制冷技术在空间红外光学系统的应用Word下载.docx
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太阳系天体、恒星、分子云、行星装星云、
英
银河星系、类星体
IRAS 1983.1 10月
COBE 美国 1989.11 --- 红外和微波宇宙背景探测,1.2μm-1.0cm
ISO 欧空局 1995.11 30月 2.4μm~200μm太阳系-星系
SIRTF 美国 2003.4 5年(设计)探测2.5μm~200μm灵敏度提高1000倍
ASTRO—F 日本 2006.2
550天(设计)
1.7μm~180μm恒星、褐矮星、新彗星、太阳系外行星系
随着光学系统和仪器设备对工作温度要求的不同,很多探测系统所采用的制冷系统也不再是简单的单一制冷方式,一般采用的是两种或者两种以上的制冷方式的组合。
下面主要就以目前最先进的红外望远镜SIRTF和ASTRO-F及其WISE为例来介绍制冷低温技术在红外光学系统中的应用。
1.1SIRTF
SIRTF(又称为“斯皮策”)空间红外天文卫星是美国2003年发射的,继“哈勃”空间望远镜、康普顿γ射线天文台和钱德拉X射线天文卫星之后的第四个天文卫星,其工作波长范围是3~180μm,其主反射镜的直径为85cm,是目前孔径最大
的空间红外望远镜[3]。
SIRTF的有效载荷需在1.4K的低温环境下工作,此环境由低温保持器来提供。
低温保护器主要由真空外壳、内部和中间蒸汽冷却防护层、氦罐和流体管理系统组成,氦罐内装有360L超流氦。
SIRTF进入预定轨道后,通过与外界辐射换热需用一个星期的时间使卫星外壳冷却至50K。
然后,其望远镜和外壳的热耦合被切断,沸腾的低温气体用几个星期的时间将望远镜冷却至5.5K,将仪器冷却至
1.4K。
具体的制冷过程为:
超流氦吸热蒸发,产生的冷蒸气通过气,液相分离器从乏气管道中排出液氦罐。
低温的蒸气可以通过管道系统,使其依次经过焦平面仪器腔、主镜、塔状镜、二次镜、障板结构以及恒温器外壳的三道气冷屏以充分回收冷量,逐次消除各处的寄生漏热,然后再从恒温器外壳上的排气口排入太空,示意图如图3所示,很多成功的红外光学制冷系统像SIRTF、ISO、IRAS、IRTS等都是采用这种超硫氦的方式进行制冷的[4,10]。
图1 储存(液体氦)式制冷流程示意图
如此的低温系统需要由新型、高效的绝热支撑,如图2所示,铝质的防太阳辐射板及其内部的一块蜂窝板有效地阻隔了太阳与恒温器外壳之间的辐射传热。
两者之间还有多层绝热材料,紧凑的防辐射布置,使各个环节的温度迅速递减。
经实验验证,若最外层温度为340K,多层材料温度即225K,蜂窝板温度降至
114K,到了恒温器外壳就只有38K了。
38K的外壳温度是液氦浴温维持在1.4K的有利保障。
恒温器内的绝热也是采用三层气冷屏和一个真空外壳。
同时,设置在动力舱与载荷舱之间的两块蜂窝板也有效地阻止了室温设备与低温系统之间的辐射传热[5]。
图2 SIRTF的绝热系统简图
1.2ASTRO-F
ASTRO-F是日本首颗红外天文卫星,它于2006年2月22日由“M-5”型火箭运载发射,此望远镜能够观测到从1.7μm~180μm的远红外广阔波段。
ASTRO-F搭载有液氦冷却型红外望远镜,远红外测量仪和红外相机,其中望远镜和大部分探测器被制冷到5.8K,远红外的探测器制冷到1.8K,制冷系统采用了复合制冷方式:
外壳跟星体隔离,被辐冷到200K;
利用两套两级斯特林制冷机冷却外屏,即可以减少低温杜瓦的漏热,又可以节省氦的用量,进而减轻整体的体积和重量,低温杜瓦中有170升超流氦。
为保证中远红外探测器极低工作温度采用了超流氦制冷,合理利用氦Ⅰ和氦Ⅱ的物理特性,与被冷却器件进行热
交换,满足系统的温度需求,红外天文观测有效载荷框架示意图如图3所示[2]。
1.3WISE
WISE又称为广域(角)红外测量探测器(红外望远镜),它于2009年12月
14日搭载德尔塔Ⅱ的运载火箭发射升空。
它由四个1024×
1024的红外焦平面探测器阵列组成,探测范围能够覆盖从2.8μm到26μm的红外波段,MCT(碲镉汞)探测器被冷却到32K,可以探测3.3μm波段和4.6μm两个中波波段;
而砷化硅(Si:
As)探测器被冷却到小于8.3K,可以用来探测12μm和23μm的两个长波的波段[6]。
WISE的低温保持器有洛克希德·
马丁提供,它有两个低温真空储存罐组成的两个单独的制冷区域,制冷装置是由放在低温保持器里面固态氢制冷剂完成的。
分别为探测器提供小于17k和小于8.3K的低温环境。
WISE第二级的低温储存罐工作在10.2K的环境温度下,将光学组件冷却到<
17K的温度范围内,主要的热负荷来自外壳、外界环境、MCT探测器阵列和望远镜的光学系统;
而工作温度为7.3k的初级低温储存罐则位于二级低温储存罐的下侧,只用来冷却砷化硅的红外焦平面阵列(FPMAs),热负荷的大小和排气口的尺寸可以调节低温储气罐的气体压力和温度。
制冷剂的量液氢比设计时多了一倍以减少风险延长使用寿命。
低温储储存罐的排气口位于飞行系统的中心,排气口的大小和排气速率都需要预先设计好。
为了减少制冷剂的负荷,真空的外壳必须工作在200K以下,故此在面对太阳的一侧采取添加高发射率低吸收率的MLI绝热图层来减少太阳的辐射热,在背对太阳的一侧通过向太空辐射散热将热量辐射出去,这样设计能够使真空壳的外界温度降低,据此预测其在轨工作时间大概为15.6个月。
图4WISE低温保持器
除了以上的三个比较典型的红外光学系统采用了制冷低温技术之外,下表还列举了其它的空间光学系统所采取的不同的制冷措施[7,8]见表2。
表2间光学系统中采取制冷措施的空间飞行器及其仪器
空间飞行
器及仪器
时间
研究机构
光学系统
制冷温度
光学系
统尺寸
制冷方式
工
作
制冷
量
(K)
温
度
戈达德高精
度光谱干涉仪
2005
戈达德空
间飞行中
20
Φ1200主
镜Φ150
机械制冷机
1
心光学组
通光孔
哈勃望
2002.
NASA
35-77
Φ2000镜
布雷顿循环
35K
7@
远镜3B
02
HST
筒
制冷机+辐射
制冷
IRSpace-
2000
USA
<100K
实验室光学
borneSensing
Ⅷ
系统冷变形
普朗克宇宙背
景辐射计
ESA
0.1-20
吸附式制冷+
辐射式制冷
0.1
1.5W
@35K
(CMB)
地平线-
5-20
Φ1700镜
微型机械制
2
冷机+辐射制
冷
热层-电离层-
1996
犹它大学
230
脉管制冷机+
75
〉1
中间层探测器
兰利实验
辐射制冷
室
NASA-STS63
1995.
休斯航天
斯特林林制
65
INSTEP低温
实验(CSE)爱 迪 生
1993
中心
冷机+相变蓄冷器
15
(Edison)太空
望远镜
FIRSTPLANK
2007
1.65
液氦
2制冷系统的特点及其关键技术
由以上的分析和介绍可以看出,由于目前空间红外望远镜需要的温度较低,所以大部分采取的制冷措施都是通过储存式(液体或者固体)制冷方式来进行光学系统的制冷的,当然还有很多是采用两种或者两种以上的制冷方式的进行组合制冷的。
针对空间红外光学系统的制冷,按照制冷方式的不同,主要采取的制冷方式和优缺点见下表3。
表3空间常用的几种制冷方式
制冷器 制冷原理 优点 缺点 轨道寿命
辐射制冷器
向空间高真空、深低温冷背景辐射自身热量
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
寿命长,数年
储存(固液)式制冷
利用固态或液进行相变制冷
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。
较短,数月
利用封闭式的制冷机循环进行制冷
结构紧凑、制冷量大,温度范围广,对轨道及卫星姿态要求低,安装灵活
功耗大、有散热问题,有振动及电磁干扰,技术成熟度低
相对辐射制冷时间短,相对固体时间长
热电制冷
帕尔帖效应
结构简单、可靠、紧凑、工作时无噪音
制冷器效率低,耗电
较长
大,制冷温度高
红外光学系统中各种不同的制冷方式,其关键技术如下所述:
2.1储存式(超流氦、液氦或者固体)制冷
由于红外天文卫星的工作寿命取决于制冷系统,而中远红外探测器性能的优劣则取决于其工作的环境温度。
氦制冷系统目前在美国、欧洲、日本、荷兰等国都已有较成熟的应用,特别是在空间环境中的应用。
氦制冷系统的关键技术有:
储存超流氦容器的密封及绝热技术;
超流氦与被冷却器件的热交换方式;
超流氦在无重力下的气液分离技术;
超流氦的质量测量技术;
超流氦流量的调节器等关键技术。
由于超流氦具有超流动特性、粘度系数很小、渗透性较高、低温下发生变形或物理特性的改变,导致常温下不漏的装置低温下可能会大量泄漏,而且超流氦又具有超导热性的特点,所以必须采用多层绝热技术和添加冷屏的方法的来控制
低温杜瓦的漏热。
在失重的条件下,气体和液体不存在明显的分离界面,它们完全混合在一起,多孔塞相分离器结构简单,无运动部件,在空间应用有较高的可靠性,已被广泛应用于空间超流氦制冷系统中,但其设计制作相当困难。
此外氦的质量是确定星体工作寿命的重要依据,因此如何在无重力、气液相混合的空间中测定超流氦的质量和如何根据热量的大小调节超流氦的流量,来维持器件恒定的工作温度,都是需要解决的问题。
2.2辐射式制冷
对于采用辐射式制冷器的制冷方式来说,由于辐射式制冷器对空间环境很敏感,所以需对在轨道上的热环境进行详细分析,应对不同轨道位置和辐射器的不同方位上,空间热流的影响进行热分析计算,包括对屏蔽罩和冷板之间的换热分析,计算中还应考虑屏蔽罩内侧采用镜反射图层等问题,计算时常用射线跟踪的蒙托卡洛法。
在辐射制冷设计中应考虑的方面是:
1.冷板辐射表面应有高的发射率和低的吸收比;
2.合理选择辐射器在星上的位置;
3屏蔽罩应屏蔽和发射绝大部分外部热流,罩内应有高反射率涂层,且有高的镜式成分,罩外用高性能的低温隔热材料,外表覆盖低的as/d涂层的膜;
4.良好的隔热结构5.有效地防止和消除污染措施;
6工艺性能的提高等。
此外在实际应用中,辐射制冷器与敏感器之间的集成或者是冷量的传输也是非常重要的,如何把大面积冷板上的冷量传给敏感器,并使寄生漏热最小都是需要考虑的重点。
2.3机械式制冷
机械制冷机包括斯特林制冷机(包括现在最新的脉管制冷机)、维勒米尔循环制冷机、逆布雷顿循环制冷机,和现在研究的热点,脉管制冷机。
斯特林制冷机一般用氦做工质,由于活塞的往复运动,会产生一定的震动,影响探测效果,此外其寿命和耗电量也是斯特林制冷技术需要提高的一个关键技术。
近年来随着膜片弹簧、公差密封、气体轴承、线性马达等技术的进步,斯特林制冷机越来越符合空间技术的需要,同时能耗和平均无故障时间也在稳步提高。
目前来说空间机械制冷技术的发展方向是脉管制冷机,脉冲管制冷机是一种新型的封闭循环回热式制冷机,不仅具有回热式制冷机使用寿命长、可靠性高、能量来源方便等优点,更重要的是它的制冷器部分完全没有运动部件,因而结构更简单,冷头振动更小,从根本上解决了冷腔振动、磨损等问题。
但是,脉管制冷机也有一些关键技术需要突破:
由重力引起的对流的高敏感性,特别是当脉管直径大于10mm时;
在相同制冷量的情况下具有较大的体积,限制了其使用范围;
压力的波动会导致冷头和封壳的移位。
图5是NASA根据60多个空间制冷系统的数据归纳出的制冷技术选用范围示意图[10]。
热电制冷
温 辐射制冷
主动输运热排散
度(K)
储存制冷剂(液体/固体)
斯特林制、脉管 逆布雷顿,循环J-T制冷
制 冷 量(W)
图5制冷技术的选用范围示意图
在一些卫星的有效载荷,特别是高精度的红外望远镜、红外敏感器的焦平面和镜片仪器无线电接收器的低噪音放大器等都需要由制冷技术提供很低的背景温度,此表格为选择制冷方式提供了很好的一种参考。
2.4冷量的传输系统和蓄冷技术
对于制冷技术在空间红外光学系统中的应用,制冷器(机)固然是关键,但是,还有一个不容忽视的系统问题,就是冷量的传输,控制问题和蓄冷技术。
在空间红外光学系统制冷技术中,冷量的传输也是一个重要的环节,由于制冷装置的特点决定了制冷机不能直接与被冷却的探测器元器件连接,因此需要将合适热传输技术将两者进行热连接,并要求较高的传输效率;
此外制冷机的制冷负载多,负荷大,负荷呈现出峰、谷特性。
当制冷负荷处于峰值时,以至于制冷机不能承受。
必须采用采用新的制冷方法,以节约制冷功耗与有效负载,并最终
解决光学系统冷量需求大、制冷负荷极不平稳的难题。
目前低温热管技术的发展和基于低温相变蓄冷方案技术提出,为低温冷量的传输和解决峰谷问题提供了解决问题的途径。
3展望
近些年随着制冷技术、热管(冷量传输)技术、光学无热化处理技术、低膨胀系数光学材料的应用等技术的发展和对成像和探测技术要求的提高以及低温的红外光学系统表现出的卓越性能,使制冷技术在空间红外光学系统中的应用越来越成为一种亟需而可行的方法,像在红外遥感光学系统中将采用十几个光学元件,同时也需要将这些光学系统冷却到150K以下,并且对光学元件的控温范围要求非常严格,因此,光学系统的制冷迫切需要解决。
此外,在空间交汇红外跟描技术中也迫切需要将光学系统的温度降到一定温度以下,以达到系统更好的性能要求。
因此,空间红外光学的制冷技术是一项亟需而又具有重要应用意义的技术,需要引起我们重视。
一直以来,空间红外天文技术的强弱都是一个国家综合国力的直接体现,很久以前欧美等一些发达国家已投入了大量的人力、物力对此进行研究,并且取得了巨大的成就,最近十年日本也开始这方面的研究,并且也发射了ASTRO-F红外探测卫星,由于技术的不成熟,到目前为止我国还没有发射过一颗空间红外天文观测卫星,因此加强对空间红外光学系统制冷技术的研究和应用,不仅可以推动空间红外观测技术的发展, 而且也为我国空间红外探测的进展拉开一个新的序幕。
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