Dit ziet er erg onopvallend uit. Het is slechts de grootte van een handpalm en het is een beetje zwaar voor de hand. Zijn vorm is heel bijzonder. Een dunne metalen buis is als een paal en draagt twee dikke metalen cilinders, en een van de metalen cilinders wordt gevolgd door een halve buis die iets dunner is dan de pink.
Een van de ruimtevaart-pulsbuiskoelkasten
Zhao Miguang, een onderzoeker aan het Institute of Physics and Chemistry van de Chinese Academy of Sciences (hierna het Institute of Physics and Chemistry van de Chinese Academy of Sciences genoemd), zei dat het ongeveer een miljoen yuan zou kosten om dit ding te maken. nu. Maar vóór 2000 wilden het buitenland het niet aan China verkopen, hoeveel het ook kostte.
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.
Afkoelen tot min 200 graden Celsius in een paar minuten
Op 25 januari heeft de ZY-1 02E-satelliet, uitgerust met drie in eigen land gemaakte-pulsbuiskoelkasten, met succes beelden van hoge-kwaliteit verkregen. Deze drie pulsbuiskoelkasten zijn de 26e, 27e en 28e pulsbuiskoelkasten van ruimtevaartkwaliteit, ontwikkeld door het Institute of Physics and Chemistry van de Chinese Academie van Wetenschappen en met succes gebruikt in ruimteprojecten.
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.
Dus, hoe de infrarooddetector op de satelliet in een lage temperatuurstaat te houden? Wetenschappers hebben twee soorten koelingstechnologieën uitgevonden. De ene is passieve stralingskoeling, die is gebaseerd op het principe dat objecten met een hoge-temperatuur energie kunnen uitstralen naar objecten met een lage-temperatuur; de andere is actieve mechanische koeling, het principe is om gas te maken door mechanische beweging. uitzetting, en het koelverschijnsel treedt op wanneer het gas uitzet.
"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.
Pulsbuiskoeltechnologie is een soort mechanische koeltechnologie. In 1963 ontdekten Amerikaanse wetenschappers bij toeval dat wanneer er een alternerende drukgolf in een holle buis is, het gesloten uiteinde ervan zal opwarmen en een grote temperatuurgradiënt kan worden gevormd langs de axiale richting van de buis. Op basis hiervan ontwikkelden ze een pulsbuiskoeling. machine. In 1984 transformeerden Sovjetwetenschappers de pulsbuiskoelkast, waardoor de koelefficiëntie aanzienlijk verbeterde, en de gerelateerde onderzoekswarmte nam ook toe.
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."
Van theorie tot techniek
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.
In de late jaren 1990, met de steun van het National Science Fund for Distinguished Young Scholars, de Chinese Academie van Wetenschappen en andere relevante afdelingen, begon het onderzoeksteam van het Instituut voor Natuurkunde en Scheikunde van de Chinese Academie van Wetenschappen om te zetten in toegepast onderzoek Als geheel. Geconfronteerd met de grote behoeften op het gebied van remote sensing en infrarooddetectie in de nationale ruimte, stapten ze uit de stapel oude papieren en deden onderzoek naar de engineering van pulsbuiskoelkasten en ruimtetoepassingen. Vanaf 2000 kreeg het team systematische steun van de National Space Agency.
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.
De koelkasten zijn gevuld met heliumgas en moeten door betrouwbare las- en afdichtingstechnologie zorgen voor een zeer lage lekkage van heliummoleculen. De compressie en expansie van het gas is afhankelijk van de zuiger. Ze moeten ervoor zorgen dat de zuiger en de cilinderwand zowel dicht als niet-contact maken, om ervoor te zorgen dat de zuiger niet slijt als er geen olie kan worden gebruikt. De beweging van de zuiger wordt ondersteund door een platte veer, en ze moeten manieren vinden om ervoor te zorgen dat de veer niet scheef gaat staan, laat staan kapot gaat.
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 pulse tube koelkasten zijn in gebruik genomen
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.
Op 9 mei 2018 werd de Gaofen-5-satelliet met succes gelanceerd. Het was uitgerust met een pulsbuiskoelkast met een grote koelcapaciteit en een lange levensduur, ontwikkeld door het Instituut voor Natuurkunde en Scheikunde van de Chinese Academie van Wetenschappen.
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. .
In de eerste jaren was de weg naar de realisatie van het ontwerp hobbelig. Hoe meer mislukkingen je echter ervaart, hoe onvergetelijker de vreugde van succes wordt.
"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.
Tegenwoordig hebben ze pulsbuiskoelkasten van ruimtevaart-kwaliteit in verschillende vormen en uitvoeringen ontwikkeld, waarvan er 28 in een baan om de aarde zijn gelanceerd.
Elk project zit vol uitdagingen, en deze uitdagingen zijn de drijvende kracht achter het ontwikkelingsteam van de pulse tube-koelkast.
"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.
