這是個(gè)看上去極不起眼的東西。它只有巴掌大小，掂在手上有些沉。它的造型挺特別，一根細細的金屬管像根扁擔一樣，挑著(zhù)兩頭有些粗的金屬柱體，其中一頭的金屬柱體上還接著(zhù)半截比小拇指略細的管子。
中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所（以下簡(jiǎn)稱(chēng)中科院理化所）研究員趙密廣說(shuō)，現在要做出這個(gè)東西，大概要花上百萬(wàn)元人民幣。不過(guò)，在2000年之前，無(wú)論花多少錢(qián)，國外都不肯把它賣(mài)給中國。
它就是曾經(jīng)困擾中國光學(xué)遙感衛星數十年的“降溫神器”——宇航級脈沖管制冷機，一個(gè)可以將局部溫度快速降低到零下200攝氏度，而且好多年都不會(huì )損壞的高科技產(chǎn)物。
它在中國的誕生和發(fā)展，得益于中科院科研人員的一場(chǎng)“長(cháng)跑”。
幾分鐘降溫到零下200攝氏度
1月25日，搭載了3臺國產(chǎn)脈沖管制冷機的“資源一號02E”衛星成功獲取了高質(zhì)量圖像。這3臺脈沖管制冷機是中科院理化所研制并成功應用于空間項目的第26、27、28臺宇航級脈沖管制冷機。
新冠疫情讓很多人認識了“紅外測溫”技術(shù)。當人體經(jīng)過(guò)熱像儀時(shí)，身體上熱的地方會(huì )顯示出紅色。為了給地球和大氣測溫，不少氣象衛星上也裝上了紅外探測器。
只不過(guò)，由于距離目標探測物遙遠，衛星上的紅外探測器需要保持低溫乃至極低溫水平，以便探出遙遠目標上一絲一毫的熱量變化。
那么，怎樣讓衛星上的紅外探測器處在低溫狀態(tài)呢？科學(xué)家們發(fā)明出了兩類(lèi)制冷技術(shù)，一類(lèi)是被動(dòng)式的輻射制冷，是基于高溫物體可以向低溫物體輻射能量的原理發(fā)明的；另一類(lèi)是主動(dòng)式的機械制冷，原理是通過(guò)機械運動(dòng)使氣體膨脹，而氣體膨脹時(shí)會(huì )出現降溫現象。
“輻射制冷的制冷溫度偏高、制冷量小，雖然可以用來(lái)冷卻小的探測器，卻無(wú)法滿(mǎn)足宇航器件對低溫的更高要求，相比之下，機械制冷技術(shù)更為可行?！敝锌圃豪砘芯繂T陳厚磊告訴《中國科學(xué)報》。
脈沖管制冷技術(shù)就是機械制冷技術(shù)的一種。
1963年，美國科學(xué)家偶然發(fā)現，當一根中空管子內存在交變壓力波時(shí)，它的封閉端會(huì )發(fā)熱，沿管軸向可形成很大的溫度梯度，基于此，他們研制出了脈沖管制冷機。
1984年，蘇聯(lián)科學(xué)家對脈沖管制冷機進(jìn)行改造，使其制冷效率提升一大截，相關(guān)研究熱度也隨之升溫。
指著(zhù)手里的脈沖管制冷機，陳厚磊介紹：“這個(gè)跟小拇指差不多的部位，叫‘冷指’（cold finger）。這種小的制冷機能在幾分鐘內就把指尖的部位降低到零下200攝氏度。我們把探測器裝在指尖上，探測器溫度降低之后就可以清楚地去看地球了?！?/p>
從理論走向工程
上世紀80年代，中科院低溫技術(shù)實(shí)驗中心（中科院理化所組成單位之一）在國內率先開(kāi)始了脈沖管制冷技術(shù)的基礎研究。
到上世紀90年代，他們已經(jīng)數次創(chuàng )造最低制冷溫度紀錄，取得一系列原創(chuàng )性成果，還曾獲得國際制冷學(xué)會(huì )“卡皮查獎”和“林德獎”。
1998年，美國率先將脈沖管制冷機工程化并用于空間項目。我國雖然在脈沖管制冷的基礎研究方面取得世界領(lǐng)先的成果，但是光學(xué)遙感衛星卻一直苦于沒(méi)有自己的空間制冷機。
“當時(shí)研制單位只能進(jìn)口國外的，而且宇航級制冷機對我國是禁運的，研制單位只能想盡各種辦法買(mǎi)地面級制冷機?！壁w密廣說(shuō)。
之所以說(shuō)“苦”，是因為進(jìn)口的地面級制冷機壽命不到宇航級的1/10，而且經(jīng)常會(huì )出問(wèn)題，而衛星升空之后，無(wú)法像在地面時(shí)那樣可以隨時(shí)修理。一旦在軌失效，就可能使國家付出巨大代價(jià)。
上世紀90年代后期，在國家杰出青年科學(xué)基金、中科院及其他有關(guān)部門(mén)的支持下，中科院理化所研究團隊開(kāi)始向應用研究整體轉型。
面向國家空間遙感和紅外探測領(lǐng)域的重大需求，他們從故紙堆中走出來(lái)，開(kāi)展脈沖管制冷機工程化和空間應用研究。從2000年開(kāi)始，團隊獲得了國家航天部門(mén)的系統性支持。
從理論走向工程的路上，處處都是挑戰?！拔覀円龅氖怯詈郊壆a(chǎn)品，制冷機未來(lái)要在天上工作，必須保證8年、10年乃至更長(cháng)時(shí)間不能壞?！标惡窭谡f(shuō)。
制冷機中充的是氦氣，他們必須通過(guò)可靠的焊接和密封技術(shù)，保證氦分子極低的泄漏率。
氣體的壓縮膨脹靠的是活塞，他們必須讓活塞和筒壁之間既接近又不接觸，保證活塞在不能用油的情況下不出現磨損?；钊\動(dòng)靠的是平面彈簧支撐，他們必須想方設法保證彈簧不歪，更不能斷。
每一項“必須”，都意味著(zhù)一份壓力?！爱敃r(shí)我們碰到了一些問(wèn)題，很長(cháng)一段時(shí)間都推進(jìn)不了，大家士氣一度很低落?！壁w密廣說(shuō)。
早晨8點(diǎn)匯總進(jìn)度，晚上12點(diǎn)下班，就這樣，8年時(shí)間過(guò)去了。這8年里，日月星辰見(jiàn)證了他們的攻關(guān)之路：他們研制的脈沖管制冷機實(shí)現鈦合金全焊接；活塞和氣缸之間的距離達到微米級別；板彈簧在抗疲勞試驗中能夠運動(dòng)100億次以上，甚至還有一個(gè)彈簧的抗疲勞試驗“跑”了10多年，至今沒(méi)出問(wèn)題。
28臺脈沖管制冷機已上天服役
2008年，在中科院理化所空間功熱轉換技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室現任主任梁驚濤研究員的帶領(lǐng)下，科研團隊研制出我國首臺空間長(cháng)壽命脈沖管制冷機，并成功進(jìn)行了在軌驗證，我國空間制冷機實(shí)現了從無(wú)到有、從跟蹤到進(jìn)入國際最新一代發(fā)展階段的歷史性跨越，我國也由此成為繼美國之后第二個(gè)掌握空間脈沖管制冷技術(shù)的國家。
此后，紅外譜段光學(xué)衛星發(fā)展的“攔路虎”被一腳踢開(kāi)，國家一系列衛星型號的規劃論證緊鑼密鼓展開(kāi)。
技術(shù)創(chuàng )新催生了需求，需求又反過(guò)來(lái)促進(jìn)了技術(shù)發(fā)展。隨后十多年里，我國星載紅外探測器的發(fā)展，對星載脈沖管制冷機不斷提出了更高要求。
2018年5月9日，高分五號衛星發(fā)射成功，其搭載了由中科院理化所研制的大冷量長(cháng)壽命脈沖管制冷機。
這顆衛星承載了我國首臺覆蓋可見(jiàn)光、近紅外光、短波、中波、長(cháng)波紅外譜段的全譜段光譜成像儀，相較以往的光學(xué)探測器，它更大也更重。
為了適應需求，制冷機項目組大膽采用新方案，將制冷機原本只能承載十幾毫米大小、幾克重量冷平臺的冷指，設計為可以承載百毫米級大小、一公斤重量的探測器組件。
最初幾年，將設計變成現實(shí)的道路是坎坷的。但是，經(jīng)歷的失敗越多，成功的喜悅就越發(fā)刻骨銘心。
“這是國際首創(chuàng )的新型方案！”說(shuō)這話(huà)時(shí)，陳厚磊的眼中閃著(zhù)光。
2021年12月26日11時(shí)11分，“資源一號02E”衛星在太原衛星發(fā)射中心成功發(fā)射，其上搭載的長(cháng)波紅外探測器必須在零下193攝氏度的低溫環(huán)境中工作，這臺探測器比高分五號上的光譜成像儀更大，對脈沖管制冷機冷卻面積的要求是高分五號的兩倍。
研制過(guò)程中，科研人員遇到了前所未有的難題?！啊Y源一號02E’衛星的設計壽命為10年，高于以往的8年壽命要求。為滿(mǎn)足項目需求，我們提出了利用切換裝置備份壓縮機的方案，在增加有限重量的情況下，大幅度提高了制冷機的壽命?！边@款脈沖管制冷機的主任設計師、中科院理化所副研究員劉彥杰告訴《中國科學(xué)報》。
“在冷指設計時(shí)，我們采用的大面積冷板因為熱脹冷縮而出現了變形問(wèn)題，承載其上的探測器很容易因此被折斷?！边@款脈沖管制冷機的冷指設計師、中科院理化所副研究員全加回憶，經(jīng)過(guò)無(wú)數次討論和調試，他們對冷板進(jìn)行了全新的材料匹配，最終解決了問(wèn)題。
如今，他們已研制出了形態(tài)、性能各異的宇航級脈沖管制冷機，其中發(fā)射入軌的有28臺。
每一個(gè)項目都充滿(mǎn)著(zhù)挑戰，這些挑戰成為脈沖管制冷機研制團隊前進(jìn)的動(dòng)力。
“我們正在研制冷量超過(guò)百瓦、溫度接近絕對零度、重量低至幾百克的更先進(jìn)的空間低溫制冷技術(shù)?！绷后@濤說(shuō)，團隊將以空間脈沖管制冷機的成功研制為基礎，繼續發(fā)揚“勇于挑戰，勇于拼搏”的精神，勇?lián)皣邑煛?，為滿(mǎn)足未來(lái)空間低溫制冷需求砥礪前行。
在宇航級低溫制冷機技術(shù)發(fā)展道路上，這場(chǎng)“長(cháng)跑”還在繼續。
