นี่เป็นสิ่งที่ดูไม่เด่นมาก มันมีขนาดเท่าฝ่ามือและหนักมือเล็กน้อย รูปร่างของมันค่อนข้างพิเศษ ท่อโลหะบาง ๆ เปรียบเสมือนเสาที่บรรทุกกระบอกสูบโลหะหนาสองอัน และหนึ่งในกระบอกสูบโลหะนั้นตามด้วยท่อที่บางกว่านิ้วก้อยเล็กน้อย
หนึ่งใน-ตู้เย็นหลอดพัลส์เกรดเกรดอากาศยาน
Zhao Miguang นักวิจัยจาก Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences (ต่อไปนี้จะเรียกว่า Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences) กล่าวว่าจะใช้เงินประมาณหนึ่งล้านหยวนในการทำสิ่งนี้ ตอนนี้. อย่างไรก็ตาม ก่อนปี 2000 ต่างประเทศจะไม่ขายให้จีนไม่ว่าจะราคาเท่าไร
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.
เย็นลงถึงลบ 200 องศาเซลเซียสในไม่กี่นาที
เมื่อวันที่ 25 มกราคม ดาวเทียม ZY-1 02E ที่ติดตั้งตู้เย็นหลอดพัลส์ซึ่งผลิตในประเทศ-สามตู้ประสบความสำเร็จในการได้รับ-ภาพคุณภาพสูง ตู้เย็นหลอดพัลส์ทั้งสามนี้เป็นตู้เย็นหลอดชีพจรระดับ 26, 27 และ 28 สำหรับยานอวกาศที่พัฒนาโดยสถาบันฟิสิกส์และเคมีแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน และใช้ในโครงการอวกาศได้อย่างประสบความสำเร็จ
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.
ดังนั้นจะรักษาเครื่องตรวจจับอินฟราเรดบนดาวเทียมให้อยู่ในสถานะอุณหภูมิต่ำได้อย่างไร? นักวิทยาศาสตร์ได้คิดค้นเทคโนโลยีทำความเย็นสองประเภท แบบแรกคือการทำความเย็นแบบแผ่รังสีแบบพาสซีฟ ซึ่งอยู่บนหลักการที่ว่า-วัตถุที่มีอุณหภูมิสูงสามารถแผ่พลังงานไปยัง-วัตถุที่มีอุณหภูมิต่ำ อีกประการหนึ่งคือการทำความเย็นเชิงกลแบบแอคทีฟ หลักการคือทำให้ก๊าซผ่านการเคลื่อนไหวทางกล การขยายตัวและปรากฏการณ์ความเย็นเกิดขึ้นเมื่อก๊าซขยายตัว
"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.
เทคโนโลยีการทำความเย็นแบบหลอดพัลส์เป็นเทคโนโลยีทำความเย็นเชิงกลชนิดหนึ่ง ในปีพ.ศ. 2506 นักวิทยาศาสตร์ชาวอเมริกันค้นพบโดยบังเอิญว่าเมื่อมีคลื่นแรงดันสลับกันในท่อกลวง ปลายปิดของมันจะร้อนขึ้น และสามารถไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ตามแนวแกนของท่อได้ ด้วยเหตุนี้พวกเขาจึงพัฒนาเครื่องทำความเย็นแบบหลอดพัลส์ เครื่องจักร. ในปี 1984 นักวิทยาศาสตร์ของสหภาพโซเวียตได้เปลี่ยนตู้เย็นแบบหลอดพัลส์ซึ่งปรับปรุงประสิทธิภาพการทำความเย็นอย่างมาก และความร้อนในการวิจัยที่เกี่ยวข้องก็เพิ่มขึ้นด้วย
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."
จากทฤษฎีสู่วิศวกรรม
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.
ในช่วงปลายทศวรรษ 1990 ด้วยการสนับสนุนของ National Science Fund for Distinguished Young Scholars, Chinese Academy of Sciences และแผนกอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง ทีมวิจัยของ Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences ได้เริ่มแปรสภาพเป็นการวิจัยประยุกต์ โดยรวม เมื่อเผชิญกับความต้องการที่สำคัญในด้านการสำรวจระยะไกลในอวกาศแห่งชาติและการตรวจจับด้วยอินฟราเรด พวกเขาจึงก้าวออกจากกองเอกสารเก่าและดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับวิศวกรรมของตู้เย็นหลอดพัลส์และการใช้งานในอวกาศ เริ่มตั้งแต่ปี 2543 ทีมงานได้รับการสนับสนุนอย่างเป็นระบบจากสำนักงานอวกาศแห่งชาติ
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.
ตู้เย็นเต็มไปด้วยก๊าซฮีเลียม และจะต้องทำให้มั่นใจว่าโมเลกุลฮีเลียมมีอัตราการรั่วไหลที่ต่ำมากผ่านเทคโนโลยีการเชื่อมและการปิดผนึกที่เชื่อถือได้ การบีบอัดและการขยายตัวของแก๊สขึ้นอยู่กับลูกสูบ ต้องทำให้ลูกสูบและผนังกระบอกสูบทั้งชิดและไม่-สัมผัสกัน เพื่อให้แน่ใจว่าลูกสูบจะไม่สึกหรอเมื่อไม่สามารถใช้น้ำมันได้ การเคลื่อนที่ของลูกสูบได้รับการสนับสนุนโดยสปริงแบน และพวกเขาต้องหาวิธีเพื่อให้แน่ใจว่าสปริงจะไม่คดเคี้ยว นับประสาหักเพียงอย่างเดียว
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.
ตู้เย็นหลอดพัลส์ 28 ตู้ เปิดให้บริการแล้ว
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.
เมื่อวันที่ 9 พฤษภาคม 2018 ดาวเทียม Gaofen-5 ประสบความสำเร็จในการเปิดตัว ติดตั้งตู้เย็นหลอดพัลส์ที่มีความสามารถในการทำความเย็นขนาดใหญ่และอายุการใช้งานยาวนานที่พัฒนาโดยสถาบันฟิสิกส์และเคมีแห่งสถาบันวิทยาศาสตร์จีน
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. .
ในช่วงสองสามปีแรก เส้นทางสู่การเปลี่ยนการออกแบบให้กลายเป็นความจริงนั้นเป็นหลุมเป็นบ่อ อย่างไรก็ตาม ยิ่งคุณประสบกับความล้มเหลวมากเท่าไหร่ ความสุขของความสำเร็จก็จะยิ่งน่าจดจำมากขึ้นเท่านั้น
"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.
วันนี้ พวกเขาได้พัฒนาตู้เย็นหลอดพัลส์เกรดเกรดสำหรับอากาศยาน-ที่มีรูปร่างและประสิทธิภาพที่หลากหลาย โดย 28 ตัวถูกปล่อยสู่วงโคจรแล้ว
ทุกโครงการเต็มไปด้วยความท้าทาย และความท้าทายเหล่านี้เป็นแรงผลักดันที่อยู่เบื้องหลังทีมพัฒนาตู้เย็นหลอดพัลส์
"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.