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环境卫星斯特林制冷系统
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内容提示：空间遥感技术为国民经济发展服务，环境卫星更是直接为国民经济发展、为国家安全和人民的生活提供有力的保障。环境卫星的一个主要有效载荷——红外相机需要低温制冷。由于该卫星为小卫星，对各部件在结构尺寸上都有严格限制，为此，在制冷系统的选择上就选用了比辐射制冷器体积小很多的斯特林机械制冷。环境卫星红外相机采用斯特林制冷技术。该斯特林机械制冷系统由斯特林型机械制冷机、中长波红外探测器杜瓦、系统散热和电磁
纪国林 何兴伟 府华 张武 沈之渝
摘要：空间遥感技术为国民经济发展服务，环境卫星更是直接为国民经济发展、为国家安全和人民的生活提供有力的保障。环境卫星的一个主要有效载荷——红外相机需要低温制冷。由于该卫星为小卫星，对各部件在结构尺寸上都有严格限制，为此，在制冷系统的选择上就选用了比辐射制冷器体积小很多的斯特林机械制冷。环境卫星红外相机采用斯特林制冷技术。该斯特林机械制冷系统由斯特林型机械制冷机、中长波红外探测器杜瓦、系统散热和电磁屏蔽支架及制冷机控制箱组成。斯特林制冷机制冷温度85K，功耗最大功耗为45W，此时可获得制大于1290mw的冷量。制冷子系统已完成性能测试和各项电性星试验，试验中，制冷子系统与相机本体配合，获得了清晰的红外图像。
关键词：制冷机 斯特林循环 空间
环境一号卫星配置有红外相机。其选用的红外光谱谱段可用以对台风、旱灾和火灾等灾情进行监测和预报。红外相机上的中波红外和长波红外波段的探测器需要低温工作。环境一号卫星的轨道高度为650km，卫星拥有稳定的背阳面，可是由于太阳帆板方向的制约，以及卫星体积的限制，难以采用体积较大的辐射制冷器，必须选择其它空间低温制冷技术。（参考《建筑中文网》）
随着空间遥感技术的发展，出现的长线列、面阵红外探测器需要的冷量大，机械制冷技术也有了新的突破，斯特林制冷机已在航天工程上获得应用。根据HJ-1-B红外相机的中、长波红外波段的探测器需要，研制了相应的低温斯特林机械制冷系统。
低温斯特林机械制冷系统包括：斯特林制冷机及其控制箱，中、长波红外探测器微型杜瓦，系统工作平台（散热支架和屏蔽装置）。该系统已经应用于红外相机样机，并已完成电性星测试等大量试验，获得了清晰的红外图像。
2.斯特林制冷机系统如上所述， 低温斯特林制冷机系统由斯特林制冷机、中长波红外器件微型型杜瓦和系统工作平台及电控箱组成。斯特林制冷机和中长波红外器件微型杜瓦在系统工作平台上联成一体，如图1照片所示。
电控箱是独立的单机，由专用电缆与红外相机控制箱和制冷机连接，对制冷机实施运行遥控和遥测。
在研制过程中，制冷机、电控箱、中长波红外器件微型杜瓦和系统工作平台之间是互相影响、互相牵制的，因此采用了系统工程的方法进行工作流程编制，并进行关键技术的攻关。技术攻关流程如图2所示
HJ-1-B卫星对制冷机性能要求列表如下：
表1 HJ-1-B对制冷机性能要求
| HJ-1-B | 备 注 |
冷却器件数 | 30元 | 温度: 85k, 95k |
在轨工作寿命 | >3000小时 | |
启动功耗 | ≤45 W | |
冷却时间 | ≤15 Min |
决定采用LS10-11型号的军品斯特林制冷机，研制配套，按航天要求改造后用于HJ-1-B卫星的红外相机。
表2 HJ-1-B的斯特林制冷机性能
| HJ-1-B用制冷机LS10-11 | 备 注 |
制冷量 | >1000mW | 85k, 95k |
MTTF | 5500h | |
重量 | 2.1kg |
斯特林制冷机制冷性能测试试验结果：
制冷温度为85K时
制冷量1000mw,功耗≤38W；
功耗45W，制冷量≥1290mw；
冷下去时间≤8分10秒。
试验表明其性能满足红外相机的要求。
4.微型杜瓦制作金属杜瓦是中长波红外探测器件的封装所必须，也是红外探测器与制冷机耦合的载体, 为红外探测器正常工作提供低温条件。
HJ-1-B相机用微型杜瓦的设计，涉及到光、机、热、电、磁、振动、真空等要求。其中，与相机光机及探测器的接口、冷量传输和真空保持是设计的主要要素。这里的光是指与相机光学系统的耦合；机是指与斯特林制冷机和相机的安装匹配；热是冷量输运，减少漏热，降低冷损，保证红外探测器工作温度；电是指电信号传输，解决红外探测器与红外前放的引线匹配；磁是指屏蔽制冷机及其它带电设备对杜瓦内探测器和引线的电磁干扰；振动是指减小制冷机及其冷指振动对探测器的干扰，以及杜瓦对HJ-1-B空间力学环境的适应性；真空是要采取保持真空寿命的措施，满足整机地面试验要求。
对杜瓦进行的主要单项试验有：杜瓦的冷损和可靠性试验。
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杜瓦的冷损试验，采用液氮蒸发测试方法。即在杜瓦芯管存储液氮，用电子天平测试液氮蒸发量。将液氮蒸发结束时的测试值换算成冷量，此值即为该杜瓦的冷损。试验杜瓦冷损为：∽300mw，见图3所示。
杜瓦的可靠性试验，系按HJ-1-B卫星规定的条件，对杜瓦试样进行了力学和热循环考核试验。结果表明，杜瓦满足使用要求。
5.系统工作匹配试验所谓匹配试验是指：制冷机在作制冷性能试验后，再配装中长波器微型件杜瓦组件，及其工作平台，进行系统的性能试验。然而在HJ-1-B红外相机上，进行整机的工作试验。
系统测试试验结果见图4，冷下去时间小于15分钟，功耗45瓦; 维持低温工作功耗为28瓦，符合红外相机要求。
经装入红外相机的电磁信号观察测试，制冷机开机时，无可见干扰，并进行了红外成像试验，获得红外图象。系统还通过了EMC试验。
图4 系统开机降温时间与功耗
完成微型杜瓦和系统工作平台的设计与试制,以及系统遥控与遥测的实施。制冷机系统样机已通过光、机、电、热诸项匹配试验及EMC试验，并已在红外相机分系统上使用。
低温斯特林制冷机系统自方案设计,攻关研制，考核试验, 表明LS10-11军品制冷机在性能上可以满足中长波红外器件工作条件，低温斯特林制冷机系统符合HJ-1-B红外相机工作要求。
参考文献[1] 纪国林， 吴亦农， 王 彪等. 航天应用的制冷机系统. 低温工程. 1999,（4）,253~257
[2] 何兴伟. HJ-1-B微型杜瓦的研制及其压强在线测量的研究[学位论文]. 上海技术物理所. 2005
来源: 《建筑中文网》.原文网址：http://www.pipcn.com/research/200601/8410.htm
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