朱建炳

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

空間低溫制冷技術(shù)主要是為衛(wèi)星、飛船等航天器提供所需低溫條件的獲得技術(shù),及其制冷設(shè)備長期穩(wěn)定工作的控制技術(shù)和制冷設(shè)備與被冷卻對象之間耦合技術(shù)。主要為航天器應(yīng)用的各種低溫探測器、超導(dǎo)器件、低溫電子學(xué)等裝置提供穩(wěn)定、可靠的低溫條件，保證其獲得良好的工作性能。

近幾年，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，使得各種遙感儀器廣泛應(yīng)用于航天器上，如紅外探測器、X射線、γ射線和亞毫米波探測器、超導(dǎo)量子探測器等。由于宇宙是一個(gè)高真空、約3 K的低溫環(huán)境，航天器上所配制的這些低溫光學(xué)探測系統(tǒng)的溫度往往高于背景溫度，很容易干擾視場內(nèi)的目標(biāo)信號(hào)，影響探測效果。降低光學(xué)遙感系統(tǒng)的溫度，既可減少本身的熱噪聲，也可屏蔽或排除視場外的熱干擾，可以提高探測的精確度和靈敏度。因此低溫制冷系統(tǒng)是對地遙感衛(wèi)星和深空探測航天器不可缺少的重要組成部分，必須加大開發(fā)力度，以滿足航天技術(shù)發(fā)展的急需。

2 對空間低溫制冷技術(shù)的要求

探測器的噪聲源主要有載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲和背景輻射噪聲，降低探測器及其光學(xué)系統(tǒng)的溫度可以有效地降低探測器的熱噪聲和背景輻射噪聲，提高探測器的精度和靈敏度。一般探測器的波長越長，需要的制冷溫度越低。用于對地遙感的紅外探測器，工作溫度在液氮溫區(qū)就可取得滿意的探測效果。而應(yīng)用于宇宙背景探測、空間紅外觀測、毫米波亞毫米波探測、相對量測量以及空間磁場測量等深空探測和天文觀測的航天器，其探測器和光學(xué)系統(tǒng)必須工作在液氫或液氦溫區(qū)，有時(shí)甚至要工作在幾十毫開的極低溫區(qū)，才能降低探測器的背景噪聲和輻射干擾，獲取分辨率較高的探測精度。此外采用量子超導(dǎo)干涉器件（SQUID）的高精度探測器也要工作在1～8 K極低的溫度下。

空間低溫制冷系統(tǒng)對航天器或有效載荷設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局、功能有重要的影響，它需要根據(jù)航天器的使命進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，以確保深空探測器有關(guān)設(shè)備能夠工作在合適的溫度范圍內(nèi)。在進(jìn)行低溫制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮制冷系統(tǒng)的制冷溫度、制冷功率、體積、質(zhì)量、功耗等以外，還應(yīng)滿足以下條件的約束：

1）航天器從發(fā)射到完成任務(wù)所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境和熱真空環(huán)境，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；

2）3年以上工作壽命和空間長期免維護(hù)可靠性工作要求；

3）自身產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲和電磁干擾??；

4）空間微重力工作狀態(tài)；

5）適應(yīng)航天器工作模式的要求。

3 空間低溫制冷技術(shù)的發(fā)展

空間低溫制冷機(jī)根據(jù)工作方式可分為主動(dòng)式熱泵循環(huán)和被動(dòng)式制冷2種工作方式。通過制冷機(jī)做功把熱量從低溫端向高溫端輸運(yùn)，并向冷空間排放，獲得有效制冷量的方式稱為主動(dòng)式熱泵循環(huán)制冷系統(tǒng)。通過輻射換熱或者存貯的低溫制冷劑的相變換熱，為被冷卻對象提供有效冷源的方式稱為被動(dòng)式制冷。目前，適應(yīng)航天器應(yīng)用的低溫制冷設(shè)備主要有輻射制冷器、固體制冷器、超流氦杜瓦、機(jī)械制冷機(jī)，以及吸附式制冷機(jī)、3He-4He稀釋制冷機(jī)和絕熱去磁制冷機(jī)等。

3.1 輻射制冷器

輻射制冷器是依靠宇宙冷黑背景降溫的被動(dòng)式制冷裝置。自1966年首次在美國獲得成功應(yīng)用后，已先后開發(fā)成功了適合不同軌道的多種類型（如方錐型、圓錐型、L型、W型、V型、拋物面G型等）輻射制冷器，制冷溫度由200 K降低到80 K，制冷量從幾毫瓦提高數(shù)百毫瓦級(jí)。2002年美國發(fā)射的EOS-Apua上的平流層氣體紅外分光計(jì)（SWIRLS）輻射制冷器最低制冷溫度可達(dá)60 K，在80 K獲得130 mW的冷量。歐空局也研制成功了拋物面G型輻射制冷器，可達(dá)到269 mW/105 K的在軌性能。歐空局在2002年發(fā)射的環(huán)境衛(wèi)星（ENVISAT-1）上的大氣制圖掃描成像吸收分光計(jì)（SCIAMACHY），同樣采用輻射制冷器為紅外探測器提供可靠冷源，在123 K獲得0.75 W的冷量[1]。

輻射制冷器主要優(yōu)點(diǎn)是無運(yùn)動(dòng)部件、壽命長、可靠性高、無噪聲干擾、耗功小，非常適合空間紅外遙感需求。缺點(diǎn)是對航天器軌道、飛行姿態(tài)和安裝位置有嚴(yán)格的要求，不能有太陽帆板等阻擋物，制冷量小，體積較大，地面試驗(yàn)困難，其應(yīng)用有一定的局限型。發(fā)展方向是改進(jìn)輻射交換的面型結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大視場，降低地球輻射和陽光輻射的影響，減少支撐及級(jí)間耦合的熱損，提高制冷量，以滿足焦平面器件對制冷量的要求。

3.2 固體制冷器

固體制冷器是利用固態(tài)制冷劑在空間直接升華而產(chǎn)生冷源的一種制冷設(shè)備，具有不消耗航天器能源、無振動(dòng)、不受軌道限制、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點(diǎn)。常用的制冷劑有氮、氫、氬、氖等，可制成單級(jí)或雙級(jí)固體制冷器。制冷劑一般存貯在鋁制容器內(nèi)，通過高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)的復(fù)合材料支撐固定在外殼，內(nèi)外層之間采用高效真空多層絕熱，降低漏熱。探測器通過導(dǎo)熱桿與制冷器相連，所產(chǎn)生的氣體通過排氣管排到空間。雙級(jí)固體制冷器是利用各種制冷劑升華潛熱不同，用一種升華潛熱高的工質(zhì)作為輔助制冷劑來保護(hù)主制冷劑，減小漏熱損失，延長工作時(shí)間。

在1990年發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中就是采用固氮制冷器，為其近紅外照相機(jī)和多目標(biāo)分光計(jì)（MICMOS）提供58 K冷源，它由固氮容器、3層冷屏（1層氣冷屏和2層熱電制冷的冷屏）、絕熱支撐組件和外殼組成。美國1991年發(fā)射的高層大氣衛(wèi)星（UARS）低溫臨邊列陣光譜計(jì)（CLAES）采用了固氫制冷器，制冷溫度12 K，制冷量30 mW，在軌運(yùn)行了18個(gè)月。在詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的中紅外照相兼光譜分析儀最初設(shè)計(jì)中，也是采用固氫制冷器，如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)采用固氫制冷器冷卻至15 K，探測器焦平面采用另一個(gè)較小的固氫制冷器冷卻至7 K，共裝有固氫1 000 L。

固體制冷器工作壽命則取決于攜帶的制冷工質(zhì)數(shù)量，同時(shí)在工作過程中隨著質(zhì)量的改變將引起衛(wèi)星質(zhì)心變化，給航天器控制帶來不利，這些限制了它的使用。

圖1 空間望遠(yuǎn)鏡固氫制冷器

3.3 超流氦制冷器

超流氦制冷器是利用超流氦的“熱機(jī)效應(yīng)”對探測器進(jìn)行2.0 K以下冷卻的制冷系統(tǒng)，制冷量主要來源于液態(tài)到氣態(tài)的相變潛熱?？臻g超流氦制冷系統(tǒng)即可以直接服務(wù)于許多探測系統(tǒng)，也可以作為更低溫度的制冷系統(tǒng)的支撐平臺(tái)，如配以3He吸附制冷、3He－4He稀釋制冷和磁制冷可獲取更低的制冷溫度（如0.300～0.065 K）。早在1983年就成功應(yīng)用于歐空局的紅外天文衛(wèi)星（IRAS），成為最早在空間獲得應(yīng)用的深低溫制冷技術(shù)。目前眾多已飛行和正在研發(fā)的深空探測研究項(xiàng)目中（COBE、ISO、SIRTF、ASTRO-F、HERSCHEL等），空間超流氦制冷依然是一種優(yōu)先選擇的深低溫制冷技術(shù)。

空間超流氦制冷系統(tǒng)包括超流氦杜瓦、與探測器的熱耦合組件以及長期運(yùn)行時(shí)的液氦再加注系統(tǒng)。超流氦杜瓦是通過一系列高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)復(fù)合材料支撐固定在主體結(jié)構(gòu)上，既要滿足漏熱小，又要耐受惡劣的發(fā)射力學(xué)環(huán)境考驗(yàn)。在空間微重力條件下，需要采用多孔塞相分離器實(shí)現(xiàn)氣液兩相分離，通過控制在多孔塞出口處的加熱器熱量控制超流氦流量。超流氦杜瓦內(nèi)液體晃動(dòng)對航天器姿態(tài)控制有很大的影響，通過在杜瓦內(nèi)部加上擋板，依靠液體與固體之間的摩擦以及氣液表面張力對晃動(dòng)進(jìn)行衰減。另外，在工作期間必須保持超流氦與被冷卻對象良好的熱耦合，維持制冷溫度的穩(wěn)定性；系統(tǒng)還必須能夠經(jīng)受長期低溫、輻射等惡劣的外空間環(huán)境考驗(yàn)。

空間超流氦制冷技術(shù)的發(fā)展方向是與輻射制冷或機(jī)械制冷技術(shù)結(jié)合，充分利用航天器軌道空間的優(yōu)良熱環(huán)境，降低超流氦的蒸發(fā)速率，延長其工作壽命。圖2為美國BALL公司為斯匹策空間望遠(yuǎn)鏡研制的超流氦杜瓦[2]，它在將探測器冷卻至1.4 K的同時(shí)，采用蒸發(fā)的冷氦氣將光學(xué)系統(tǒng)冷卻至5.5 K，制冷量6 mW。它就是利用輻射制冷將超流氦杜瓦外殼冷卻至40 K以下，用360 L超流氦可以滿足5年工作壽命要求，杜瓦干重126.7 kg。

圖2 斯匹策空間望遠(yuǎn)鏡超流氦杜瓦

3.4 機(jī)械制冷機(jī)

機(jī)械制冷機(jī)如斯特林制冷機(jī)、脈管制冷機(jī)、逆布雷頓制冷機(jī)、閉式J-T制冷機(jī)等是當(dāng)前空間低溫制冷技術(shù)開發(fā)的重點(diǎn)，并已取得突破性進(jìn)展。截至目前為止，在空間已獲得成功應(yīng)用的長壽命機(jī)械制冷機(jī)有30多臺(tái)，其中英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室研制斯特林制冷機(jī)在歐空局地球遙感衛(wèi)星（ERS-2）已正常工作了14年。2臺(tái)美國NGST公司研制的微型脈管制冷機(jī)在軌也正常工作了10年以上?？臻g機(jī)械制冷機(jī)的用途越來越廣泛，已經(jīng)從冷卻對地觀測探測器和電子器件為主，擴(kuò)展用來冷卻深空探測的高靈敏度探測器與低溫光學(xué)系統(tǒng)，為空間存貯式低溫制冷器提供冷屏蔽，實(shí)現(xiàn)空間低溫液體零蒸發(fā)長期貯存（ZBO）等。機(jī)械制冷機(jī)可以制成多級(jí)制冷機(jī)，獲得更低的制冷溫度。一般采用兩級(jí)制冷可以達(dá)到20 K溫區(qū)，三級(jí)制冷或兩級(jí)制冷加J-T制冷可以達(dá)到液氦溫區(qū)。與存貯式制冷系統(tǒng)相比，具有體積小、質(zhì)量輕、制冷量大、操作簡便的特點(diǎn)。

在多級(jí)機(jī)械制冷技術(shù)的研究方面，美國走在了最前端。NASA于2001年就啟動(dòng)了高級(jí)低溫制冷機(jī)開發(fā)計(jì)劃（ACTDP，如圖3）[3]，在該計(jì)劃支持下，洛克希德-馬丁公司研制成功四級(jí)脈管制冷機(jī)，最低制冷溫度達(dá)到3.83 K，在6 K可提供50 mW的制冷量，在18 K時(shí)可提供150 mW的制冷量，功耗725 W，質(zhì)量21 kg。NGST公司研制成功了三級(jí)脈管預(yù)冷的J-T制冷器復(fù)合制冷系統(tǒng)，采用J-T制冷器可以遠(yuǎn)距離為冷卻對象提供6 K冷源，制冷量70 mW，使冷卻對象遠(yuǎn)離壓縮機(jī)的振動(dòng)和電磁干擾。三級(jí)脈沖管制冷機(jī)在10 K可提供200 mW的制冷量，功耗300 W。BALL宇航技術(shù)公司采用三級(jí)斯特林與J-T制冷器復(fù)合技術(shù)方案，也可以遠(yuǎn)距離為冷卻對象提供6 K/70 mW冷源，斯特林制冷機(jī)在15 K可提供250 mW的制冷量，功耗150 W。

圖3 美國ACTDP低溫制冷機(jī)

日本在雙級(jí)斯特林制冷機(jī)研究方面也取得了顯著的成績。三菱重工研制雙級(jí)斯特林制冷機(jī)在20 K可提供200 mW的制冷量，功耗80 W，質(zhì)量9.5 kg，工作壽命5年，并已獲得成功應(yīng)用。該雙級(jí)制冷機(jī)經(jīng)改進(jìn)后，用來預(yù)冷以4He為工質(zhì)的J-T節(jié)流制冷器，在4.5 K可以提供50 mW制冷量，功耗145 W，質(zhì)量23 kg。采用該制冷機(jī)預(yù)冷以3He為工質(zhì)J-T節(jié)流制冷器，1.7 K可以提供16 mW制冷量，功耗180 W，質(zhì)量25 kg。

機(jī)械制冷技術(shù)的發(fā)展方向是進(jìn)一步提高制冷效率和可靠性，通過污染控制以延長工作壽命；采用與J-T制冷器耦合實(shí)現(xiàn)與被冷卻對象遠(yuǎn)距離的冷卻，解決制冷機(jī)的散熱，降低冷頭振動(dòng)和電磁干擾對探測器的影響；開發(fā)一臺(tái)壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)多冷頭的新技術(shù)方案，滿足系統(tǒng)多點(diǎn)制冷需求或進(jìn)行制冷系統(tǒng)備份，提高制冷系統(tǒng)可靠性。

3.5 吸附制冷機(jī)

吸附制冷機(jī)是利用熱開關(guān)控制吸附床加熱解析與冷卻吸附獲得高低壓氣源，與J-T節(jié)流閥結(jié)合來實(shí)現(xiàn)制冷。其特點(diǎn)是工作壽命長，無運(yùn)動(dòng)部件，不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，可靠性較高。工作溫度取決于工質(zhì)氣體與吸附床的種類，吸附式壓縮機(jī)可遠(yuǎn)離冷端放置在航天器平臺(tái)上。

美國JPL實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)為歐空局PLANCK探測器開發(fā)成功了20 K氫吸附低溫制冷機(jī)，并于2009年發(fā)射成功，其壓縮機(jī)采用6組金屬氫化物吸附床和低壓氣體貯存器組成，每個(gè)吸附床都通過氣隙式熱開關(guān)控制與輻射散熱器的熱導(dǎo)通與斷開。當(dāng)吸附床加熱到450 K時(shí)，氫氣從吸附床脫附產(chǎn)生高壓氫氣，通過逆流換熱器冷卻至60 K后在J-T節(jié)流制冷器中膨脹冷卻至18 K，并提供冷量。氫氣冷凝后再通過逆流換熱器升溫至270 K，在吸附床中被吸附，完成制冷循環(huán)。該吸附式制冷機(jī)在20 K可提供1 W制冷量，總功耗370 W，采用分組工作方式，可以連續(xù)提供冷量。

采用活性炭或分子篩對3He吸附減壓可以獲得300 mK以下制冷溫度。英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室（RAL）為HERSCHEL空間望遠(yuǎn)鏡研制成功了3He吸附式制冷機(jī)[4]，如圖4所示。在超流氦熱沉溫度為1.5 K時(shí)，制冷機(jī)在290 mK可以獲得10 μW制冷量。制冷機(jī)工作過程中產(chǎn)生的各種吸附熱通過氣隙式熱開關(guān)控制傳導(dǎo)到超流氦熱沉中，采用間斷工作方式，工作保持時(shí)間70 h。

圖4 HERSCHEL吸附式制冷機(jī)

3.6 絕熱去磁制冷機(jī)

絕熱去磁制冷機(jī)（ADR）是利用順磁鹽的磁致熱效應(yīng)來制冷，由順磁鹽、高性能磁體和熱開關(guān)組成。當(dāng)對順磁鹽進(jìn)行絕熱去磁時(shí)，由于磁熵降低對外吸熱，可以產(chǎn)生50～100 mK低溫。ADR操作簡單，工作循環(huán)效率高，無運(yùn)動(dòng)部件；缺點(diǎn)是質(zhì)量較大，強(qiáng)磁場產(chǎn)生較大的電磁干擾，通常需要采用液氦或其他冷卻方式為其提供幾開的低溫?zé)嵩?。美國已?jīng)為日本ASTRO-E衛(wèi)星高分辨率X射線光譜計(jì)研制成功了絕熱去磁制冷機(jī)，采用1.3 K超流氦作為熱沉，在60 mK可以提供0.3 μW制冷量，質(zhì)量15 kg。

目前美國NASA正在開發(fā)可以連續(xù)工作的多級(jí)絕熱去磁制冷機(jī)（CADR），它是通過熱開關(guān)控制幾臺(tái)絕熱去磁制冷機(jī)順序工作，并獲得連續(xù)的制冷量。圖5是一臺(tái)美國GSFC研制的四級(jí)CDAR制冷器[5]，各級(jí)之間通過熱開關(guān)相連，在熱沉溫度為4.2 K時(shí)，最低制冷溫度35 mK，在50 mK可以提供6 μW制冷量，質(zhì)量8 kg。日本在Astro-H衛(wèi)星高分辨率X射線光譜計(jì)采用兩級(jí)斯特林制冷機(jī)預(yù)冷，以3He為工質(zhì)的J-T制冷器為CADR制冷器提供1.8 K的熱沉，研制成功了兩級(jí)絕熱去磁制冷機(jī)[6]，在50 mK可以提供0.4 μW制冷量，質(zhì)量僅8 kg。

絕熱去磁制冷的主要發(fā)展方向是開發(fā)開關(guān)比在1 000以上的高可靠熱開關(guān)；能夠傳導(dǎo)大電流的高溫超導(dǎo)電纜；可靠的順磁鹽容器的懸掛系統(tǒng)和足夠的持續(xù)時(shí)間；解決強(qiáng)磁場電磁干擾問題，進(jìn)一步降低工作溫度。

3.7 氦稀釋制冷器

氦稀釋制冷技術(shù)是利用3He-4He溶液特性進(jìn)行制冷，由3He-4He混合室、蒸發(fā)器和冷凝器組成。在3He-4He混合室中，當(dāng)3He原子從濃縮相經(jīng)過相界面進(jìn)入超流的4He中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生吸熱效應(yīng)而制冷。氦稀釋制冷機(jī)的溫度可達(dá)100 mK以下，制冷量可達(dá)100 μW，與其他極低溫制冷機(jī)相比，可以連續(xù)工作，具有可靠性高，操作簡單，無振動(dòng)和電磁干擾，工作性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。

氦稀釋制冷機(jī)已經(jīng)在2009年歐空局發(fā)射的普朗克空間探測器中獲得了成功應(yīng)用，其高頻儀器（HFI）測熱輻射計(jì)探測器就是采用3He-4He稀釋制冷機(jī)冷卻至0.1 K[7]。它由3個(gè)4He和1個(gè)3He高壓貯瓶以及控制管路組成。高壓氣體通過輻射制冷和J-T制冷器冷卻至4.5 K后被液化，再通過一個(gè)以3He為工質(zhì)的J-T制冷器預(yù)冷至1.8 K，3He與4He液體在HFI焦平面混合室內(nèi)進(jìn)行稀釋降溫，使焦平面冷卻至0.1 K，制冷量為100 nW，工作壽命1年。

開式3He-4He稀釋制冷系統(tǒng)中由于受容器體積限制，工作壽命有限。目前國外學(xué)者正在采用改性活性炭作為3He吸附泵，吸附的3He經(jīng)過冷凝液化后再返回混合室，通過熱開關(guān)構(gòu)成一個(gè)閉式制冷系統(tǒng)，可以提高制冷量，延長工作壽命。法國已經(jīng)研制成功一臺(tái)閉循環(huán)3He-4He稀釋制冷機(jī)[8]，它采用一臺(tái)3He循環(huán)泵和3He相分離器，實(shí)現(xiàn)了最低制冷溫度39 mK，在100 mK有1 μW的制冷量。

圖5 四級(jí)CADR制冷機(jī)

圖6 3He-4He稀釋制冷機(jī)

4 我國空間低溫制冷技術(shù)的現(xiàn)狀

我國的空間制冷技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)研制成功了空間輻射制冷器、斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、固體制冷器、逆布雷頓制冷機(jī)等多種制冷設(shè)備，取得了一系列重要成就，建立了完整配套的航天工程體系。已有十多臺(tái)輻射制冷器在“風(fēng)云”系列氣象衛(wèi)星和“資源”衛(wèi)星上獲得成功應(yīng)用，積累了豐富的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，目前依然是我國實(shí)用型遙感衛(wèi)星的主要制冷方式，如“風(fēng)云三號(hào)”“風(fēng)云四號(hào)”氣象衛(wèi)星和“資源一號(hào)”03/04星依然采用輻射制冷器為其探測器提供冷源。空間斯特林制冷機(jī)和脈管制冷機(jī)也基本趨于成熟，中科院理化所研制的脈管制冷機(jī)已在“試驗(yàn)一號(hào)”衛(wèi)星上進(jìn)行了搭載飛行。航天510所研制的斯特林制冷機(jī)在解決了影響制冷機(jī)工作壽命的工質(zhì)氣體污染這項(xiàng)關(guān)鍵因素后[9]，工作壽命和可靠性獲得很大提高，將在“實(shí)踐九號(hào)”衛(wèi)星上搭載進(jìn)行空間飛行驗(yàn)證，即將轉(zhuǎn)向工程應(yīng)用。在超流氦技術(shù)研究領(lǐng)域，中科院理化所在超流氦相分離技術(shù)方面進(jìn)行了探索，建立了相分離地面試驗(yàn)設(shè)備[10]；航天510所已經(jīng)開始空間超流氦杜瓦的研制工作。西安交通大學(xué)在逆布雷頓制冷技術(shù)研究方面也進(jìn)行了探索；在深低溫機(jī)械制冷技術(shù)研究方面，浙江大學(xué)和中科院理化所采用多級(jí)脈管制冷機(jī)正在進(jìn)行探索，中科院理化所研制的雙級(jí)脈管制冷機(jī)[11]，最低制冷溫度已經(jīng)達(dá)到16.1 K，在20 K可以提供80 mW制冷量,輸入功率200 W。浙江大學(xué)研制的斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)最低制冷溫度達(dá)到14.2 K[12]。在空間極低溫制冷溫區(qū)，我國還處于一片空白。

5 結(jié)束語

從國外航天技術(shù)發(fā)展來看，由于空間宇宙背景的“冷黑”條件，為了實(shí)現(xiàn)有效觀測與探測，均把低溫制冷技術(shù)作為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。從制冷技術(shù)的發(fā)展來看，從早期以被動(dòng)制冷方式為主，逐步向多級(jí)機(jī)械制冷機(jī)為主的主動(dòng)式制冷方式轉(zhuǎn)化；從單一的制冷方法向多種制冷方法復(fù)合制冷方式轉(zhuǎn)變。在極低溫區(qū)從開式制冷向長壽命的閉式循環(huán)制冷方式轉(zhuǎn)化；從間斷工作向連續(xù)工作方式轉(zhuǎn)化。

在空間低溫技術(shù)研究方面，我國與國外先進(jìn)技術(shù)的差距很大。隨著我國空間技術(shù)的發(fā)展，為低溫科技工作者帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)，不僅要為航天器提供滿足工作溫度要求的可靠冷源，還要掌握低溫制冷系統(tǒng)的空間應(yīng)用與熱集成技術(shù)，有效地解決制冷設(shè)備的安裝與散熱、與冷焦面耦合技術(shù)、電磁兼容性、工作模式和系統(tǒng)控制等問題。根據(jù)不同的冷卻對象和要求，進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，滿足各類長壽命航天器空間應(yīng)用要求。同時(shí)應(yīng)開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，包括深低溫制冷技術(shù)、被動(dòng)熱控制技術(shù)、低溫傳熱技術(shù)、高效絕熱技術(shù)、低溫測試技術(shù)、低溫過程材料等。在空間超流氦制冷技術(shù)研究方面，應(yīng)加大投入，進(jìn)行系統(tǒng)研究，綜合考慮空間應(yīng)用的特殊因素，提出總體技術(shù)方案和實(shí)施途徑，并加以實(shí)施。在現(xiàn)有機(jī)械制冷技術(shù)基礎(chǔ)上，及時(shí)啟動(dòng)空間多級(jí)機(jī)械制冷技術(shù)研究工作，以滿足未來深空探測技術(shù)的需求，為其空間應(yīng)用做好技術(shù)貯備。

[1]RINUS C，HENK C，INO W.The Development of The SCIAMCHY Radiant Cooler.Proceeding of the Sixth European Symposium on Space Environmental Control System[C].Noordwijk，Netherlands，20-22 May1997.

[2]STEPHENMV，RUSSELLB.S，BRUCE H.Superfliud HeliumCryostat for the SIRTF Cryogenic Telescope Assembly[J].Proc of SPIE 2003，4850：1038～1049.

[3]ROSS R G，Jr，JOHNSON D L.NASA’s Advanced Cryocooler Technology Development Program（ACTDP） [J].Adv in Cryogenic Engineering.2006，51：607～614.

[4]DUBANNDL，CLERCL，ERCOLANI E.Herschel Flight Models Sorption Coolers[J].Cryogenics，2008，48：95～103.

[5]SHIRRON PJ，WEGEL D，DIPIRRO MJ.A Continuous Adiabatic Demagnetization Refrigerator for Cooling to 10 mK and Below[J].AIP Conference Proceedings，2006，850：1573～1581.

[6]KELLEYR L.The Suzaku High Resolution X-RaySpectrometer[J].Publ Astron Soc Japan，2007，59：S77～S112.

[7]TRIQUENEAUX S，SENTIS L，CAMUS P，et al.Design and Performance of the Dilution Cooler System for the Planck Mission[J].Cryogenics，2006，46：288～297.

[8]PUGET J T，NOIT A，CAMUS P.A Closed Cycle Dilution Refrigerator for Space.Presentation at the Novel Approaches to Infrared Astrophysics Workshop[C].Keck Institute for Space Stuidies，2009.

[9]王田剛，閆春杰，霍英杰，等.星載斯特林制冷機(jī)污染控制工藝研究[J].真空與低溫，2010，16（1）：42～46.

[10]洪國同，余興恩，李正宇，等.超流氦氣液相分離器實(shí)驗(yàn)裝置研制[J].低溫工程，2004，（3）：1～5.

[11]趙密廣，楊魯偉，梁驚濤.16.1 K的高頻兩級(jí)脈沖管制冷機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2007，28（2）：24～27.

[12]顏鵬達(dá)，陳國邦，董晶晶，等. 斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)的改進(jìn)[J]. 低溫工程，2008，（5）：7～10.