環(huán)境衛(wèi)星斯特林制冷系統(tǒng)

1、    環(huán)境衛(wèi)星斯特林制冷系統(tǒng)            作者：紀(jì)國林 何興偉 府華時(shí)間：2007-11-24 14:59:00                     紀(jì)國林 何興偉 府華 張武 沈之渝摘要：空間遙感技術(shù)為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展服務(wù)，環(huán)

2、境衛(wèi)星更是直接為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、為國家安全和人民的生活提供有力的保障。環(huán)境衛(wèi)星的一個(gè)主要有效載荷紅外相機(jī)需要低溫制冷。由于該衛(wèi)星為小衛(wèi)星，對(duì)各部件在結(jié)構(gòu)尺寸上都有嚴(yán)格限制，為此，在制冷系統(tǒng)的選擇上就選用了比輻射制冷器體積小很多的斯特林機(jī)械制冷。環(huán)境衛(wèi)星紅外相機(jī)采用斯特林制冷技術(shù)。該斯特林機(jī)械制冷系統(tǒng)由斯特林型機(jī)械制冷機(jī)、中長波紅外探測器杜瓦、系統(tǒng)散熱和電磁屏蔽支架及制冷機(jī)控制箱組成。斯特林制冷機(jī)制冷溫度85K，功耗最大功耗為45W，此時(shí)可獲得制大于1290mw的冷量。制冷子系統(tǒng)已完成性能測試和各項(xiàng)電性星試驗(yàn)，試驗(yàn)中，制冷子系統(tǒng)與相機(jī)本體配合，獲得了清晰的紅外圖像。 關(guān)鍵詞：制冷機(jī) 斯特林循環(huán) 空

3、間  1.前言環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星配置有紅外相機(jī)。其選用的紅外光譜譜段可用以對(duì)臺(tái)風(fēng)、旱災(zāi)和火災(zāi)等災(zāi)情進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報(bào)。紅外相機(jī)上的中波紅外和長波紅外波段的探測器需要低溫工作。環(huán)境一號(hào)衛(wèi)星的軌道高度為650km，衛(wèi)星擁有穩(wěn)定的背陽面，可是由于太陽帆板方向的制約，以及衛(wèi)星體積的限制，難以采用體積較大的輻射制冷器，必須選擇其它空間低溫制冷技術(shù)。隨著空間遙感技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)的長線列、面陣紅外探測器需要的冷量大，機(jī)械制冷技術(shù)也有了新的突破，斯特林制冷機(jī)已在航天工程上獲得應(yīng)用。根據(jù)HJ-1-B紅外相機(jī)的中、長波紅外波段的探測器需要，研制了相應(yīng)的低溫斯特林機(jī)械制冷系統(tǒng)。低溫斯特林機(jī)械制冷系統(tǒng)包括：斯特林制冷

4、機(jī)及其控制箱，中、長波紅外探測器微型杜瓦，系統(tǒng)工作平臺(tái)（散熱支架和屏蔽裝置）。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于紅外相機(jī)樣機(jī)，并已完成電性星測試等大量試驗(yàn)，獲得了清晰的紅外圖像。2.斯特林制冷機(jī)系統(tǒng)如上所述， 低溫斯特林制冷機(jī)系統(tǒng)由斯特林制冷機(jī)、中長波紅外器件微型型杜瓦和系統(tǒng)工作平臺(tái)及電控箱組成。斯特林制冷機(jī)和中長波紅外器件微型杜瓦在系統(tǒng)工作平臺(tái)上聯(lián)成一體，如圖1照片所示。電控箱是獨(dú)立的單機(jī)，由專用電纜與紅外相機(jī)控制箱和制冷機(jī)連接，對(duì)制冷機(jī)實(shí)施運(yùn)行遙控和遙測。在研制過程中，制冷機(jī)、電控箱、中長波紅外器件微型杜瓦和系統(tǒng)工作平臺(tái)之間是互相影響、互相牽制的，因此采用了系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行工作流程編制，并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)的攻

5、關(guān)。技術(shù)攻關(guān)流程如圖2所示3. 制冷機(jī)選型試驗(yàn) HJ-1-B衛(wèi)星對(duì)制冷機(jī)性能要求列表如下：表1 HJ-1-B對(duì)制冷機(jī)性能要求 HJ-1-B備 注冷卻器件數(shù)30元溫度: 85k, 95k在軌工作壽命>3000小時(shí) 啟動(dòng)功耗45 W 冷卻時(shí)間15 Min 決定采用LS10-11型號(hào)的軍品斯特林制冷機(jī)，研制配套，按航天要求改造后用于HJ-1-B衛(wèi)星的紅外相機(jī)。表2 HJ-1-B的斯特林制冷機(jī)性能 HJ-1-B用制冷機(jī)LS10-11備 注制冷量>1000mW85k, 95kMTTF5500h 重量2.1kg 斯特林制冷機(jī)制冷性能測試試驗(yàn)結(jié)果

6、：制冷溫度為85K時(shí)制冷量1000mw,功耗38W；功耗45W，制冷量1290mw； 冷下去時(shí)間8分10秒。試驗(yàn)表明其性能滿足紅外相機(jī)的要求。4.微型杜瓦制作金屬杜瓦是中長波紅外探測器件的封裝所必須，也是紅外探測器與制冷機(jī)耦合的載體, 為紅外探測器正常工作提供低溫條件。 HJ-1-B相機(jī)用微型杜瓦的設(shè)計(jì)，涉及到光、機(jī)、熱、電、磁、振動(dòng)、真空等要求。其中，與相機(jī)光機(jī)及探測器的接口、冷量傳輸和真空保持是設(shè)計(jì)的主要要素。這里的光是指與相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的耦合；機(jī)是指與斯特林制冷機(jī)和相機(jī)的安裝匹配；熱是冷量輸運(yùn)，減少漏熱，降低冷損，保證紅外探測器工作溫度；電是指電信號(hào)傳輸，解決紅外探測器與紅外前放的引線匹配

7、；磁是指屏蔽制冷機(jī)及其它帶電設(shè)備對(duì)杜瓦內(nèi)探測器和引線的電磁干擾；振動(dòng)是指減小制冷機(jī)及其冷指振動(dòng)對(duì)探測器的干擾，以及杜瓦對(duì)HJ-1-B空間力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性；真空是要采取保持真空壽命的措施，滿足整機(jī)地面試驗(yàn)要求。對(duì)杜瓦進(jìn)行的主要單項(xiàng)試驗(yàn)有：杜瓦的冷損和可靠性試驗(yàn)。? 杜瓦的冷損試驗(yàn)，采用液氮蒸發(fā)測試方法。即在杜瓦芯管存儲(chǔ)液氮，用電子天平測試液氮蒸發(fā)量。將液氮蒸發(fā)結(jié)束時(shí)的測試值換算成冷量，此值即為該杜瓦的冷損。試驗(yàn)杜瓦冷損為：300mw，見圖3所示。杜瓦的可靠性試驗(yàn)，系按HJ-1-B衛(wèi)星規(guī)定的條件，對(duì)杜瓦試樣進(jìn)行了力學(xué)和熱循環(huán)考核試驗(yàn)。結(jié)果表明，杜瓦滿足使用要求。5.系統(tǒng)工作匹配試驗(yàn)所謂匹配試驗(yàn)是指

8、：制冷機(jī)在作制冷性能試驗(yàn)后，再配裝中長波器微型件杜瓦組件，及其工作平臺(tái)，進(jìn)行系統(tǒng)的性能試驗(yàn)。然而在HJ-1-B紅外相機(jī)上，進(jìn)行整機(jī)的工作試驗(yàn)。系統(tǒng)測試試驗(yàn)結(jié)果見圖4，冷下去時(shí)間小于15分鐘，功耗45瓦; 維持低溫工作功耗為28瓦，符合紅外相機(jī)要求。經(jīng)裝入紅外相機(jī)的電磁信號(hào)觀察測試，制冷機(jī)開機(jī)時(shí)，無可見干擾，并進(jìn)行了紅外成像試驗(yàn)，獲得紅外圖象。系統(tǒng)還通過了EMC試驗(yàn)。 圖4 系統(tǒng)開機(jī)降溫時(shí)間與功耗 6.結(jié)論完成微型杜瓦和系統(tǒng)工作平臺(tái)的設(shè)計(jì)與試制,以及系統(tǒng)遙控與遙測的實(shí)施。制冷機(jī)系統(tǒng)樣機(jī)已通過光、機(jī)、電、熱諸項(xiàng)匹配試驗(yàn)及EMC試驗(yàn)，并已在紅外相機(jī)分系統(tǒng)上使用。低溫斯特林制冷機(jī)系統(tǒng)自方案設(shè)計(jì),攻關(guān)研制，考核試驗(yàn), 表明LS10-11軍品制冷機(jī)在性能上可以滿足中長波紅外器件工作條件，低溫斯特