空间红外天文观测中低温制冷系统分析

　　1 引 言

　　天文学历史久远，但利用红外波段进行天文观测则起步很晚，直到 20 世纪 60 年代以后，由于红外技术的发展和空间探测的成功，久隐深空的天体红外辐射才成了揭示宇宙奥秘的工具，红外天文学开始发展，逐渐揭开了冷宇宙神迷的面纱。

　　红外天文学是在 0. 7 μm 到 1 000 μm 之间的波长上观测和研究天体。一般温度低于 4 000 K 天体的辐射主要在红外区，是空间红外天文观测的主要对象，其研究意义[1]重大，但是除了少数大气窗口外，地球大气层吸收了几乎所有的红外辐射，所以必须用高灵敏度的天基观测平台进行空间红外观测。

　　工作在中远红外波段的探测器自身需要一个近绝对零度的工作温度，且由于其探测的目标和背景均为冷环境，为降低光学系统本身的热噪声，提高成像质量，必须配备低温制冷系统。制冷技术是红外天文观测的核心技术之一，它直接关系到探测性能和卫星的工作寿命。本文对红外天文卫星中低温系统的构成进行了分析，针对空间的特殊应用环境，对 3 项关键技术( 气液相分离器、质量监测、流量调节) 进行了研究。

　　2 空间红外天文卫星

　　自第一颗空间红外天文卫星 IRAS 于 1983 年成功发射之后，随着各项技术的成熟应用，空间红外天文卫星获得了较快的发展，针对各项任务的红外卫星相继发射成功，如表 1 所示[2-6]。其中，SIRTF 和 AS-TRO-F 卫星的整体与结构剖面分别如图 1、图 2 所示。

　　可以看出，红外卫星中，望远镜部分的工作温度为 5 K，远红外的探测的工作温度为 1. 5 K，对此接近绝对零度的深低温工作环境，均采用了超流氦制冷，液态超流氦的携带量从 400 L 到 2 200 L 不等，而超流氦的用量也就成了限制卫星整体运行寿命的关键因素。

　　卫星中低温制冷系统的设计与卫星运行轨道、内部热负载、热量的传输与交换方式等直接相关。

　　2. 1 SIRTF

　　SIRTF 是 NASA4 大天文卫星计划的最后 1 颗，工作波长范围在 3 μm 到 180 μm 之间，望远镜主反射镜的直径 85 cm，是目前孔径最大的空间红外望远镜。SIRTF 的轨道是“尾随地球的日心轨道”，即处在地球背面的拉格朗日点上，与地球保持同样的角速度绕太阳公转，这使得 SIRTF 有一个良好的热环境;深空环境温度约 30 K 至 40 K，利用大自然作为冷却源，SIRTF 可以携带很少的液氦，大大减轻了自身质量。

　　SIRTF 的有效载荷必须在深低温状态下才能正常工作，而其低温保持器能够使这些科学仪器的温度在 5 年内一直保持在约 1. 4 K。低温保持器由真空外壳、内部和中间蒸汽冷却防护层、氦罐和流体管理系统组成，氦罐内装有 360 L 超流氦。