隨著人類空間技術(shù)的發(fā)展，各種航天器擔(dān)負(fù)著探測(cè)研究天體和地球的任務(wù)?？臻g低溫制冷技術(shù)主要是為衛(wèi)星、飛船等航天器提供所需的低溫條件技術(shù),及其制冷設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作的控制技術(shù)和制冷設(shè)備與被冷卻對(duì)象之間耦合技術(shù)。低溫制冷系統(tǒng)作為對(duì)地遙感衛(wèi)星和深空探測(cè)航天器*的重要組成部分，必須加大開發(fā)力度，以滿足航天技術(shù)發(fā)展的急需。
一、對(duì)空間低溫制冷技術(shù)的要求
探測(cè)器的噪聲源主要有載流子熱運(yùn)動(dòng)引起的熱噪聲、復(fù)合噪聲和背景輻射噪聲，降低探測(cè)器及其光學(xué)系統(tǒng)的溫度可以有效地降低探測(cè)器的熱噪聲和背景輻射噪聲，提高探測(cè)器的精度和靈敏度。一般來說探測(cè)器的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，需要的制冷溫度就越低。用于對(duì)地遙感的紅外探測(cè)器，其工作溫度在液氮溫區(qū)就可取得較為滿意的探測(cè)效果。而應(yīng)用于宇宙背景探測(cè)、空間紅外觀測(cè)、毫米波亞毫米波探測(cè)、相對(duì)量測(cè)量以及空間磁場(chǎng)測(cè)量等深空探測(cè)和天文觀測(cè)的*，其探測(cè)器和光學(xué)系統(tǒng)必須工作在液氫或液氦溫區(qū)，有時(shí)甚至要工作在幾十毫開的極低溫區(qū)，才能降低探測(cè)器背景噪聲和輻射干擾，獲取分辨率較高的探測(cè)精度。此外采用量子超導(dǎo)干涉器件（SQUID）的高精度探測(cè)器也需要工作在1～8 K 這樣極低的溫度下?？臻g低溫制冷系統(tǒng)對(duì)航天器或有效載荷設(shè)備的結(jié)構(gòu)布局、功能有著重要的影響，它需要根據(jù)航天器的使命進(jìn)行特殊的設(shè)計(jì)，以確保深空探測(cè)器有關(guān)的設(shè)備能夠工作在合適的溫度范圍內(nèi)。在進(jìn)行低溫制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮制冷系統(tǒng)的制冷溫度、制冷功率、體積、質(zhì)量、功耗等以外，還應(yīng)滿足以下條件的約束：①航天器從發(fā)射到完成任務(wù)所經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境和熱真空環(huán)境，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力；②3年以上的工作壽命和空間長(zhǎng)期免維護(hù)可靠性的工作要求；③自身產(chǎn)生的振動(dòng)、噪聲和電磁干擾??；④空間微重力工作狀態(tài)；⑤適應(yīng)航天器工作模式的要求。
二、空間低溫制冷技術(shù)的發(fā)展
空間低溫制冷機(jī)大金*空調(diào)根據(jù)工作方式可分為主動(dòng)式熱泵循環(huán)和被動(dòng)式制冷這兩種工作方式。通過制冷機(jī)做功把熱量從低溫端向高溫端輸運(yùn)，并在冷溫空間中排放，以獲得有效的制冷量的方式稱為主動(dòng)式熱泵循環(huán)制冷系統(tǒng)。通過輻射換熱或者存貯的低溫制冷劑的相變換熱，為被冷卻對(duì)象提供有效冷源的方式稱為被動(dòng)式制冷。目前，適應(yīng)航天器應(yīng)用的低溫制冷設(shè)備主要有輻射制冷器、固體制冷器、超流氦杜瓦、機(jī)械制冷機(jī)，以及吸附式制冷機(jī)、3He-4He稀釋制冷機(jī)和絕熱去磁制冷機(jī)等。
自1966年在美國(guó)獲得成功應(yīng)用后，已先后開發(fā)成功了適合不同軌道的多種的類型輻射制冷器，制冷溫度由200K降低到80K，制冷量從幾毫瓦提高數(shù)百毫瓦級(jí)。
隨著磁制冷技術(shù)的迅速發(fā)展，其研究工作也逐步從低溫向高溫發(fā)展。1976年，美國(guó)NASALewis和G.V.Brown首先采用金屬Gd為磁制冷介質(zhì)，采用Stiring循環(huán)，在7T磁場(chǎng)下進(jìn)行了室溫磁制冷試驗(yàn)，開創(chuàng)了室溫磁制冷的新紀(jì)元。1996年12月宇航公司的工程師CarlZimm研制的室溫磁制冷樣機(jī)取得了突破性進(jìn)展。他們采用了3kg稀上金屬作為磁工質(zhì)，以水（加防凍劑）作為傳熱介質(zhì)，以NbTi超導(dǎo)磁體產(chǎn)生磁化場(chǎng)，建立了一套室溫的磁制冷樣機(jī)（原理機(jī)）系統(tǒng)。該機(jī)設(shè)計(jì)較為，在磁制冷循環(huán)過程中能量損失很小，制冷效率很高（實(shí)際效率可達(dá)卡諾循環(huán)的30%）。
三、我國(guó)空間低溫制冷技術(shù)的現(xiàn)狀
我國(guó)的空間制冷技術(shù)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已研制成功了空間輻射制冷器、斯特林制冷機(jī)、脈沖管制冷機(jī)、固體制冷器、逆布雷頓制冷機(jī)等多種制冷設(shè)備，取得了一系列重要成就，建立了完整的航天工程體系。目前輻射制冷器依然是我國(guó)實(shí)用型遙感衛(wèi)星的主要制冷方式。
如群壇空調(diào)網(wǎng)在逆布雷頓制冷技術(shù)研究方面也進(jìn)行了探索；在深低溫機(jī)械制冷技術(shù)研究方面，浙江大學(xué)和中科院理化所采用多級(jí)脈管制冷機(jī)正在進(jìn)行探索。中科院理化所研制的雙級(jí)脈管制冷機(jī)，zui低制冷溫度已經(jīng)達(dá)到16.1 K，在20 K 可以提供80mW 制冷量,輸入功率200W。浙江大學(xué)研制的斯特林型兩級(jí)脈管制冷機(jī)zui低制冷溫度達(dá)到14.2 K。然而，在空間極低溫制冷溫區(qū)，我國(guó)還處于一片空白。
四、空間低溫制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)其發(fā)展的建議
從國(guó)外航天技術(shù)發(fā)展來看，由于空間宇宙背景的“冷黑”條件，為了實(shí)現(xiàn)有效觀測(cè)與探測(cè)，均把低溫制冷技術(shù)作為關(guān)鍵的一項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)。從制冷技術(shù)的發(fā)展來看，從早期以被動(dòng)制冷方式為主，逐步向多級(jí)機(jī)械制冷機(jī)為主的主動(dòng)式制冷方式轉(zhuǎn)化；從單一的制冷方法向多種制冷方法復(fù)合制冷方式轉(zhuǎn)變［8］。在極低溫區(qū)從開式制冷向長(zhǎng)壽命的閉式循環(huán)制冷方式轉(zhuǎn)化；從間斷工作向連續(xù)工作方式轉(zhuǎn)化。在空間低溫技術(shù)研究方面，我國(guó)與*技術(shù)的差距很大。隨著我國(guó)空間技術(shù)的發(fā)展，為低溫科技工作者帶來機(jī)遇與挑戰(zhàn)，不僅要為航天器提供滿足工作溫度要求的可靠冷源，還要掌握低溫制冷系統(tǒng)的空間應(yīng)用與熱集成技術(shù)，有效地解決制冷設(shè)備的安裝與散熱、與冷焦面耦合技術(shù)、電磁兼容性、工作模式和系統(tǒng)控制等問題。根據(jù)不同的冷卻對(duì)象和要求，進(jìn)行系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，滿足各類長(zhǎng)壽命航天器空間應(yīng)用要求。同時(shí)應(yīng)開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，包括深低溫制冷技術(shù)、被動(dòng)熱控制技術(shù)、低溫傳熱技術(shù)、絕熱技術(shù)、低溫測(cè)試技術(shù)、低溫過程材料等。在空間超流氦制冷技術(shù)研究方面，應(yīng)加大投入，進(jìn)行系統(tǒng)研究，綜合考慮空間應(yīng)用的特殊因素，提出總體技術(shù)方案和實(shí)施途徑，并加以實(shí)施。在現(xiàn)有機(jī)械制冷技術(shù)基礎(chǔ)上，及時(shí)啟動(dòng)空間多級(jí)機(jī)械制冷技術(shù)研究工作，以滿足未來深空探測(cè)技術(shù)的需求，為其空間應(yīng)用做好技術(shù)貯備。
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