 年代初, 英国牛津大学发明了膜片弹簧支撑技术, 以两组膜片弹簧作压缩机和膨胀 机运动振子的支撑, 并以直线驱动马达分别推动振子沿轴向进行往复直线运动。这种弹簧具 有极佳的径向刚度, 通过精良的装配工艺可使活塞在运动过程中与气缸间始终保持均匀的微小间隙而不产生接触磨损, 即达到所谓的无摩擦间隙密封。同时由于采用了特殊的线型和 材料, 实际运行时弹簧的最大应力低于材料的疲劳应力值, 理论上具有无限的疲劳寿命。 因而, 牛津制冷机具有相当长的运行寿命 (M TB