【五羊本田喜悦100像散架的声音大】宇宙级“冷却神器”国产炉

记者倪四杰

这是一个看起来很不起眼的东西。它只有手掌的大小，手好像有点重。它的形状很特别。细长的金属管子像扁担一样拿着两个粗的金属圆筒，其中一端的金属圆筒连接着比小指稍细的管子的一半。(莎士比亚，莎士比亚。)

中国科学院理化技术研究所(以下简称中科院理化所)研究员赵美光说，现在做这个东西大约需要100万人民币。但是，到2000年，不管花多少钱，外国都不愿意把它卖给中国。

这是困扰中国光学遥感卫星数十年的“冷却神器”——宇宙级脉冲管冰箱，可以快速将局部温度降低到零下200度，是多年来完好无损的高科技产品。

在中国的诞生和发展得益于中科院研究院的“长跑”。

几分钟内气温下降到零下200度

1月25日，搭载3台国产脉冲管冰箱的“资源1号02E”卫星成功获得高质量视频。这三台脉冲管冰箱是中科院李华开发并成功应用于航天项目的26、27、28台宇宙级脉冲管冰箱。

新冠疫情让很多人了解了“红外测温”技术。人体通过热相机时，身体的热处会出现红色。为了测量地球和大气的温度，很多气象卫星也安装了红外探测器。但是，由于与目标探测物相距甚远，卫星的红外探测器必须保持低温和低温水平，以便在远处目标上找到1毫秒的热变化。

那么，如何使卫星的红外探测器处于低温状态呢？科学家发明了两种冷却技术，一种是被动辐射冷却，基于高温物体能向低温物体辐射能量的原理。另一种是主动机械制冷。原理是通过机械运动使气体膨胀，气体膨胀时会发生冷却现象。

“辐射制冷的制冷温度高，制冷量小，可以用来冷却小探测器，但不能满足太空仪器对低温的高要求。相比之下，机械制冷技术更有可能。”中科院理化所研究员陈厚磊告诉《中国科学报》。

脉冲控制冷却技术是机械制冷技术的一种。1963年，美国科学家偶然发现，中空管子有交变压力波时，封闭端会发热，沿管道轴线形成大的温度梯度。在此基础上开发了脉冲管制冷机。1984年，苏联科学家对脉冲管冰箱进行了改造，大大提高了冷却效率，相关研究热也相应升温。

指着手上的脉冲管冰箱，陈厚雷介绍说：“这个和小指差不多的部位被称为‘冷手指’。”这个小冰箱能在几分钟内将指尖部位降低到零下200度。我们在指尖安装了探测器，探测器温度下降后，可以清楚地看到地球。" "

从理论走向工程

20世纪80年代，中科院低温技术实验中心(中科院理化组成单位之一)在国内率先开始了脉冲控制冷技术的基础研究。直到20世纪90年代，他们多次创造最低冷暖记录，取得了一系列原创成果，还获得了国际寒暑假会卡皮茶奖和林德奖。(威廉莎士比亚、Northern Exposure(美国电视剧)、国际寒暑假会、Kappy Chare奖、林德奖)

1998年，美国首先对脉冲管冰箱进行了工程设计，用于空间项目。我国在脉冲调节制冷的基础研究方面取得了世界上最好的成果，但光学遥感卫星却饱受没有自己的空间冰箱的困扰。“当时，研究单位只能从国外进口，宇宙级冰箱对我国是禁运措施，所以开发单位只能用各种方法购买地面级冰箱。”赵美光说。

之所以说“辛苦”，是因为进口的地面级冰箱的寿命不足宇宙级的1/10，经常出现问题，卫星上天后不能像在地面上一样随时修理。一旦走上轨道，国家可能会付出巨大的代价。

20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，中科院理化所研究小组开始向应用研究的整体过渡。面对国家空间遥感和红外探测领域的重大需求，他们从高纸堆中走出来，开展了脉冲管制冷机工程化及空间应用研究。从2000年开始，团队得到了国家宇宙部门的系统支持。

从理论到工程的路上到处都有挑战。“我们要做的是宇宙级产品。冰箱以后要在天上工作。要保证8年，10年，不再坏。”陈厚磊说。

冰箱里装满了氦，他们必须通过可靠的焊接和密封技术来保证氦分子极低的泄漏率。(威廉莎士比亚、氦、氦、氦、氦、氦、氦)气体的压缩膨胀取决于活塞，要避免活塞和铜壁之间接近和接触，以免活塞在油不能使用时磨损。活塞运动依赖于平面弹簧支撑，他们必须想办法防止弹簧变形和折断。

所有的“必需”都意味着压力。“当时我们遇到了一些问题，长期无法推进，大家的士气一度很低。”赵美光说。

早上8点监督进度，晚上12点下班等8年过去了。在过去的八年里，日月星辰见证了他们开发的脉冲管冰箱实现钛合金整体焊接。活塞和气缸之间的距离达到微米水平。板簧可以用抗疲劳在实验中运动100多亿次，甚至用一个弹簧的抗疲劳在实验中“奔跑”了10多年，但到目前为止没有问题。

28台脉冲管冰箱已经在天上服役了

2008年，在中科院理化所空间共热转换技术重点实验室现任主任杨成涛研究员的指导下，科学组研制了我国第一台空间长寿命脉冲管制冷机，并成功进行了轨道验证。我国空间冰箱实现了从无油到有油、从跟踪到国际最新一代发展阶段的历史性飞跃，我国也因此成为继美国之后第二个掌握空间脉冲控制制冷技术的国家。

此后，红外光谱光学卫星发展的“吉号”被踢开，国家一系列卫星型号的计划论证展开得如火如荼。

技术革新产生了需求，需求反而促进了技术发展。此后十多年来，我国星载红外探测器的发展对星载脉冲管制冷器不断提出了更高的要求。

>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。

在宇航级低温制冷机技术发展道路上，这场“长跑”还在继续。

来源： 中国科学报