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                    【中國科學報】宇航級“降溫神器”的國產路

                    稿件來源: 發布時間:2022-02-17

                       

                      宇航級脈沖管制冷機中的一種。倪思潔攝

                      這是個看上去極不起眼的東西。它只有巴掌大小,掂在手上有些沉。它的造型挺特別,一根細細的金屬管像根扁擔一樣,挑著兩頭有些粗的金屬柱體,其中一頭的金屬柱體上還接著半截比小拇指略細的管子。

                      中國科學院理化技術研究所(以下簡稱中科院理化所)研究員趙密廣說,現在要做出這個東西,大概要花上百萬元人民幣。不過,在2000年之前,無論花多少錢,國外都不肯把它賣給中國。

                      它就是曾經困擾中國光學遙感衛星數十年的“降溫神器”——宇航級脈沖管制冷機,一個可以將局部溫度快速降低到零下200攝氏度,而且好多年都不會損壞的高科技產物。

                      它在中國的誕生和發展,得益于中科院科研人員的一場“長跑”。

                       幾分鐘降溫到零下200攝氏度 

                      1月25日,搭載了3臺國產脈沖管制冷機的“資源一號02E”衛星成功獲取了高質量圖像。這3臺脈沖管制冷機是中科院理化所研制并成功應用于空間項目的第26、27、28臺宇航級脈沖管制冷機。

                      新冠疫情讓很多人認識了“紅外測溫”技術。當人體經過熱像儀時,身體上熱的地方會顯示出紅色。為了給地球和大氣測溫,不少氣象衛星上也裝上了紅外探測器。只不過,由于距離目標探測物遙遠,衛星上的紅外探測器需要保持低溫乃至極低溫水平,以便探出遙遠目標上一絲一毫的熱量變化。

                      那么,怎樣讓衛星上的紅外探測器處在低溫狀態呢?科學家們發明出了兩類制冷技術,一類是被動式的輻射制冷,是基于高溫物體可以向低溫物體輻射能量的原理發明的;另一類是主動式的機械制冷,原理是通過機械運動使氣體膨脹,而氣體膨脹時會出現降溫現象。

                      “輻射制冷的制冷溫度偏高、制冷量小,雖然可以用來冷卻小的探測器,卻無法滿足宇航器件對低溫的更高要求,相比之下,機械制冷技術更為可行?!敝锌圃豪砘芯繂T陳厚磊告訴《中國科學報》。

                      脈沖管制冷技術就是機械制冷技術的一種。1963年,美國科學家偶然發現,當一根中空管子內存在交變壓力波時,它的封閉端會發熱,沿管軸向可形成很大的溫度梯度,基于此,他們研制出了脈沖管制冷機。1984年,蘇聯科學家對脈沖管制冷機進行改造,使其制冷效率提升一大截,相關研究熱度也隨之升溫。

                      指著手里的脈沖管制冷機,陳厚磊介紹:“這個跟小拇指差不多的部位,叫‘冷指’(cold finger)。這種小的制冷機能在幾分鐘內就把指尖的部位降低到零下200攝氏度。我們把探測器裝在指尖上,探測器溫度降低之后就可以清楚地去看地球了?!?/p>

                        從理論走向工程 

                      上世紀80年代,中科院低溫技術實驗中心(中科院理化所組成單位之一)在國內率先開始了脈沖管制冷技術的基礎研究。到上世紀90年代,他們已經數次創造最低制冷溫度紀錄,取得一系列原創性成果,還曾獲得國際制冷學會“卡皮查獎”和“林德獎”。

                      1998年,美國率先將脈沖管制冷機工程化并用于空間項目。我國雖然在脈沖管制冷的基礎研究方面取得世界領先的成果,但是光學遙感衛星卻一直苦于沒有自己的空間制冷機?!爱敃r研制單位只能進口國外的,而且宇航級制冷機對我國是禁運的,研制單位只能想盡各種辦法買地面級制冷機?!壁w密廣說。

                      之所以說“苦”,是因為進口的地面級制冷機壽命不到宇航級的1/10,而且經常會出問題,而衛星升空之后,無法像在地面時那樣可以隨時修理。一旦在軌失效,就可能使國家付出巨大代價。

                      上世紀90年代后期,在國家杰出青年科學基金、中科院及其他有關部門的支持下,中科院理化所研究團隊開始向應用研究整體轉型。面向國家空間遙感和紅外探測領域的重大需求,他們從故紙堆中走出來,開展脈沖管制冷機工程化和空間應用研究。從2000年開始,團隊獲得了國家航天部門的系統性支持。

                      從理論走向工程的路上,處處都是挑戰?!拔覀円龅氖怯詈郊壆a品,制冷機未來要在天上工作,必須保證8年、10年乃至更長時間不能壞?!标惡窭谡f。

                      制冷機中充的是氦氣,他們必須通過可靠的焊接和密封技術,保證氦分子極低的泄漏率。氣體的壓縮膨脹靠的是活塞,他們必須讓活塞和筒壁之間既接近又不接觸,保證活塞在不能用油的情況下不出現磨損?;钊\動靠的是平面彈簧支撐,他們必須想方設法保證彈簧不歪,更不能斷。

                      每一項“必須”,都意味著一份壓力?!爱敃r我們碰到了一些問題,很長一段時間都推進不了,大家士氣一度很低落?!壁w密廣說。

                      早晨8點匯總進度,晚上12點下班,就這樣,8年時間過去了。這8年里,日月星辰見證了他們的攻關之路:他們研制的脈沖管制冷機實現鈦合金全焊接;活塞和氣缸之間的距離達到微米級別;板彈簧在抗疲勞試驗中能夠運動100億次以上,甚至還有一個彈簧的抗疲勞試驗“跑”了10多年,至今沒出問題。

                        28臺脈沖管制冷機已上天服役 

                      2008年,在中科院理化所空間功熱轉換技術重點實驗室現任主任梁驚濤研究員的帶領下,科研團隊研制出我國首臺空間長壽命脈沖管制冷機,并成功進行了在軌驗證,我國空間制冷機實現了從無到有、從跟蹤到進入國際最新一代發展階段的歷史性跨越,我國也由此成為繼美國之后第二個掌握空間脈沖管制冷技術的國家。

                      此后,紅外譜段光學衛星發展的“攔路虎”被一腳踢開,國家一系列衛星型號的規劃論證緊鑼密鼓展開。

                      技術創新催生了需求,需求又反過來促進了技術發展。隨后十多年里,我國星載紅外探測器的發展,對星載脈沖管制冷機不斷提出了更高要求。

                      2018年5月9日,高分五號衛星發射成功,其搭載了由中科院理化所研制的大冷量長壽命脈沖管制冷機。

                      這顆衛星承載了我國首臺覆蓋可見光、近紅外光、短波、中波、長波紅外譜段的全譜段光譜成像儀,相較以往的光學探測器,它更大也更重。為了適應需求,制冷機項目組大膽采用新方案,將制冷機原本只能承載十幾毫米大小、幾克重量冷平臺的冷指,設計為可以承載百毫米級大小、一公斤重量的探測器組件。

                      最初幾年,將設計變成現實的道路是坎坷的。但是,經歷的失敗越多,成功的喜悅就越發刻骨銘心。

                      “這是國際首創的新型方案!”說這話時,陳厚磊的眼中閃著光。

                      2021年12月26日11時11分,“資源一號02E”衛星在太原衛星發射中心成功發射,其上搭載的長波紅外探測器必須在零下193攝氏度的低溫環境中工作,這臺探測器比高分五號上的光譜成像儀更大,對脈沖管制冷機冷卻面積的要求是高分五號的兩倍。

                      研制過程中,科研人員遇到了前所未有的難題?!啊Y源一號02E’衛星的設計壽命為10年,高于以往的8年壽命要求。為滿足項目需求,我們提出了利用切換裝置備份壓縮機的方案,在增加有限重量的情況下,大幅度提高了制冷機的壽命?!边@款脈沖管制冷機的主任設計師、中科院理化所副研究員劉彥杰告訴《中國科學報》。

                      “在冷指設計時,我們采用的大面積冷板因為熱脹冷縮而出現了變形問題,承載其上的探測器很容易因此被折斷?!边@款脈沖管制冷機的冷指設計師、中科院理化所副研究員全加回憶,經過無數次討論和調試,他們對冷板進行了全新的材料匹配,最終解決了問題。

                      如今,他們已研制出了形態、性能各異的宇航級脈沖管制冷機,其中發射入軌的有28臺。

                      每一個項目都充滿著挑戰,這些挑戰成為脈沖管制冷機研制團隊前進的動力。

                      “我們正在研制冷量超過百瓦、溫度接近絕對零度、重量低至幾百克的更先進的空間低溫制冷技術?!绷后@濤說,團隊將以空間脈沖管制冷機的成功研制為基礎,繼續發揚“勇于挑戰,勇于拼搏”的精神,勇擔“國家責”,為滿足未來空間低溫制冷需求砥礪前行。

                      在宇航級低溫制冷機技術發展道路上,這場“長跑”還在繼續。

                     ?。ㄔd于《中國科學報》 2022-02-17 第1版 要聞)
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