张敏　王如竹

　　(上海交通大学制冷与低温工程研究所　上海　200030)

　　摘要　对空间红外探测技术做了较为全面的综述,详细介绍了典型的红外望远镜冷却用超流氦恒温器的构造及其中流程,并对两个具体的应用实例进行了介绍、分析。

　　主题词　红外望远镜　空间　超流氦　低温系统

　　1　空间红外探测技术

　　自从1969年美国“阿波罗号”宇宙飞船登上月球,世界各国在宇宙探索这一领域竞相做出令人瞩目的成就,但视野总是脱离不了地球、太阳系和银河系。要探测银河深处或银河以外的天体,提高探测精度,必须使用红外甚至远红外探测技术。

　　红外探测技术即接收各种宇宙物质形态红外波段内的辐射,对采集到的光信号进行分析、研究,以获得所感兴趣的宇宙信息。如1998年最新资料显示, NASA于2001年12月将要发射的空间红外天文望远镜SIRTF会在3.5～160μm的红外波段内进行观测,目的是研究行星形成前后的碎片盘、棕色漂移、超行星、超亮星系以及原始宇宙等这几项尖端课题[1] 。

　　2　红外探测技术的要求

　　卫星的在轨高度是对红外探测的要求之一。由于地球上方覆盖着厚厚的一层大气,其组分中的氧气、臭氧、水蒸气、二氧化碳、一氧化氮、甲烷等对来自外太空的红外辐射有着强烈的反射、散射和吸收作用,所以一般不宜在地面上进行红外探测,而是将观察站设置于卫星上。卫星的在轨高度越高,越是能减少大气对红外辐射的阻挡,获得高精度、高品质的探测信息。另外,提高在轨高度,还具有减少地球辐射,提高绝热性能,减轻液氦容器的质量,延长探测寿命等一系列作用。

　　严格的低温工作环境是对红外探测的要求之二。在深冷的太空中,能定义天体物质性质的是其辐射出的红外波段信息,那么自然要求接收此信息的一系列仪器设备的温度也尽可能低,否则高温设备本身的热辐射就会干扰信息的采集。红外探头的工作温度越低越好,这样可以最大限度的减少外界其他热辐射的干扰,降低探测的背景噪声,获取分辨率较高的探测精度。

　　表1示出的是日本1995年发射的红外太空望远镜IRTS上携带的四种焦平面仪器的详细资料[2] 。这四种红外探测元件均要求冷却到2 K以下,其中的探头FIRP还要求使用3He-4He稀释制冷机进一步冷却到0.25 K才能进行正常的工作。这两年来,处于世界领先水平的国家对红外探测元件的温度要求又有新的提高, SIRTF中红外探头温度一般都在1.4K以下。

　　由上可见,进行空间红外探测必须满足在轨高度及低温环境两方面的要求,而其中尽可能低的探头温度是取得高精度数据的关键之处,所以一般都选择超流氦来冷却红外光学探测系统。

　　3　超流氦红外冷却的优点

　　首先,当温度降至2.172 K以下时,常规液氦(HeⅠ)转变为超流态液氦(HeⅡ),其热物理性质发生了极大的变化。温度低、导热性能高、液体内部的温度分布极其均匀、单位体积的冷却性能又是最高的。所以首推超流氦为红外系统的冷却剂,事实也证明将光学系统冷却到液氦温区确实能最大限度的降低其他各种热辐射的干扰[3]。

　　其次,在空间零重力状态下,与红外冷却密不可分的气/液相分离技术也限制了用HeⅠ作冷却剂,因为HeⅠ不具备HeⅡ所特有的超流性质,在相分离技术上存在着很大的困难,不似HeⅡ冷却中用一结构十分简单的多孔塞即能有效地阻止大部分液体外溢,顺利地完成相分离任务[4] 。

　　第三,以前有一些国家采用超临界液氦冷却,是可行的,但与HeⅡ冷却比较起来,整个系统显得笨重,且工作温区也较高。在空间技术中一直贯彻的基本原则即重量轻、体积小、效率高,所以超临界液氦冷却方式不予优先考虑[5] 。

　　第四,用HeⅡ进行红外冷却能较灵活的满足整个观察系统各个设备不同的温度需求。一般说来,红外探头所需的温度最低,通常在1.4～1.9 K之间,焦平面上的其它仪器温度限制在2 K以内,它们均由超流氦直接冷却;而望远镜系统中主镜与二次镜的温度约10 K左右,各组障板的温度只需20 K左右即可[6] ,所以它们是由HeⅡ蒸发产生的气体回收冷量,逐级冷却来实的。

　　综上所述,用超流氦冷却红外望远镜系统是最佳选择。

　　4　红外冷却用超流氦恒温器的结构特点

　　图1是典型的红外冷却用超流氦恒温器,由主、辅两组超流氦液罐、望远镜光学系统、红外探头仪器腔、三层气冷屏和外壳构成。其结构特点主要有如下四项:

　　(1)主、辅液氦罐都呈圆环形,中间的空腔正好将望远镜光学系统及红外探头仪器都包围在其中,这就保证了望远镜和红外仪器所需的优良低温环境。主罐内储存超流氦,其总量的80%能为正常在轨观测期间的红外探头冷却用;余下的20%中,5%会在发射后的抽真空过程中损失掉;另外5%为顶盖弹掉时的漏损;最后的10%则作为卫星刚入轨几十天内系统自检所需的冷量。辅罐内储存的一般是常规液氦,用途是在地面上对恒温器进行预冷以及防止发射前有较大的热负荷进入主液氦罐。恒温器携带的超流氦储量一般都是由观察站预计的在轨寿命决定。在轨寿命越长,所需携带的超流氦的量也越多。举例来说, COBE在轨1.2年,携带超流氦650 L;ISO在轨18个月,携带超流氦750 L;SIRTF预计在轨5年,超流氦容积要达到4 000 L。但随着绝热、防辐射技术,特别是空间在轨传输技术的日新月异,在轨寿命虽越来越长,发射时相对的超流氦携带量却可以大大减少。

　　(2)顶盖的自动弹开(Top Off)。顶盖是活动的,不与外壳连成一体。在地面上及发射过程中,为保持恒温器结构与热力上的连续性,用10几个弹簧将顶盖与恒温器主体连在一起。卫星入轨几天后,进行了必要的光学调整,并且系统自检完毕,便将顶盖弹掉,来自太空目标的红外线辐射顺利地从敞开的观测孔进入望远镜内部,于是开始了正常的探测、采样、分析过程。在Top off中,用作连接的10几个预紧弹簧正好能为此过程提供必需的弹力。

　　(3)障板结构。障板的设置有两方面的目的:①降低红外背景噪声,提高望远镜的探测灵敏度;②减少进入恒温器内部的热负荷。

　　(4)光学支撑结构。这主要是一块与超流氦容器接触很好的支撑平板。主镜、二次镜、塔状镜均置于其+y方向,而各种探头及星光传感器则置于其-y方向。根据SIRTF的资料显示,它携带的三种探头是:红外列阵摄相机、红外光谱仪和多谱段成相光度计。它们的温度要求是1.4 K,应该是通过一系列碳纤维末梢与超流氦容器直接相连,用1.4 K的超流氦直接冷却的。

　　5　超流氦冷却流程

　　红外探头在接收红外信号的同时也等于接收了红外辐射热能,要保持其温度的恒定性,必须由某种冷却剂将热负荷带走。采用超流氦被动式冷却,热量经由各纤维末梢传入超流氦容

　　器中,这部分热量与其他形式的各种漏热,一起形成了HeⅡ容器总的热负荷。由于存在汽化潜热,超流氦吸热蒸发,浴温却不会升高,产生的冷蒸气通过气/液相分离器从乏气管道中排出液氦罐。这部分蒸气的温度很低,可以通过管道系统使其依次经过焦平面仪器腔、主镜、塔状镜、二次镜、障板结构以及恒温器外壳的三道气冷屏以充分回收冷量,逐次消除各处的寄生漏热,然后才从恒温器外壳上的排气口排入太空,简要冷却流程如图2所示。

　　6　其他形式的恒温器

　　上面展示的超流氦冷却系统是以图1中所绘的典型的恒温器为模型的,为充分说明问题,望远镜光学系统是与液氦容器置于同一个恒温器内部的。事实上,许多成功的红外观测系统一般也是如此布置的,如IRAS、ISO、IRTS等。

　　图3中所示的就是1995年日本发射的红外天文望远镜IRTS中的小型恒温器截面图[7]。从图中可明显看出,其结构与典型的恒温器基本相仿。只不过由于它在轨时间较短,没有设置辅液氦罐;为更好地绝热,在气冷屏之间加上了多层绝热材料;而且有红外探头FIRP的存在,还设置了冷阀将超流氦引入稀释制冷机制冷。诸如此类都是细节上的差异,总的来说,这都是同一类恒温器,即望远镜是置于圆环形液氦罐中间的空腔内的。

　　最新技术证明,若能把望远镜系统置于恒温器外部,而只将红外探头与液氦容器放在恒温器内部,不仅能大大减轻恒温器的总重量(经论证应是原来的1/2左右),而且可实现“热发射”(Warm Launch),即地面上及发射时只有恒温器内部的红外探头是处于液氦温度下的,其余光学系统仍然处在室温下,这样一来,又可大大减少超流氦的耗量,实现了经济性的目标。SIRTF就是如此布置的,参见图4。图中由外壳包着的整体被称为低温望远镜系统,上半部分是天文望远镜光学系统,外面没有真空外壳包裹;下半部分为恒温器,内部又分成两个腔,上腔是红外探头仪器腔,下腔才是超流氦储罐,恒温器是有真空层包围的,所以能保证下半部分比望远镜有更优的低温环境。

　　参　　考　　文　　献

　　1　Hopkins R A,Dieczkoski S J,Russell K L,Lysek M J,Klavins A.CryogeNIc/Thermal System for the SIRTF Observato-

　　ry. Advances in Cryogenic Engineering, 1998, 43: 973～979

　　2　Mashide Murakami. Design of Cryogenic System for IRTS. Cryogenics, 1989, 29: 553～558

　　3　Heidt F D, Bartholoma。K P, Schwille H. Thermal Analysis of A HeliumⅡ-cooled Infrared Telescope for SPACelab. Ad-vances in Cryogenic Engineering, 1977, 23: 619～626

　　4　Yuan S W K, Urbach A R, Volz S M, Lee J H. Vapor-Liquid Phase Separation of HeⅡ. Cryogenics, 1998, 38: 921～925

　　5　Youdale J. State of the Art of ISO. Cryogenics, 1989, 29: 528～534

　　6　Lemke D,Klipping G,Ro。mish N.Liquid Helium-cooled Infrared Telescope for Astronomical and Atmospherical Measure-ments from Spacelab. Advances in Cryogenic Engineering, 1977, 23: 628～633

　　7　Fujii G, Tomoya S, Kyoya M, et al. On-orbit Thermal Behavior of the IRTS Cryogenic System. Cryogenics, 1996, 36:

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