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宇航|宇航级“降温神器”的国产路

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■采访人员 倪思洁
这是个看上去极不起眼的东西 。 它只有巴掌大小 ， 掂在手上有些沉 。 它的造型挺特别 ， 一根细细的金属管像根扁担一样 ， 挑着两头有些粗的金属柱体 ， 其中一头的金属柱体上还接着半截比小拇指略细的管子 。
中国科学院理化技术研究所（以下简称中科院理化所）研究员赵密广说 ， 现在要做出这个东西 ， 大概要花上百万元人民币 。 不过 ， 在2000年之前 ， 无论花多少钱 ， 国外都不肯把它卖给中国 。
它就是曾经困扰中国光学遥感卫星数十年的“降温神器”——宇航级脉冲管制冷机 ， 一个可以将局部温度快速降低到零下200摄氏度 ， 而且好多年都不会损坏的高科技产物 。
它在中国的诞生和发展 ， 得益于中科院科研人员的一场“长跑” 。
几分钟降温到零下200摄氏度
1月25日 ， 搭载了3台国产脉冲管制冷机的“资源一号02E”卫星成功获取了高质量图像 。 这3台脉冲管制冷机是中科院理化所研制并成功应用于空间项目的第26、27、28台宇航级脉冲管制冷机 。
新冠疫情让很多人认识了“红外测温”技术 。 当人体经过热像仪时 ， 身体上热的地方会显示出红色 。 为了给地球和大气测温 ， 不少气象卫星上也装上了红外探测器 。 只不过 ， 由于距离目标探测物遥远 ， 卫星上的红外探测器需要保持低温乃至极低温水平 ， 以便探出遥远目标上一丝一毫的热量变化 。
那么 ， 怎样让卫星上的红外探测器处在低温状态呢？科学家们发明出了两类制冷技术 ， 一类是被动式的辐射制冷 ， 是基于高温物体可以向低温物体辐射能量的原理发明的；另一类是主动式的机械制冷 ， 原理是通过机械运动使气体膨胀 ， 而气体膨胀时会出现降温现象 。
“辐射制冷的制冷温度偏高、制冷量小 ， 虽然可以用来冷却小的探测器 ， 却无法满足宇航器件对低温的更高要求 ， 相比之下 ， 机械制冷技术更为可行 。 ”中科院理化所研究员陈厚磊告诉《中国科学报》 。
脉冲管制冷技术就是机械制冷技术的一种 。 1963年 ， 美国科学家偶然发现 ， 当一根中空管子内存在交变压力波时 ， 它的封闭端会发热 ， 沿管轴向可形成很大的温度梯度 ， 基于此 ， 他们研制出了脉冲管制冷机 。 1984年 ， 苏联科学家对脉冲管制冷机进行改造 ， 使其制冷效率提升一大截 ， 相关研究热度也随之升温 。
指着手里的脉冲管制冷机 ， 陈厚磊介绍：“这个跟小拇指差不多的部位 ， 叫‘冷指’（cold finger） 。 这种小的制冷机能在几分钟内就把指尖的部位降低到零下200摄氏度 。 我们把探测器装在指尖上 ， 探测器温度降低之后就可以清楚地去看地球了 。 ”
从理论走向工程
上世纪80年代 ， 中科院低温技术实验中心（中科院理化所组成单位之一）在国内率先开始了脉冲管制冷技术的基础研究 。 到上世纪90年代 ， 他们已经数次创造最低制冷温度纪录 ， 取得一系列原创性成果 ， 还曾获得国际制冷学会“卡皮查奖”和“林德奖” 。
1998年 ， 美国率先将脉冲管制冷机工程化并用于空间项目 。 我国虽然在脉冲管制冷的基础研究方面取得世界领先的成果 ， 但是光学遥感卫星却一直苦于没有自己的空间制冷机 。 “当时研制单位只能进口国外的 ， 而且宇航级制冷机对我国是禁运的 ， 研制单位只能想尽各种办法买地面级制冷机 。 ”赵密广说 。
之所以说“苦” ， 是因为进口的地面级制冷机寿命不到宇航级的1/10 ， 而且经常会出问题 ， 而卫星升空之后 ， 无法像在地面时那样可以随时修理 。 一旦在轨失效 ， 就可能使国家付出巨大代价 。
上世纪90年代后期 ， 在国家杰出青年科学基金、中科院及其他有关部门的支持下 ， 中科院理化所研究团队开始向应用研究整体转型 。 面向国家空间遥感和红外探测领域的重大需求 ， 他们从故纸堆中走出来 ， 开展脉冲管制冷机工程化和空间应用研究 。 从2000年开始 ， 团队获得了国家航天部门的系统性支持 。
从理论走向工程的路上 ， 处处都是挑战 。 “我们要做的是宇航级产品 ， 制冷机未来要在天上工作 ， 必须保证8年、10年乃至更长时间不能坏 。 ”陈厚磊说 。
制冷机中充的是氦气 ， 他们必须通过可靠的焊接和密封技术 ， 保证氦分子极低的泄漏率 。 气体的压缩膨胀靠的是活塞 ， 他们必须让活塞和筒壁之间既接近又不接触 ， 保证活塞在不能用油的情况下不出现磨损 。 活塞运动靠的是平面弹簧支撑 ， 他们必须想方设法保证弹簧不歪 ， 更不能断 。
每一项“必须” ， 都意味着一份压力 。 “当时我们碰到了一些问题 ， 很长一段时间都推进不了 ， 大家士气一度很低落 。 ”赵密广说 。
早晨8点汇总进度 ， 晚上12点下班 ， 就这样 ， 8年时间过去了 。 这8年里 ， 日月星辰见证了他们的攻关之路：他们研制的脉冲管制冷机实现钛合金全焊接；活塞和气缸之间的距离达到微米级别；板弹簧在抗疲劳试验中能够运动100亿次以上 ， 甚至还有一个弹簧的抗疲劳试验“跑”了10多年 ， 至今没出问题 。
28台脉冲管制冷机已上天服役
2008年 ， 在中科院理化所空间功热转换技术重点实验室现任主任梁惊涛研究员的带领下 ， 科研团队研制出我国首台空间长寿命脉冲管制冷机 ， 并成功进行了在轨验证 ， 我国空间制冷机实现了从无到有、从跟踪到进入国际最新一代发展阶段的历史性跨越 ， 我国也由此成为继美国之后第二个掌握空间脉冲管制冷技术的国家 。
此后 ， 红外谱段光学卫星发展的“拦路虎”被一脚踢开 ， 国家一系列卫星型号的规划论证紧锣密鼓展开 。
技术创新催生了需求 ， 需求又反过来促进了技术发展 。 随后十多年里 ， 我国星载红外探测器的发展 ， 对星载脉冲管制冷机不断提出了更高要求 。
2018年5月9日 ， 高分五号卫星发射成功 ， 其搭载了由中科院理化所研制的大冷量长寿命脉冲管制冷机 。
这颗卫星承载了我国首台覆盖可见光、近红外光、短波、中波、长波红外谱段的全谱段光谱成像仪 ， 相较以往的光学探测器 ， 它更大也更重 。 为了适应需求 ， 制冷机项目组大胆采用新方案 ， 将制冷机原本只能承载十几毫米大小、几克重量冷平台的冷指 ， 设计为可以承载百毫米级大小、一公斤重量的探测器组件 。
最初几年 ， 将设计变成现实的道路是坎坷的 。 但是 ， 经历的失败越多 ， 成功的喜悦就越发刻骨铭心 。
“这是国际首创的新型方案！”说这话时 ， 陈厚磊的眼中闪着光 。
2021年12月26日11时11分 ， “资源一号02E”卫星在太原卫星发射中心成功发射 ， 其上搭载的长波红外探测器必须在零下193摄氏度的低温环境中工作 ， 这台探测器比高分五号上的光谱成像仪更大 ， 对脉冲管制冷机冷却面积的要求是高分五号的两倍 。
研制过程中 ， 科研人员遇到了前所未有的难题 。 “‘资源一号02E’卫星的设计寿命为10年 ， 高于以往的8年寿命要求 。 为满足项目需求 ， 我们提出了利用切换装置备份压缩机的方案 ， 在增加有限重量的情况下 ， 大幅度提高了制冷机的寿命 。 ”这款脉冲管制冷机的主任设计师、中科院理化所副研究员刘彦杰告诉《中国科学报》 。
“在冷指设计时 ， 我们采用的大面积冷板因为热胀冷缩而出现了变形问题 ， 承载其上的探测器很容易因此被折断 。 ”这款脉冲管制冷机的冷指设计师、中科院理化所副研究员全加回忆 ， 经过无数次讨论和调试 ， 他们对冷板进行了全新的材料匹配 ， 最终解决了问题 。
如今 ， 他们已研制出了形态、性能各异的宇航级脉冲管制冷机 ， 其中发射入轨的有28台 。
每一个项目都充满着挑战 ， 这些挑战成为脉冲管制冷机研制团队前进的动力 。
“我们正在研制冷量超过百瓦、温度接近绝对零度、重量低至几百克的更先进的空间低温制冷技术 。 ”梁惊涛说 ， 团队将以空间脉冲管制冷机的成功研制为基础 ， 继续发扬“勇于挑战 ， 勇于拼搏”的精神 ， 勇担“国家责” ， 为满足未来空间低温制冷需求砥砺前行 。
【宇航|宇航级“降温神器”的国产路】在宇航级低温制冷机技术发展道路上 ， 这场“长跑”还在继续 。

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