浅谈空间低温制冷技术的应用与发展
摘要：随着我国科学技术的快速发展，我国的空间技术得到了快速的发展，同时空间低温技术作为空间技术中一项重要内容，也得到了长足的进步。空间低温技术是一项集合航空技术、低温冷冻技术等技术为一体的科学技术，其可以为飞船、卫星等航天器及其各种配件提供其正常工作所需的低温环境。本文从空间低温制冷技术的应用入手，就空间低温制冷技术的发展进行了详细的分析与研究。
关键词：空间制冷；低温技术；应用；发展
目前，随着人类科学技术与空间技术的发展，各种航天器应运而生，其为人类探索外太空提供了必要的工具。空间低温制冷技术是卫星、飞船等航天器得以在外太空运行的关键技术，其可以为各类航天器及其所应用的各种低温电子学、超导器件、低温探测器等装置提供其正常工作所需的低温条件，从而确保各类器件及设备的工作性能得到切实地维护。因此，对于空间低温制冷技术进行分析和研究是具有积极意义的。
1 空间低温制冷技术的应用
随着科学技术的发展和空间探索的日益深入，人类在空间技术方面取得了显著的成绩，这也促使各类遥感仪器，如超导量子探测器、亚毫米波探测器、γ射线、X射线和红外探测器等被广泛应用于航天器上。理论上来讲，宇宙空间是一个具有超低温（约为3K），高真空的环境。因此，在不借助空间低温制冷技术的前提下，各类航天器上所配置的低温光学探测器的系统温度要远高于探测背景的温度，这就会干扰探测目标的信号，从而降低探测效果。而如果在各种航天器的探测设备上安置低温制冷系统，则可以显著地降低光学 遥感系统自身的温度，从而达到排出或屏蔽探测目标外的热干扰，提高探测结果的灵敏度和准确度，同时也可以极大地减少光学遥感系统自身产生的热噪声。由此可见，空间低温制冷系统是深空探测航天器及地遥感卫星等各类探测设备中必不可少的一部分。
2 空间低温制冷技术的发展
通常而言，根据空间低温制冷机工作方式的不同可以将其分为被动式制冷和主动式热泵循环。被动式制冷实际上就是通过储存的低温制冷剂的相变换热或辐射换热来为被冷却的对象提供冷源的一种制冷方式；主动式热泵循环制冷则是通过制冷机来实现对被冷却提供冷源的制冷方式。
2.1 辐射制冷器
辐射制冷器属于被动式制冷装置中的一种，其主要是借助宇宙中的冷黑背景来实现降温的一种装置。辐射制冷器是在1996年由美国研制出的一种制冷装置，经过长时间对该装置的改进和完善，其已经可以应用于各类不同轨道中，如抛物面G型、V型、W型、L型、圆锥形以及方锥型等，且该装置的制冷量可以从几毫瓦达到百毫瓦级，制冷温度可以实现从200K降至80K。例如，美国于2002年发射的EOS-Apua上的平流层气体红外分光计辐射制冷器的最低制冷温度可以达到60K；欧空局研制的抛物面G型辐射制冷器可以实现269Mw/105K的轨道性能等。
辐射制冷器的最大优点就是功耗小、无噪声干扰、可靠性高、寿命长、无运动部件，尤其适用于空间红外线遥感中。但是其也具有一定的不足，具体表现为体积大、制冷量小，不能有阻挡物，且对安装位置、飞行姿态及航天器轨道有严格的要求，地面试验难以开展，故其应用范围有一定的局限性。辐射制冷器的发展方向主要是提高制冷量，减少级间耦合与支撑的热损失，降低阳光和地球辐射的影响，扩大视场，对辐射交换的面型结构进行改进等，从而满足焦平面器件对制冷量的要求。
2.2 固体制冷器
固体制冷器实际上是通过借助固态制冷剂来在空间的升华过程来产生冷源的一种制冷设备。该制冷设备具有结构简单，不受空间运行轨道限制，无振动或振动性小以及不消耗航天器能源等优点。该装置常用的固态制冷剂有氖、氢、氩、氮等，且可以制成单、双级两种固体制冷器。制冷剂通常都被储存在特制的铝制容器中，其外壳通常由低热导、高强度的复合材料来进行支撑，内外层之间采用多层真空绝热的方式来降低热损耗。探测器借助导热杆来实现与固体制冷器的连接，过程中所产生的各类气体则通过预设的排气管排到空间中。如1990年发射的哈勃空间望远镜就是采用固氮制冷器，其可以为各类探测设备与仪器提供58K的环境条件。固体制冷器自身所携带的制冷工质数量往往是决定其工作寿命的关键因素，同时随着其在工作过程中的质量变化，也将引起卫星质心的改变，从而增加了航天器的控制难度，这也是阻碍其进一步发展的决定性因素。
2.3 超流氦制冷器
超流氦制冷器主要滑丝通过制冷剂的相变来产生冷源的制冷设备，其可以为探测器提供2.0K以下的冷却环境。该制冷系统可以直接用于多种探测系统的制冷系统中，同时也可以作为支撑更低温度制冷系统的平台，如配以磁制冷、3He-4He稀释制冷和3He吸附制冷可以得到更低的制冷温度（如0.300K至0.065K）超流氦制冷器作为一种应用较早，技术成熟和效果显著的空间低温制冷技术，其目前已经被广泛应用于飞行及深空探测项目中。通常而言，空间超流氦制冷系统包括探测器的热耦合组件、超流氦杜瓦以及液氮再加注系统。该制冷技术的发展方式是与机械制冷或辐射制冷技术进行结合，充分利用航天器所处空间轨道的热环境，降低超流氦的蒸发速率，延长装置的使用寿命。
总之，空间低温制冷技术的对于人类探索太空具有重要的作用，其可以为各类航天器及其所应用的各种低温电子学、超导器件、低温探测器等装置提供其正常工作所需的低温条件。因此，为了进一步提高我国空间低温制冷技术，有关方面的工作人员需要在低温制冷方面加大研发力度。
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