環境衛星斯特林制冷管理論文

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摘要：空間遙感技術為國民經濟發展服務，環境衛星更是直接為國民經濟發展、為國家安全和人民的生活提供有力的保障。環境衛星的一個主要有效載荷——紅外相機需要低溫制冷。由于該衛星為小衛星，對各部件在結構尺寸上都有嚴格限制，為此，在制冷系統的選擇上就選用了比輻射制冷器體積小很多的斯特林機械制冷。環境衛星紅外相機采用斯特林制冷技術。該斯特林機械制冷系統由斯特林型機械制冷機、中長波紅外探測器杜瓦、系統散熱和電磁屏蔽支架及制冷機控制箱組成。斯特林制冷機制冷溫度85K，功耗最大功耗為45W，此時可獲得制大于1290mw的冷量。制冷子系統已完成性能測試和各項電性星試驗，試驗中，制冷子系統與相機本體配合，獲得了清晰的紅外圖像。

關鍵詞：制冷機斯特林循環空間

1.前言

環境一號衛星配置有紅外相機。其選用的紅外光譜譜段可用以對臺風、旱災和火災等災情進行監測和預報。紅外相機上的中波紅外和長波紅外波段的探測器需要低溫工作。環境一號衛星的軌道高度為650km，衛星擁有穩定的背陽面，可是由于太陽帆板方向的制約，以及衛星體積的限制，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。

隨著空間遙感技術的發展，出現的長線列、面陣紅外探測器需要的冷量大，機械制冷技術也有了新的突破，斯特林制冷機已在航天工程上獲得應用。根據HJ-1-B紅外相機的中、長波紅外波段的探測器需要，研制了相應的低溫斯特林機械制冷系統。

低溫斯特林機械制冷系統包括：斯特林制冷機及其控制箱，中、長波紅外探測器微型杜瓦，系統工作平臺（散熱支架和屏蔽裝置）。該系統已經應用于紅外相機樣機，并已完成電性星測試等大量試驗，獲得了清晰的紅外圖像。

2.斯特林制冷機系統

如上所述，低溫斯特林制冷機系統由斯特林制冷機、中長波紅外器件微型型杜瓦和系統工作平臺及電控箱組成。斯特林制冷機和中長波紅外器件微型杜瓦在系統工作平臺上聯成一體，如圖1照片所示。

電控箱是獨立的單機，由專用電纜與紅外相機控制箱和制冷機連接，對制冷機實施運行遙控和遙測。

在研制過程中，制冷機、電控箱、中長波紅外器件微型杜瓦和系統工作平臺之間是互相影響、互相牽制的，因此采用了系統工程的方法進行工作流程編制，并進行關鍵技術的攻關。技術攻關流程如圖2所示

3.制冷機選型試驗

HJ-1-B衛星對制冷機性能要求列表如下：

表1HJ-1-B對制冷機性能要求HJ-1-B備注

冷卻器件數30元溫度:85k,95k

在軌工作壽命>3000小時

啟動功耗≤45W

冷卻時間≤15Min

決定采用LS10-11型號的軍品斯特林制冷機，研制配套，按航天要求改造后用于HJ-1-B衛星的紅外相機。

表2HJ-1-B的斯特林制冷機性能HJ-1-B用制冷機LS10-11備注

制冷量>1000mW85k,95k

MTTF5500h

重量2.1kg

斯特林制冷機制冷性能測試試驗結果：

制冷溫度為85K時

制冷量1000mw,功耗≤38W；

功耗45W，制冷量≥1290mw；

冷下去時間≤8分10秒。

試驗表明其性能滿足紅外相機的要求。

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相機用微型杜瓦的設計，涉及到光、機、熱、電、磁、振動、真空等要求。其中，與相機光機及探測器的接口、冷量傳輸和真空保持是設計的主要要素。這里的光是指與相機光學系統的耦合；機是指與斯特林制冷機和相機的安裝匹配；熱是冷量輸運，減少漏熱，降低冷損，保證紅外探測器工作溫度；電是指電信號傳輸，解決紅外探測器與紅外前放的引線匹配；磁是指屏蔽制冷機及其它帶電設備對杜瓦內探測器和引線的電磁干擾；振動是指減小制冷機及其冷指振動對探測器的干擾，以及杜瓦對HJ-1-B空間力學環境的適應性；真空是要采取保持真空壽命的措施，滿足整機地面試驗要求。

對杜瓦進行的主要單項試驗有：杜瓦的冷損和可靠性試驗。

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杜瓦的冷損試驗，采用液氮蒸發測試方法。即在杜瓦芯管存儲液氮，用電子天平測試液氮蒸發量。將液氮蒸發結束時的測試值換算成冷量，此值即為該杜瓦的冷損。試驗杜瓦冷損為：∽300mw，見圖3所示。

杜瓦的可靠性試驗，系按HJ-1-B衛星規定的條件，對杜瓦試樣進行了力學和熱循環考核試驗。結果表明，杜瓦滿足使用要求。

5.系統工作匹配試驗

所謂匹配試驗是指：制冷機在作制冷性能試驗后，再配裝中長波器微型件杜瓦組件，及其工作平臺，進行系統的性能試驗。然而在HJ-1-B紅外相機上，進行整機的工作試驗。

系統測試試驗結果見圖4，冷下去時間小于15分鐘，功耗45瓦;維持低溫工作功耗為28瓦，符合紅外相機要求。

經裝入紅外相機的電磁信號觀察測試，制冷機開機時，無可見干擾，并進行了紅外成像試驗，獲得紅外圖象。系統還通過了EMC試驗。

圖4系統開機降溫時間與功耗

6.結論

完成微型杜瓦和系統工作平臺的設計與試制,以及系統遙控與遙測的實施。制冷機系統樣機已通過光、機、電、熱諸項匹配試驗及EMC試驗，并已在紅外相機分系統上使用。

低溫斯特林制冷機系統自方案設計,攻關研制，考核試驗,表明LS10-11軍品制冷機在性能上可以滿足中長波紅外器件工作條件，低溫斯特林制冷機系統符合HJ-1-B紅外相機工作要求。

參考文獻

[1]紀國林，吳亦農，王彪等.航天應用的制冷機系統.低溫工程.1999,（4）,253~257

[2]何興偉.HJ-1-B微型杜瓦的研制及其壓強在線測量的研究[學位論文].上海技術物理所.2005