空間低溫光學試驗深低溫背景環(huán)境的實現(xiàn)

徐 冰，馬 龍

(北京空間機電研究所，北京100076)

1 引言

空間低溫光學技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景，低溫光學遙感相機測試和試驗對工藝設(shè)備的要求不同于傳統(tǒng)光學遙感相機。

低溫光學遙感相機測試與試驗平臺是相機的性能測試與評價的基礎(chǔ)設(shè)施，也是研制過程中至關(guān)重要的一項工作，最終的測試與評價結(jié)果是驗證相機功能和性能重要依據(jù)。由于空間低溫光學遙感相機的工作環(huán)境和待探測目標的特殊性，它的系統(tǒng)測試與試驗平臺必須能夠提供超高真空(真空度優(yōu)于1×10－5Pa)和深低溫冷黑背景(背景溫度20 K以下，甚至更低)環(huán)境條件。為了使光學測試獲得更好的穩(wěn)定性，試驗的背景溫度不均勻性優(yōu)于±3 K，試驗艙內(nèi)不得有機械震動。目前空間環(huán)模設(shè)備中液氮流程的冷背景無法滿足試驗需求，必須在液氮冷背景的基礎(chǔ)之上建立溫度不高于20 K的深低溫氦冷黑背景。國內(nèi)尚無專門的空間低溫光學試驗設(shè)備，建立符合光學測試要求的深低溫冷黑背景環(huán)境是主要技術(shù)難題，針對如何實現(xiàn)20 K以下的深低溫光學試驗環(huán)境進行了探討。

2 氦冷背景實現(xiàn)形式

低溫光學試驗要求空間環(huán)模設(shè)備中的背景溫度不高于20 K，在某些特殊試驗中要求背景溫度能夠維持4.5 K左右，甚至更低。空間環(huán)模設(shè)備中的氦冷背景是由能模擬深低溫冷黑環(huán)境的終端冷艙并配合大功率的氦制冷系統(tǒng)組成。目前，氦冷背景主要有以下三種實現(xiàn)途徑。

(1)開式液氦冷卻系統(tǒng);

(2)機械式氦氣制冷機系統(tǒng);

(3)氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

2.1 開式液氦冷卻系統(tǒng)

開式液氦冷卻系統(tǒng)的形式與開式液氮冷卻系統(tǒng)［1］基本相同，由液氦熱沉和液氦儲槽兩部分構(gòu)成，系統(tǒng)無法對液氦循環(huán)利用，結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了減少液氦熱沉在降溫過程中的液氦消耗，液氦熱沉首先通過液氮預(yù)冷至90 K以下，然后用冷氮氣將液氦熱沉內(nèi)殘留液氮吹出。待熱沉溫度回至100 K以上后(確保液氮充分汽化)，改用氣氦吹掃，將殘留的氮氣吹除干凈，再注入液氦，逐漸將液氦熱沉降溫至20 K 以下［2］。

開式液氦冷卻系統(tǒng)有以下特點:

(1)原理與結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備制作工藝成熟，實現(xiàn)20 K以下深冷背景的工藝難度低;

(2)一次性投資較小，配套設(shè)備相對簡單易用。

系統(tǒng)的不足之處:

(1)液氦熱沉降溫時需要反復(fù)注入氮或氦，使得降溫操作工藝流程復(fù)雜。如果預(yù)冷的氮氣有殘留，注入液氦后，會導(dǎo)致氮氣凝固，堵塞熱沉管路，嚴重影響熱沉溫度均勻性和安全性;

(2)無法對液氦循環(huán)利用，液氦消耗量巨大，導(dǎo)致試驗運行成本高;

(3)熱沉溫度均勻性差，無法滿足低溫光學測試要求。

2.2 機械式氦氣制冷機系統(tǒng)

系統(tǒng)是通過一套或者多套大功率氦壓縮機配合冷頭，將某一冷板降溫至20 K以下。這是直接使用機械式制冷將冷板降至20 K以下，操作簡單，通過多塊冷板組合成一個全包絡(luò)式深冷背景。

該方式的氦冷背景有以下優(yōu)點:

(1)結(jié)構(gòu)原理簡單，制作工藝成熟;

(2)系統(tǒng)操作簡單，維護方便;

(3)試驗運行成本低。

系統(tǒng)的缺點:

(1)冷頭的冷源面積相對冷板較小，傳導(dǎo)的方式使冷板降溫至20 K以下，就會導(dǎo)致冷板均勻較差，難以滿足光學測試需求;

(2)若使用多套大功率氦壓縮機及其配套冷頭，產(chǎn)生的震動影響光學測試。

圖1 開式液氦冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)

氦循環(huán)系統(tǒng)是目前技術(shù)最先進、最穩(wěn)定可靠的氦冷背景冷卻系統(tǒng)。它的原理類似于氮流程中的帶有過冷器并有氮氣回收系統(tǒng)的過冷液氮系統(tǒng)，主要包括全封閉式冷氦終端冷艙、主控制機、液氦冷箱、壓縮機、氣體純化設(shè)備、儲氣罐、冷氦分配裝置以及一些輔助設(shè)備。液氦通過分配裝置注入到冷艙的制冷管路中實現(xiàn)降溫，回流的氦氣通過純化、降溫、液化等工序后，又被分配裝置再次注入冷艙的制冷管路中。整套系統(tǒng)密閉循環(huán)，其優(yōu)點也非常明顯:

(1)背景溫度均勻性好、狀態(tài)穩(wěn)定、無機械震動，適合光學測試;

(2)氦工質(zhì)密閉循環(huán)，試驗運行成本低;

(3)工藝技術(shù)先進、可靠性高。

空間低溫光學試驗的背景環(huán)境要求具有溫度均勻性好、試驗環(huán)境穩(wěn)定性高以及測試工況時間長的特點，因此，以氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)方式建立的氦冷背景最適合用于空間低溫光學試驗。

3 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景

3.1 系統(tǒng)原理

氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景是通過氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)建立的氦冷背景，由氦液化系統(tǒng)配合相應(yīng)冷氦分配裝置以及終端冷艙組成的密閉循環(huán)系統(tǒng)，其中氦液化系統(tǒng)是核心部分，原理框圖如圖2所示。

圖2 氦循環(huán)冷卻系統(tǒng)冷背景

終端冷艙的結(jié)構(gòu)主要分為管板式熱沉和組合式冷板兩種。由于氦的熱容較小，為減少試驗過程中氦冷卻系統(tǒng)的輻射冷損，通常將冷艙建立在一個全包絡(luò)的液氮熱沉中，在冷艙和液氮熱沉之間加裝輻射保溫屏，盡可能地減少系統(tǒng)冷損。終端冷艙的冷氦入口與冷氦分配裝置的輸出端連接，回流端與氦液化系統(tǒng)的回收管路相連接，輸出管路中冷氦的壓力、流量以及溫度參數(shù)在一定范圍是根據(jù)需求調(diào)節(jié)的。終端冷艙跟液氮熱沉結(jié)構(gòu)基本相同，它跟冷氦分配裝置的實現(xiàn)難度都不大，而與之配套的氦液化系統(tǒng)則是最關(guān)鍵的技術(shù)難點。

氦液化系統(tǒng)的工作原理是基于布雷頓循環(huán)和焦耳－湯姆遜效應(yīng)組合而成的克勞德循環(huán)［3－4］。克勞德循環(huán)是一種節(jié)流循環(huán)液化氣體的方法，也是氦氣液化最有效的深度冷凍循環(huán)，主要是依靠氣體的節(jié)流膨脹和逆流換熱作用實現(xiàn)降溫液化。循環(huán)首先使用壓縮機將氣體壓縮成高壓氣體，再通過冷卻帶走壓縮熱，形成等溫壓縮過程，然后使高壓氣體進入一級換熱器。通過一級換熱器冷卻的高壓氣體分為兩部分:一部分進入膨脹機中絕熱膨脹，形成低壓低溫氣體;另一部分高壓氣體則進入換熱器與低壓低溫氣體進行換熱降溫。經(jīng)過多級膨脹降溫和換熱作用后，高壓氣體最終通過節(jié)流實現(xiàn)液化，而膨脹過程中產(chǎn)生的低壓氣體側(cè)返回壓縮機入口實現(xiàn)循環(huán)，循環(huán)制冷量為公式(1):

式中 Q為循環(huán)制冷量;H為各級氣體焓值;M為進入膨脹機的氣體量。

光電提水亦稱為光伏提水。利用太陽電池組件，通過控制器，直接(也可配置蓄電池)驅(qū)動潛水泵提水。牧區(qū)地下水埋深一般在10m以上，最為缺水的季節(jié)正是太陽能的峰值期，利用光伏提水非常適宜，隨著光伏組件成本的不斷下降和泵站關(guān)鍵技術(shù)的解決，在人畜飲水、灌溉人工草場和農(nóng)田等領(lǐng)域具有廣闊的前景[5]。

布雷頓循環(huán)［5］是以氣體為工質(zhì)的制冷循環(huán)，其工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹以及等壓吸熱四個過程。高壓氣體在等熵膨脹時，有功輸出，同時氣體的溫度降低，產(chǎn)生降溫效果，這是獲得制冷效果的重要方法，尤其是在超低溫技術(shù)領(lǐng)域中。循環(huán)中膨脹過程的溫差可由公式(2)表示:

式中 ΔT為溫度變化量;T1為初始溫度;P1為初始壓力;P2為膨脹后壓力;k為理想氣體常數(shù)。

焦耳－湯姆遜效應(yīng)［5］是指流體經(jīng)過節(jié)流膨脹過程前后的焓值不變，通過壓力的降低產(chǎn)生降溫效果。氦液化主要是利用該效應(yīng)使得高壓氦氣流經(jīng)過節(jié)流膨脹，獲得低溫和液化氣體。氦流體在初態(tài)和終態(tài)的焓值分別為公式(3)和(4):

式中 U1、P1、V1、U2、P2、V2分別為初態(tài)和終態(tài)時的內(nèi)能、壓強以及體積。

不同的低溫光學試驗需要的冷背景溫度不同，因此，要求的氦液化系統(tǒng)輸出冷氦工質(zhì)的溫度也有所不同。氦的常壓液化溫度為4.22 K，它的物理性質(zhì)決定了氦液化系統(tǒng)在輸出不同溫度冷氦工質(zhì)時的基本原理一樣，但是工作流程具有一定差異。總得來說，可以分為三大類:

(1)冷氦輸出溫度不低于4.22 K;

(2)冷氦輸出溫度不低于10 K;

3.2 標準的氦液化系統(tǒng)

冷氦輸出溫度不低于4.22 K的氦液化系統(tǒng)是目前的標準系統(tǒng)，當冷艙溫度需要維持在4.5～10 K的范圍內(nèi)時，根據(jù)艙內(nèi)熱負荷選擇規(guī)模合適的標準氦液化系統(tǒng)即可。該氦液化系統(tǒng)的主要工作原理和TS曲線如下，流程如圖3所示:

(1)常溫常壓的氦氣通過壓縮機的作用，增壓達到1.5×106Pa(圖中13～14);

(2)壓縮后的高壓氦氣流溫度在300 K左右，通過油分離器除油后，才能進入冷箱系統(tǒng)進行降溫液化;

(3)常溫高壓的氦氣流進入冷箱后，利用低壓回流的氦氣進行初步冷卻(圖中14～1)，再將高壓氦氣流注入液氮冷卻器E1和E2，使得冷卻器E2出口處的高壓氦氣溫度降至80 K(圖中1～2);

(4)80 K的高壓氦氣流需通過低溫純化裝置，除去其中雜質(zhì)，保證雜質(zhì)含量不高于1 ppb;

(5)純化后的氦氣流將分為兩部分:一部分氦氣流注入串聯(lián)的透平膨脹機中，利用膨脹降溫作用對冷卻器E3、E4、E5以及E6進行逐級制冷(布雷頓循環(huán)，圖中T1～T2);另一部分不進入透平膨脹機的氦氣流，利用兩次透平膨脹中冷卻的冷卻器進行逐級降溫(焦耳－湯姆遜效應(yīng));

(6)最終通過焦耳－湯姆遜閥實現(xiàn)液化進入冷氦分配裝置中(焦耳－湯姆遜效應(yīng))，而回流的冷氦對各級冷卻器仍有降溫的作用。

布雷頓在標準氦液化系統(tǒng)中的作用主要通過兩個串聯(lián)的透平膨脹機T1和T2實現(xiàn)，其中T1作用于高溫透平，T2作用于低溫透平。在兩個透平膨脹之間，通過高溫透平作用將冷卻器E3和E4溫度降至20 K(圖中3～4過程);再通過低溫透平作用將冷卻器E5和E6溫度降至12 K以下(圖中4～9過程)。

圖3 標準氦液化系統(tǒng)工作原理圖

焦耳－湯姆遜效應(yīng)主要是通過換熱器E5－E6以及節(jié)流閥門的工作來保證。純化氦氣流中不進入透平膨脹機的部分首先在冷卻器E3和E4中冷卻至20 K(圖中2～4)，然后注入交換器E5和E6冷卻至12 K以下(圖中4～6)，最終通過節(jié)流閥膨脹至1.2×105Pa實現(xiàn)液化(圖中6～7)。

標準氦液化系統(tǒng)將溫度為4.22 K的液氦持續(xù)注入到冷氦分配裝置中，通過裝置的調(diào)節(jié)輸出溫度為4.22 K的液氦或者10 K以下的冷氦氣，控制流量和出口溫度就能使試驗設(shè)備中的冷艙溫度在4.5～10 K的范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

3.3 溫度不低于10 K的液氦系統(tǒng)

在要求環(huán)境溫度為20 K的試驗中，給冷艙提供一定流量和壓力、溫度不低于10 K的冷氦氣流就能達到要求，而不需要輸入液氦或者10 K以下冷氦氣。這時對標準的氦液化系統(tǒng)做一定的簡化，使得最終獲得溫度不低于10 K的冷氦氣流(工作流程圖見圖4)。

工作原理是在標準的氦液化流程中去掉了焦耳－湯姆遜作用，以及一個透平膨脹流程，布雷頓循環(huán)的工作由單一的透平膨脹機完成:

(1)壓縮機輸出1.5×106Pa的常溫高壓氦氣經(jīng)過純化后，注入E1～E6的各級冷卻器進行逐級降溫(圖中1～6)，冷卻器則依靠冷氦回流降溫;

(2)從末級冷卻器E6輸出的高壓氦氣流直接進入透平膨脹機，通過膨脹減壓降溫的作用，將壓力為1.5×105～1.8×105Pa以及溫度在12～19 K之間的冷氦氣流注入到冷氦分配裝置中。

3.4 溫度低于4.22 K的液氦系統(tǒng)

在某些特殊試驗中要求環(huán)境溫度低于4.5 K，那么冷氦輸出溫度必須低于4.22 K才能滿足要求。由于氦的液化溫度是4.22 K，要獲得溫度低于4.22 K的液氦，就必須在標準氦液化系統(tǒng)工作流程的末端再作進一步降溫。

目前最為成熟的技術(shù)在標準的液氦化流程末端，增加一膨脹降溫過程。將末端輸出的4.22 K液氦分為兩部分:一部分液氦進入真空膨脹機，根據(jù)冷氦溫度的要求，使用膨脹機將液氦降至適當?shù)膲毫Γ_到膨脹降溫的目的，將冷卻器E7溫度要降至4.22 K以下;另一部分液氦則經(jīng)過該冷卻器進行再次降溫，冷卻到4.22 K以下，并通過第二個節(jié)流閥輸入到冷氦分配裝置中(圖中17～19)，流程如圖5所示。

圖4 輸出溫度不低于10K的氦液化系統(tǒng)

圖5 輸出溫度低于4.22K的氦液化系統(tǒng)

4 總結(jié)

循環(huán)式氦冷背景的最大特點在于溫度均勻性好、系統(tǒng)穩(wěn)定性高，是目前建立低溫光學遙感相機測試與試驗平臺的深低溫測試背景環(huán)境的最佳方式。根據(jù)試驗中的熱負荷以及背景環(huán)境溫度要求，為冷艙搭配合適的氦液化系統(tǒng)以及冷氦分配裝置，就能很好的滿足試驗背景環(huán)境需求。在不超出系統(tǒng)熱負荷的前提下，系統(tǒng)能在一定范圍內(nèi)靈活的調(diào)節(jié)冷艙溫度，有效地提高試驗系統(tǒng)適應(yīng)能力，使之能適用于不同背景溫度的低溫光學試驗。

空間低溫光學技術(shù)是未來航天光學技術(shù)發(fā)展的重要方向之一，試驗深低溫背景環(huán)境的研究，不僅能夠有效提高低溫光學測試與試驗平臺的可靠性，增強低溫光學遙感相機功能驗證和性能測試的科學依據(jù)，而且為空間低溫光學技術(shù)的發(fā)展提供了有力的基礎(chǔ)保障。

［1］黃本誠，馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2002.

［2］李俊杰，歐陽崢嶸，嚴定傳.空間環(huán)境試驗艙液氦系統(tǒng)設(shè)計與測試，Design and test of liquid helium system of space simulator［J］.真空，2009，46(01):48～50.

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