郭元東，周 強，劉欣彤，苗建印，張紅星，林貴平

（1.北京航空航天大學航空科學與工程學院 人機與環(huán)境工程國防重點學科實驗室，北京 100191；2.北京空間飛行器總體設(shè)計部 空間熱控技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094；3.中國科學院理化技術(shù)研究所 空間功熱轉(zhuǎn)換技術(shù)重點實驗室，北京 100190）

0 引言

紅外偵查與科學探測航天器的三大關(guān)鍵技術(shù)為：紅外探測技術(shù)、深低溫制冷技術(shù)和深低溫熱傳輸技術(shù)。紅外探測器是實現(xiàn)目標捕獲、跟蹤的核心部件，而深低溫制冷和熱傳輸技術(shù)是保證紅外探測器性能的關(guān)鍵技術(shù)。紅外成像原理決定了探測器的工作溫度越低，性能越好，可以獲得更高的信噪比、更高的比探測率、更長的響應(yīng)波長以及更短的響應(yīng)時間。因此，通過降低探測器工作溫度可大幅提升紅外探測器性能。

為了獲得所需的深低溫條件，常用輻射制冷、液氦蒸發(fā)制冷和機械制冷等。早期任務(wù)多采用輻射制冷或液氦蒸發(fā)制冷，主要因為衛(wèi)星大多運行在近地軌道，地球輻射的影響較大，外熱流變化較為劇烈，能夠更容易地獲得整體的深低溫環(huán)境。但該方案有明顯的不足，起飛質(zhì)量過大、工作壽命較短（一般為1～2年）、控溫精度較差以及低溫流體容易泄漏等。近年來，主動制冷或主/被動結(jié)合制冷的方案逐漸得到廣泛應(yīng)用，但是需要采用低溫熱傳輸系統(tǒng)以實現(xiàn)冷源與探測器之間的高效傳熱。

現(xiàn)有的空間低溫熱傳輸與熱收集技術(shù)主要包括[4-6]：低溫槽道熱管技術(shù)（Cryogenic Grooved Heat Pipe，CGHP）、低溫柔性熱管技術(shù)（Cryogenic Flexible Heat Pipe，CFHP）、低溫熱開關(guān)技術(shù)（Cryogenic Thermal Switch，CTS）、柔性銅導索技術(shù)（Flexible Thermal Strap，F(xiàn)TS）、低溫脈動熱管技術(shù)（Cryogenic Pulsating Heat Pipe，CPHP）以及深冷環(huán)路熱管技術(shù)（Cryogenic Loop Heat Pipe，CLHP）等。其中深冷環(huán)路熱管同時具備高效熱傳輸、柔韌熱連接以及熱二極管等特性，可有效解決紅外探測器等精密儀器與低溫制冷機的分離問題，實現(xiàn)紅外設(shè)備與低溫制冷系統(tǒng)的有效熱耦合。

深冷環(huán)路熱管的蒸發(fā)器和冷凝器分別與紅外探測器和深低溫制冷機連接，接口設(shè)計簡單，柔性管線可以克服原有機械連接的缺點。鑒于深冷環(huán)路熱管具有柔性和熱開關(guān)的雙重特性，未來將逐漸替代低效的銅導索和低溫熱開關(guān)。20世紀末，國外研究機構(gòu)[4，7-8]在80 K液氮溫區(qū)和200 K乙烷溫區(qū)對CLHP進行了飛行搭載驗證。同時，NASA等機構(gòu)也在20 K液氫溫區(qū)[9-10]以及4 K液氦溫區(qū)[11-12]對CLHP進行了實驗研究。國內(nèi)對于CLHP的研究僅完成了80 K及以上溫區(qū)的實驗研究和初步理論分析，對80 K溫區(qū)以下的CLHP還沒有開展相關(guān)研究，熱傳輸機理和實驗研究與國外還有較大差距。在工程應(yīng)用方面，國內(nèi)已經(jīng)開展了80 K以下紅外探測器的相關(guān)應(yīng)用，但仍采用低溫制冷機傳統(tǒng)的連接方式對探測器進行冷卻。

根據(jù)天基紅外探測系統(tǒng)的工作壽命和探測需求，深低溫紅外探測器需要長時間在軌工作。為了確保紅外探測器的不間斷運行，工程應(yīng)用中常常進行冗余設(shè)計，即至少兩套熱控系統(tǒng)共同為一個對象散熱，互為備份，實現(xiàn)不同的工作模式[13-14]。結(jié)合團隊在80 K氮工質(zhì)深冷環(huán)路熱管冗余設(shè)計的經(jīng)驗，設(shè)計研制一種基于脈沖管制冷機和深冷環(huán)路熱管的集成系統(tǒng)，采用兩臺35 K脈沖管制冷機，分別作為兩套35 K氖工質(zhì)深冷環(huán)路熱管的熱沉，熱管蒸發(fā)器可以為同一個探測器耦合，實現(xiàn)系統(tǒng)的備份冗余設(shè)計。同時為了減小系統(tǒng)傳熱熱阻以及環(huán)境漏熱，設(shè)計一體式冷凝器和低溫冷屏，以提高系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

針對紅外探測器的散熱需求，一般設(shè)置兩套深低溫獲取和熱傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，主要包括互為備份的“低溫制冷機+深冷環(huán)路熱管”，其中制冷機的熱端及壓縮機散熱通過槽道熱管傳輸至輻射器，深冷環(huán)路熱管的蒸發(fā)器通過機械連接或焊接的方式耦合，共同與紅外載荷連接，實現(xiàn)深低溫熱量傳輸。

圖1 基于深冷環(huán)路熱管的多制冷機冗余系統(tǒng)Fig.1 Redundancy system based on CLHPs and coolers

基于上述設(shè)計思路和前期研究基礎(chǔ)，設(shè)計PTC和CLHP的多制冷機冗余系統(tǒng)，如圖2所示。從圖中可知，系統(tǒng)由三臺脈沖管制冷機和兩套深冷環(huán)路熱管組成。PTC 1#和CLHP 1#構(gòu)成第一套協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)，PTC 2#和CLHP 2#構(gòu)成另一套系統(tǒng)。兩個系統(tǒng)相互備份，可以獨立地冷卻同一個對象（主蒸發(fā)器鞍座）。CLHP采用傳統(tǒng)的輔助回路法實現(xiàn)超臨界啟動，蒸發(fā)器為圓柱形，冷凝器采用螺旋盤管式冷凝器，選擇氖為工作介質(zhì)。PTC包含壓縮機、儲氣室、熱端和冷指。在傳統(tǒng)設(shè)計中，CLHP的冷凝器采用機械連接和熱界面材料的方式，安裝在PTC的冷頭上，不可避免地產(chǎn)生一定的界面接觸熱阻。本文通過一體化成型設(shè)計，協(xié)同設(shè)計制冷機冷頭和CLHP冷凝器，在冷頭上留出螺旋槽道，將CLHP的冷凝器通過釬焊的方式與冷頭集成，減小了CLHP與PTC之間的界面熱阻。同時為了減小室溫環(huán)境對深低溫系統(tǒng)的漏熱影響，采用了低溫冷屏、儲氣室小管徑連接線、小直徑測溫加熱導線以及導線預冷等多重措施，以保證CLHP較大的傳熱能力。圓柱形冷屏覆蓋兩個冷指和除儲氣室外的所有CLHP部件，冷屏通過PTC 3#冷卻到100 K以下。三個壓縮機通過鋁制鞍座固定在安裝板上，鋁制鞍座的另一個作用是將壓縮機的廢熱輸送到安裝板，再由防凍液冷板散熱。PTC熱端的廢熱也可以通過防凍液冷板帶走。

圖2 協(xié)同設(shè)計深低溫集成系統(tǒng)Fig.2 Co-designed cryogenic integrated system

Bugby等[14]提出了利用低溫二極管實現(xiàn)長距離熱傳輸?shù)娜哂嘣O(shè)計，但是受限于傳輸距離和系統(tǒng)剛性，熱開關(guān)傳輸距離僅為71 mm，無法實現(xiàn)遠距離傳輸。本系統(tǒng)的最大傳輸距離為510 mm，且深冷環(huán)路熱管的柔性傳輸管線能有效隔絕制冷機產(chǎn)生的機械振動。相對于Bugby的方案，本系統(tǒng)的優(yōu)勢和創(chuàng)新點主要集中于兩方面：（1）進行了PTC和CLHP的協(xié)同優(yōu)化設(shè)計；（2）采取了較為嚴格的漏熱控制措施。由于整個系統(tǒng)在低溫下工作，因此系統(tǒng)設(shè)置了與PTC 3#相連的低溫冷屏，減小系統(tǒng)的輻射漏熱，冷屏溫度可以通過控制PTC的輸入功率來調(diào)節(jié)，其冷卻能力為9 W@75.1 K。采用內(nèi)徑1 mm的管線作為儲氣室的連接線，減小常溫儲氣室對系統(tǒng)產(chǎn)生的導熱漏熱。采用0.18 mm的康銅絲作為系統(tǒng)中的溫度傳感器和加熱器的導線，同時將導線固定在冷屏上進行預冷，減小導線的導熱漏熱。

寄生熱泄漏會顯著影響CLHP的超臨界啟動和穩(wěn)態(tài)熱性能，因此應(yīng)盡可能減少熱泄漏。利用Thermal Desktop軟件建立了包括一個銅質(zhì)冷屏、兩個冷頭和兩組CLHP的系統(tǒng)仿真模型，對其熱效率進行分析。采用有限差分法求解模型方程，考慮不同部件之間的熱輻射和金屬導線的熱傳導，可以計算穩(wěn)定運行時的寄生漏熱。

圖3為在不同冷屏溫度下系統(tǒng)中由熱輻射和熱傳導引起的寄生熱泄漏。隨著冷屏溫度的升高，漏熱量急劇增加，主要是輻射漏熱的增加。輻射熱泄漏包括蒸氣管線（VL）、液體管線（LL）、蒸發(fā)器（EV）和冷頭的熱載荷。蒸發(fā)器和冷頭的漏熱量最大，占總數(shù)的59.75%。屏蔽溫度為300 K時的總漏熱約為0.385 W，超過PTC冷卻能力的10%。

圖3 不同冷屏溫度下系統(tǒng)的寄生漏熱變化Fig.3 Parasitic heat leakage variation of the system at different shield temperatures

系統(tǒng)的熱實驗在真空室中進行，壓力小于1×10-3Pa，對流產(chǎn)生的漏熱可以忽略不計。施加到蒸發(fā)器的熱載荷由直接連接到外表面的薄膜電阻加熱器提供。實驗中兩個CLHP的主蒸發(fā)器分開，以便獨立驗證和測試每個單獨系統(tǒng)的熱性能。兩個主EV在實際應(yīng)用中會相互備份以實現(xiàn)熱冗余，即PTC和CLHP的一個組合用于冷卻傳感器，另一個組合關(guān)閉。

1.2 實驗臺與實驗件

氖氣CLHP示意圖及測點分布如圖4所示。實驗所用溫度計為中國科學院理化技術(shù)研究所標定的鉑電阻溫度計，精度±0.1 K。

圖4 CLHP實驗測點分布圖Fig.4 Distribution of experimental CLHP measurement points

CLHP基本參數(shù)如表1所列，與帶輔助回路的傳統(tǒng)CLHP相同，CLHP由主蒸發(fā)器（EV1）、次蒸發(fā)器（EV2）、主冷凝器、次冷凝器、主蒸氣管線、次蒸氣管線、主儲液器（CC1）、次儲液器（CC2）、主液體管線、次液體管線和儲氣室組成，冷凝器進出口分別定為Con_i和Con_o。Qpe和Qse分別為施加到主蒸發(fā)器（EV1）和次蒸發(fā)器（EV2）的熱載荷。由于空間布局的限制，兩個低溫系統(tǒng)之間的唯一區(qū)別是傳輸管線的長度。1#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的蒸氣管線比2#系統(tǒng)長，導致相對較大的流動阻力，從而降低系統(tǒng)的最大傳熱能力。

表1 CLHP實驗件基本參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental CLHP components

2 研究結(jié)果與討論

2.1 超臨界啟動測試

每個協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)由一個PCT和一個CLHP組成，它們通過共用一個多功能換熱器相連。主要運行參數(shù)是不同熱載荷下CLHP的溫度。CLHP的工作流體是氖氣，常溫下處于超臨界狀態(tài)，導致CLHP正常運行需要經(jīng)歷超臨界啟動過程。圖5～8為兩套協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的熱性能，包括超臨界啟動測試和最大傳熱能力測試。在長期運行條件下，冷屏溫度可穩(wěn)定在58～65 K。圖中Sink表示熱沉溫度。

圖5和圖6是1#和2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的超臨界啟動過程，兩套系統(tǒng)均能完成從300 K到35 K的超臨界啟動過程。其工作原理在參考文獻[15]有詳細討論和研究。本文僅說明兩套系統(tǒng)工作過程之間的差異。

實驗前確保真空室壓力小于1×10-3Pa，設(shè)置水冷板溫度為273 K，整套系統(tǒng)水平倒立安裝于真空室內(nèi)，保證制冷機具有較高的制冷效率。兩套系統(tǒng)的充裝壓力分別為2.30 MPa和2.15 MPa。三臺PTC同時開啟時主蒸發(fā)器溫度會緩慢降溫，這主要是因為PTC 3#不斷使冷屏降溫，從而導致主蒸發(fā)器在輻射換熱的作用下緩慢降溫。當次蒸發(fā)器降溫至兩相溫區(qū)并維持穩(wěn)定后，由于存在一定的傳輸距離，CLHP體現(xiàn)出良好的阻斷特性，主蒸發(fā)器溫度仍然較高。隨后對次蒸發(fā)器施加輔助載荷以加速主蒸發(fā)器降溫過程，但是當輔助載荷為0.4 W時，主蒸發(fā)器降溫速率不變，繼續(xù)增大輔助載荷為0.5 W和0.6 W，主蒸發(fā)器溫度快速降低并完成了超臨界啟動過程。從圖5、圖6可以看出，兩套系統(tǒng)降溫速率幾乎一致，最小啟動載荷均為0.5 W。

圖5 1#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)超臨界啟動過程Fig.5 Supercritical start-up process of 1#co-designed cryogenic system

圖6 2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)超臨界啟動過程Fig.6 Supercritical start-up process of 2#co-designedcryogenic system

2.2 穩(wěn)態(tài)傳熱性能測試

2.2.1 最大傳熱能力

圖7和圖8為兩套協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時的性能測試曲線。如圖7所示，在1#系統(tǒng)的實驗過程中，主蒸發(fā)器熱載荷從0 W增加到2.0 W，同時相應(yīng)地減小次蒸發(fā)器輔助載荷。隨著熱載荷的增加，主蒸發(fā)器工作溫度在臨界溫度以下逐漸升高，冷凝器和冷頭溫度也隨之升高，說明冷凝器不斷打開。系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行在主/次蒸發(fā)器熱載荷1.9 W/0.2 W工況，蒸發(fā)器殼體溫度約為43 K；當熱載荷增加到2.0 W/0.1 W時，蒸發(fā)器殼體溫度急劇上升，冷凝器溫度降低，表明系統(tǒng)運行失效，此時1#系統(tǒng)達到的最大傳熱能力約為1.9 W/0.2 W。

圖7 1#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的傳熱能力Fig.7 Heat transfer capacity of 1#co-designed cryogenic system

如圖8所示，在相同的環(huán)境工況下，2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)在輔助熱載荷0 W的情況下可以獲得2.05 W的最大傳熱能力。通過分析兩套系統(tǒng)的傳熱溫差，可以計算得到系統(tǒng)有效導熱系數(shù)，分別為13 881 W/（m·K）和8 390 W/（m·K）。不過值得注意的是，在兩套系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，主蒸發(fā)器與冷頭之間的傳熱溫差仍然較大，分別為7.43 K和9.34 K，這是深冷環(huán)路熱管后續(xù)研究中需要重點解決的問題。

圖8 2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的傳熱能力Fig.8 Heat transfer capacity of 2#co-designed cryogenic system

2.2.2 長期運行溫度穩(wěn)定度

圖9和圖10為兩套系統(tǒng)在主蒸發(fā)器熱載荷恒定為1.3 W時的溫度曲線，系統(tǒng)可以長期穩(wěn)定運行1 000 min以上，通過分析系統(tǒng)的傳熱溫差以及蒸發(fā)器溫度波動幅度，可以獲得系統(tǒng)的穩(wěn)定運行特性，圖中CC2表示次儲液器溫度。圖9為1#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)的工作曲線，可以看出冷凝器入口的溫度較高，約為70 K，CLHP其他部件溫度均在30～40 K之間，系統(tǒng)主蒸發(fā)器和冷頭之間的平均工作溫差約為4.65 K，系統(tǒng)熱阻為3.577 K/W。在穩(wěn)定運行的15 min內(nèi)，1#系統(tǒng)運行溫度穩(wěn)定度為0.035 K/min。從圖10可以看出，2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行800 min以上，與圖9不同的是，2#系統(tǒng)的冷凝器入口溫度較低，僅為38 K左右?？赡茉蛴袃蓚€：1#系統(tǒng)氣體管線的流動阻力相對較大，工質(zhì)升溫較高；測點位置離冷凝器較遠，受環(huán)境影響相對較大；2#系統(tǒng)的長時間穩(wěn)定運行平均溫差為8.10 K，系統(tǒng)等效熱阻為6.23 K/W，處于較高的水平，這也是后續(xù)研究中需要重點解決的問題。經(jīng)過分析穩(wěn)態(tài)運行數(shù)據(jù)，2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)在穩(wěn)定運行的15 min內(nèi)，系統(tǒng)運行溫度穩(wěn)定度為0.038 K/min。

圖9 1#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)長時間運行曲線Fig.9 1#co-designed cryogenic system under long operation

圖10 2#協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)長時間運行曲線Fig.10 2#co-designed cryogenic system under long operation

3 結(jié)論

本文針對35 K深低溫制冷與熱傳輸系統(tǒng)開展了系統(tǒng)設(shè)計和實驗研究，通過2臺35 K PTC和2套CLHP分別組成低溫獲取和傳輸系統(tǒng)，并彼此形成冗余備份設(shè)計，其中脈沖管制冷機與深冷環(huán)路熱管系統(tǒng)設(shè)計形成集成系統(tǒng)，同時采取了有效的隔熱措施。通過實驗研究，協(xié)同設(shè)計深低溫系統(tǒng)可以在水平姿態(tài)下順利實現(xiàn)超臨界啟動，并實現(xiàn)1.9 W和2.05 W的最大傳熱能力。在后續(xù)研究中需要重點減小系統(tǒng)溫差，以推動深低溫制冷與熱傳輸系統(tǒng)的工程應(yīng)用。