Đây là một thứ nhìn rất kín đáo. Nó chỉ có kích thước bằng lòng bàn tay, và hơi nặng trên tay. Hình dạng của nó khá đặc biệt. Một ống kim loại mỏng giống như một cái sào, mang hai hình trụ kim loại dày, và một trong hai hình trụ kim loại đó được nối tiếp bởi một nửa ống mỏng hơn ngón tay út một chút.
Một trong những tủ lạnh ống xung cấp - hàng không vũ trụ
Zhao Miguang, một nhà nghiên cứu tại Viện Vật lý và Hóa học thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc (gọi tắt là Viện Vật lý và Hóa học thuộc Học viện Khoa học Trung Quốc), cho biết để làm ra thứ này sẽ tốn khoảng một triệu nhân dân tệ. Hiện nay. Tuy nhiên, trước năm 2000, nước ngoài sẽ không bán nó cho Trung Quốc, cho dù nó có giá bao nhiêu.
It is the "cooling artifact" that has plagued China's optical remote sensing satellites for decades - the aerospace-grade pulse tube refrigerator, a high-tech product that can quickly reduce the local temperature to minus 200 degrees Celsius and will not be damaged for many years.
Its birth and development in China benefited from a "long run" by researchers from the Chinese Academy of Sciences.
Hạ nhiệt xuống âm 200 độ C trong vài phút
Vào ngày 25 tháng 1, vệ tinh ZY - 1 02E được trang bị ba tủ lạnh ống xung - sản xuất trong nước đã thu được thành công hình ảnh chất lượng cao -. Ba tủ lạnh ống xung này là tủ lạnh ống xung cấp hàng không vũ trụ thứ 26, 27 và 28 được phát triển bởi Viện Vật lý và Hóa học thuộc Viện Khoa học Trung Quốc và được sử dụng thành công trong các dự án vũ trụ.
The new crown epidemic has made many people aware of "infrared temperature measurement" technology. When the human body passes through the thermal imaging camera, the hot spots on the body will appear red. In order to measure the temperature of the earth and the atmosphere, many meteorological satellites are also equipped with infrared detectors. However, due to the distance from the target detection object, the infrared detector on the satellite needs to maintain a low temperature or even an extremely low temperature level in order to detect the slightest heat change on the distant target.
Vì vậy, làm thế nào để giữ đầu dò hồng ngoại trên vệ tinh ở trạng thái nhiệt độ thấp? Các nhà khoa học đã phát minh ra hai loại công nghệ làm lạnh, một là công nghệ làm lạnh bức xạ thụ động, dựa trên nguyên tắc: vật thể có nhiệt độ - cao có thể bức xạ năng lượng cho vật thể có nhiệt độ - thấp; loại kia là cơ khí lạnh chủ động, nguyên lý là làm cho khí thông qua chuyển động cơ học. sự nở ra, và hiện tượng lạnh đi xảy ra khi chất khí nở ra.
"The cooling temperature of radiation cooling is high and the cooling capacity is small. Although it can be used to cool small detectors, it cannot meet the higher requirements for low temperature of aerospace devices. In contrast, mechanical cooling technology is more feasible." Chinese Academy of Sciences Physics and Chemistry Chen Houlei, a researcher at the institute, told the China Science Journal.
Công nghệ làm lạnh ống xung là một loại công nghệ làm lạnh cơ khí. Năm 1963, các nhà khoa học Mỹ tình cờ phát hiện ra rằng khi có sóng áp suất xen kẽ trong một ống rỗng, đầu kín của nó sẽ nóng lên, và một gradient nhiệt độ lớn có thể hình thành dọc theo hướng trục của ống. Dựa trên điều này, họ đã phát triển một hệ thống làm lạnh ống xung. máy móc. Năm 1984, các nhà khoa học Liên Xô đã cải tiến tủ lạnh dạng ống xung, giúp cải thiện đáng kể hiệu quả làm lạnh của nó, đồng thời nhiệt lượng nghiên cứu liên quan cũng tăng lên.
Pointing to the pulse tube refrigerator in his hand, Chen Houlei introduced: "This part similar to the little finger is called the 'cold finger'. This small refrigerator can reduce the fingertip to minus 200 in a few minutes. Celsius. We put the probe on the fingertip, and when the temperature of the probe cools down, we can see the earth clearly."
Từ lý thuyết đến kỹ thuật
In the 1980s, the Cryogenic Technology Experiment Center of the Chinese Academy of Sciences (one of the units of the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences) took the lead in starting the basic research on pulse tube refrigeration technology in China. By the 1990s, they had set the record for the lowest refrigeration temperature several times, achieved a series of original achievements, and won the "Kapicha Award" and "Linde Award" of the International Society of Refrigeration.
In 1998, the United States was the first to engineer pulse-tube refrigerators for use in space programs. Although my country has achieved world-leading results in the basic research of pulse tube refrigeration, optical remote sensing satellites have been suffering from lack of their own space refrigerators. "At that time, the research and development unit could only import from abroad, and the aerospace-grade refrigerator was embargoed to our country. The research and development unit could only try every way to buy the ground-level refrigerator." Zhao Miguang said.
The reason for saying "bitter" is that the lifespan of imported ground-level refrigerators is less than 1/10 of that of aerospace-grade refrigerators, and problems often occur, and after satellites are launched, they cannot be repaired at any time like they are on the ground. Once on-orbit failure, the country may pay a huge price.
Vào cuối những năm 1990, với sự hỗ trợ của Quỹ Khoa học Quốc gia dành cho các học giả trẻ xuất sắc, Viện Khoa học Trung Quốc và các bộ phận liên quan khác, nhóm nghiên cứu của Viện Vật lý và Hóa học thuộc Viện Khoa học Trung Quốc bắt đầu chuyển sang nghiên cứu ứng dụng. nói chung. Trước nhu cầu lớn trong lĩnh vực viễn thám không gian quốc gia và phát hiện tia hồng ngoại, họ đã bước ra khỏi đống giấy tờ cũ và thực hiện nghiên cứu về kỹ thuật tủ lạnh ống xung và các ứng dụng không gian. Bắt đầu từ năm 2000, nhóm nghiên cứu đã nhận được sự hỗ trợ có hệ thống từ Cơ quan Vũ trụ Quốc gia.
The road from theory to engineering is full of challenges. "What we want to do is aerospace-grade products. If the refrigerator will work in the sky in the future, it must be guaranteed that it will not break for 8 years, 10 years or even longer." Chen Houlei said.
Tủ lạnh chứa đầy khí heli và chúng phải đảm bảo tỷ lệ rò rỉ phân tử heli rất thấp thông qua công nghệ hàn và niêm phong đáng tin cậy. Sự nén và giãn nở của chất khí phụ thuộc vào piston. Chúng phải làm cho piston và thành xi lanh vừa khít và không - tiếp xúc, để đảm bảo rằng piston không bị mòn khi không thể sử dụng dầu. Chuyển động của pít-tông được hỗ trợ bởi một lò xo phẳng, và họ phải tìm mọi cách để đảm bảo rằng lò xo không bị cong, chưa nói đến việc bị gãy.
Every "must" means a pressure. "At that time, we encountered some problems, and we couldn't move forward for a long time, and everyone's morale was very low." Zhao Miguang said.
Summarize the progress at 8:00 in the morning, and leave work at 12:00 in the evening. In this way, 8 years have passed. In the past 8 years, Riyuexingchen has witnessed their road to tackling key problems: the pulse tube refrigerator they developed achieved full welding of titanium alloys; the distance between the piston and the cylinder reached the micron level; the leaf spring can move 100 in the anti-fatigue test. More than 100 million times, there is even a spring's anti-fatigue test "running" for more than 10 years, and there is no problem so far.
28 tủ lạnh ống xung đã được đưa vào sử dụng
In 2008, under the leadership of researcher Liang Jingtao, the current director of the Key Laboratory of Space Work-Heat Conversion Technology, Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, the scientific research team developed my country's first long-life pulse tube refrigerator in space, and successfully carried out on-orbit verification. The refrigerator has achieved a historic leap from scratch, from tracking to entering the latest international development stage, and my country has thus become the second country after the United States to master the space pulse tube refrigeration technology.
Since then, the "stumbling block" in the development of optical satellites in the infrared spectrum has been kicked away, and the planning and demonstration of a series of satellite models in the country has been in full swing.
Technological innovation creates demand, which in turn drives technological development. In the following ten years, the development of my country's spaceborne infrared detectors has continuously put forward higher requirements for spaceborne pulse tube refrigerators.
Vào ngày 9 tháng 5 năm 2018, vệ tinh Gaofen-5 đã được phóng thành công. Nó được trang bị một tủ lạnh dạng ống xung với khả năng làm lạnh lớn và tuổi thọ cao do Viện Vật lý và Hóa học thuộc Viện Khoa học Trung Quốc phát triển.
This satellite carries my country's first full-spectrum spectral imager covering the visible, near-infrared, short-wave, medium-wave, and long-wave infrared spectrum bands. Compared with previous optical detectors, it is larger and heavier. In order to adapt to the demand, the chiller project team boldly adopted a new solution. The chiller could only carry the cold finger of the cold platform with a size of more than ten millimeters and a weight of a few grams, and designed it into a detector assembly with a size of one hundred millimeters and a weight of one kilogram. .
Trong vài năm đầu, con đường biến thiết kế thành hiện thực rất gập ghềnh. Tuy nhiên, càng trải qua nhiều thất bại, niềm vui thành công càng trở nên khó quên.
"This is a new international initiative!" Chen Houlei's eyes lit up when he said this.
At 11:11 on December 26, 2021, the "Ziyuan No. 1 02E" satellite was successfully launched at the Taiyuan Satellite Launch Center. The long-wave infrared detector carried on it must work in a low temperature environment of minus 193 degrees Celsius. The spectral imager on Gaofen-5 is larger and requires twice the cooling area of the pulse-tube refrigerator.
During the development process, researchers encountered unprecedented difficulties. "The design life of the 'Zuanyu No. 1 02E' satellite is 10 years, which is higher than the previous 8-year life requirement. In order to meet the project requirements, we proposed a plan to use the switching device to backup the compressor. In the case of increasing the limited weight, the large It greatly improves the life of the refrigerator." Liu Yanjie, the chief designer of this pulse tube refrigerator and an associate researcher at the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, told the China Science Journal.
"During the design of the cold finger, the large-area cold plate we used had a deformation problem due to thermal expansion and contraction, and the detector on it was easily broken." The cold finger designer of this pulse tube refrigerator, Quan Jia, an associate researcher at the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, recalled that after countless discussions and debugging, they made a new material match for the cold plate and finally solved the problem.
Ngày nay, họ đã phát triển tủ lạnh ống xung cấp - hàng không vũ trụ với nhiều hình dạng và hiệu suất khác nhau, trong đó 28 chiếc đã được phóng lên quỹ đạo.
Mọi dự án đều chứa đầy thách thức và những thách thức này là động lực thúc đẩy nhóm phát triển tủ lạnh ống xung.
"We are developing more advanced space low-temperature refrigeration technology with a cooling capacity of more than 100 watts, a temperature close to absolute zero, and a weight as low as a few hundred grams." Liang Jingtao said that the team will build on the successful development of the space pulse tube refrigerator. Continue to carry forward the spirit of "daring to challenge and fight hard", bravely assume "national responsibility", and forge ahead to meet the needs of low-temperature refrigeration in future spaces.
On the development road of aerospace-grade cryogenic refrigerator technology, this "long run" continues.
