【摘要】由于当前空间技术的快速发展，相应的空间低温制冷技术也在飞速的进步。本文通过国内外空间低温制冷技术的发展历程与最新研究进展，结合国内空间低温制冷技术的发展现状，在体现出开展空间制冷技术研究的重要性的同时，也对我国开展此类研究提出了几点意见和建议。
【关键词】 低温技术 空间制冷 低温制冷 航天器
随着人类空间技术的发展，各种航天器担负着探测研究天体和地球的任务。空间低温制冷技术主要是为卫星、飞船等航天器提供所需的低温条件技术,及其制冷设备长期稳定工作的控制技术和制冷设备与被冷却对象之间耦合技术。低温制冷系统作为对地遥感卫星和深空探测航天器不可缺少的重要组成部分，必须加大开发力度，以满足航天技术发展的急需。
一、对空间低温制冷技术的要求
探测器的噪声源主要有载流子热运动引起的热噪声、复合噪声和背景辐射噪声，降低探测器及其光学系统的温度可以有效地降低探测器的热噪声和背景辐射噪声，提高探测器的精度和灵敏度。一般来说探测器的波长越长，需要的制冷温度就越低。用于对地遥感的红外探测器，其工作温度在液氮温区就可取得较为满意的探测效果。而应用于宇宙背景探测、空间红外观测、毫米波亚毫米波探测、相对量测量以及空间磁场测量等深空探测和天文观测的航天器，其探测器和光学系统必须工作在液氢或液氦温区，有时甚至要工作在几十毫开的极低温区，才能降低探测器背景噪声和辐射干扰，获取分辨率较高的探测精度。此外采用量子超导干涉器件（SQUID）的高精度探测器也需要工作在1～8 K 这样极低的温度下。空间低温制冷系统对航天器或有效载荷设备的结构布局、功能有着重要的影响，它需要根据航天器的使命进行特殊的设计，以确保深空探测器有关的设备能够工作在合适的温度范围内。在进行低温制冷系统设计时除了考虑制冷系统的制冷温度、制冷功率、体积、质量、功耗等以外，还应满足以下条件的约束：①航天器从发射到完成任务所经历的力学环境和热真空环境，具有较强的环境适应能力；②3年以上的工作寿命和空间长期免维护可靠性的工作要求；③自身产生的振动、噪声和电磁干扰小；④空间微重力工作状态；⑤适应航天器工作模式的要求。
二、空间低温制冷技术的发展
空间低温制冷机根据工作方式可分为主动式热泵循环和被动式制冷这两种工作方式。通过制冷机做功把热量从低温端向高温端输运，并在冷温空间中排放，以获得有效的制冷量的方式称为主动式热泵循环制冷系统。通过辐射换热或者存贮的低温制冷剂的相变换热，为被冷却对象提供有效冷源的方式称为被动式制冷。目前，适应航天器应用的低温制冷设备主要有辐射制冷器、固体制冷器、超流氦杜瓦、机械制冷机，以及吸附式制冷机、3He-4He稀释制冷机和绝热去磁制冷机等。
自1966年首次在美国获得成功应用后，已先后开发成功了适合不同轨道的多种的类型辐射制冷器，制冷温度由200K降低到80K，制冷量从几毫瓦提高数百毫瓦级。
随着磁制冷技术的迅速发展，其研究工作也逐步从低温向高温发展。1976年，美国NASALewis和G.V.Brown首先采用金属Gd为磁制冷介质，采用Stiring循环，在7T磁场下进行了室温磁制冷试验，开创了室温磁制冷的新纪元。1996年12月宇航公司的工程师CarlZimm研制的室温磁制冷样机取得了突破性进展。他们采用了3kg稀上金属作为磁工质，以水(加防冻剂)作为传热介质，以NbTi超导磁体产生磁化场，建立了一套室温的磁制冷样机(原理机)系统。该机设计较为完美，在磁制冷循环过程中能量损失很小，制冷效率很高(实际效率可达卡诺循环的30%)。
三、我国空间低温制冷技术的现状
我国的空间制冷技术经过40多年的发展，已研制成功了空间辐射制冷器、斯特林制冷机、脉冲管制冷机、固体制冷器、逆布雷顿制冷机等多种制冷设备，取得了一系列重要成就，建立了完整的航天工程体系。目前辐射制冷器依然是我国实用型遥感卫星的主要制冷方式。
如西安交通大学在逆布雷顿制冷技术研究方面也进行了探索；在深低温机械制冷技术研究方面，浙江大学和中科院理化所采用多级脉管制冷机正在进行探索。中科院理化所研制的双级脉管制冷机，最低制冷温度已经达到16.1 K，在20 K 可以提供80mW 制冷量,输入功率200W。浙江大学研制的斯特林型两级脉管制冷机最低制冷温度达到14.2 K。然而，在空间极低温制冷温区，我国还处于一片空白。
四、空间低温制冷技术的发展趋势及对其发展的建议
从国外航天技术发展来看，由于空间宇宙背景的“冷黑”条件，为了实现有效观测与探测，均把低温制冷技术作为关键的一项技术进行开发。从制冷技术的发展来看，从早期以被动制冷方式为主，逐步向多级机械制冷机为主的主动式制冷方式转化；从单一的制冷方法向多种制冷方法复合制冷方式转变［8］。在极低温区从开式制冷向长寿命的闭式循环制冷方式转化；从间断工作向连续工作方式转化。在空间低温技术研究方面，我国与国外先进技术的差距很大。随着我国空间技术的发展，为低温科技工作者带来机遇与挑战，不仅要为航天器提供满足工作温度要求的可靠冷源，还要掌握低温制冷系统的空间应用与热集成技术，有效地解决制冷设备的安装与散热、与冷焦面耦合技术、电磁兼容性、工作模式和系统控制等问题。根据不同的冷却对象和要求，进行系统综合设计，满足各类长寿命航天器空间应用要求。同时应开展相关技术的研究工作，包括深低温制冷技术、被动热控制技术、低温传热技术、高效绝热技术、低温测试技术、低温过程材料等。在空间超流氦制冷技术研究方面，应加大投入，进行系统研究，综合考虑空间应用的特殊因素，提出总体技术方案和实施途径，并加以实施。在现有机械制冷技术基础上，及时启动空间多级机械制冷技术研究工作，以满足未来深空探测技术的需求，为其空间应用做好技术贮备。
参考文献：
［1］洪国同，余兴恩，李正宇. 低温工程［J］. 超流氦气液相分离器实验装置研制，2004,（1）.
［2］赵密广，杨鲁伟，梁惊涛. 16.1 K 的高频两级脉冲管制冷机的实验研究［J］. 工程热物理学报，2007，（7）.