空间环模设备用大口径制冷机低温泵研制技术现状和发展

一、引言

空间环模设备通过模拟太空的高真空、极端温度、辐射等环境特性，为航天器研制提供关键试验数据支撑。其中，真空系统的性能直接影响模拟环境的真实性，而大口径制冷机低温泵凭借无油污染、抽速大、运行稳定等优势，已成为大型空间环模设备的主抽泵选型。这类低温泵需同时满足大口径（通常 ⩾35 英寸）、深低温（ ⩽20K ）、低振动（ (⩽0.1g ）和长寿命（ ⩾8000 小时连续运行）等多重技术指标，其研制涉及热力学、材料科学、自动控制等多学科交叉融合，是衡量空间模拟技术水平的重要标志[1]。

二、大口径制冷机低温泵研制技术现状

（一）结构设计与材料应用

大口径低温泵的结构设计需平衡冷量传输效率与机械稳定性。目前主流设计采用异质金属复合结构，通过真空钎焊工艺实现铜管件与不锈钢管芯的套接连接，其中不锈钢管芯壁厚控制在 5mm 以保证强度，铜管件壁厚 2.5-3mm 以优化导热性能，配合 Sn 基软钎料层解决热膨胀系数差异导致的焊接裂纹问题。冷头布局采用分区对称设计，通过增大低温吸附表面积（通常 ⩾1.5m² ）提升抽气效率，同时采用内屏蔽铜罩与外屏蔽铜罩的双层结构减少热辐射干扰。

材料选择上，低温吸附表面多采用高比表面积活性炭或分子筛，在 20K 温度下可将气体蒸汽压降至 10^-7Pa 量级。结构材料则向轻量化方向发展，通过铝合金框架与钛合金连接件的组合应用，在保证强度的前提下降低设备自重，适应空间环模设备的负载要求。

（二）制冷系统技术演进

制冷系统是低温泵的核心动力源，目前形成了斯特林制冷机、GM 循环制冷机和脉冲管制冷机三大技术路线。斯特林制冷机凭借结构紧凑（体积较传统机型减小 30% ）和制冷效率高（COP 值达 5.2）的优势，在中小口径设备中应用广泛；GM 循环制冷机则以大冷量输出为特点， 88.9cm 和 121.92cm 口径型号的制冷量分别可达 12W@20K 和 25W@20K，成为大型空间环模设备的主力机型[2]。

脉冲管制冷机因无运动部件的特性成为新热点，通过波纹管连接实现被动减振，配合减振沙箱与吸声材料包覆的柔性软管，可将振动传递量降低至 0.01g 以下。最新研制的三级脉冲管制冷系统已实现 1.5K 以下超低温，降温时间控制在 60 分钟以内，为深空探测环境模拟提供了技术支撑。

（三）真空控制与智能化技术

真空控制系统采用多传感器融合方案，温度控制精度达到 ±0.1^qC ，真空度监测分辨率可达 10^-8Pa 量级。98%的新型设备配备物联网模块，通过 Modbus/TCP 协议实现远程监控、故障预警和能耗分析，结合数字孪生技术构建虚拟运维平台，使设备综合管理效率提升 40% 。

在流程优化方面，自动变负荷调节技术实现抽速的动态适配，当真空度达到 10^-6Pa 时自动切换至低功耗模式，较传统定频运行节能 32‰ 。振动监测系统通过压电陶瓷传感器与数字信号处理器的实时联动，可在 50ms 内响应异常振动并触发补偿机制。

三、当前面临的技术瓶颈

（一）热负荷均匀性控制难题

大口径化导致的热负荷分布不均问题突出，边缘区域与中心区域的温差可达 5-8K，影响吸附效率的一致性。现有分区制冷方案虽能将温差缩小至 3K 以内，但增加了系统复杂度和能耗，如何在直径超 1.2m 的冷头上实现 ⩽2K 的温差控制，成为制约口径进一步扩大的关键瓶颈[3]。

（二）长周期运行可靠性挑战

空间环模设备要求低温泵连续无故障运行时间不低于 8000 小时，但长时间运行导致的吸附性能

衰减（约 15%/1000 小时）和材料疲劳问题尚未完全解决。制冷机冷头的结霜累积会使抽速下降20%-30% ，而频繁再生操作又会缩短设备寿命，平衡抽气效率与运行周期成为工程化应用的难点。

（三）多场耦合干扰问题

设备运行中面临热、力、振动多场耦合影响：制冷机振动通过管路传递至真空腔体，可能导致模拟试验数据偏差；温度梯度引起的结构应力会造成焊缝疲劳；真空环境下材料放气率的升高进一步增加了真空维持难度。现有减振方案虽能降低振动影响，但对极端工况下的多场耦合抑制效果仍需提升。

四、技术发展趋势

（一）高效节能技术升级

制冷系统向无油化、低功耗方向发展，磁悬浮轴承技术渗透率预计从 2023 年的 18% 提升至 2030年的 35% ，配合变频控制模块国产化（2028 年自给率有望达 80% ），可使设备能效比提升 25% 以上。氦气回收系统的集成应用将减少制冷剂消耗，预计到 2030 年相关技术市场规模可达 50 亿元，大幅降低运行成本。

（二）智能化与可靠性提升

基于 AI 的自适应控制技术将实现真空度、温度、振动的多参数协同调控，通过分析设备运行大数据提前 72 小时预警潜在故障。区块链技术的引入可实现温度波动与真空度变化的全程追溯，结合3D 可视化运维平台，使设备综合可用性提升至 95% 以上。

（三）新材料与新结构创新

纳米吸附材料的应用将使比表面积提升 50% ，配合宽温区复合制冷系统（20K-300K），实现变温切换效率提升 40% 。异质金属焊接技术向激光钎焊方向发展，目标将焊合率从当前的 92% 提高至 99% 以上，同时开发耐低温（≤4K）的新型复合材料，解决传统材料在深低温下的脆性问题。

（四）集成化设计理念普及

采用“泵-腔一体化”设计减少管路连接，通过数值仿真优化冷头流场分布，使大口径设备的重量降低 20‰ 。模块化制冷单元的标准化接口设计，可实现不同口径设备的快速适配，满足空间环模设备多场景模拟需求。

五、结论

大口径制冷机低温泵作为空间环模设备的核心子系统，其技术发展直接支撑航天器地面模拟试验的能力提升。当前在结构设计、制冷效率和智能控制等方面已取得显著突破——结构设计采用异质金属复合钎焊工艺优化冷头热传导路径，制冷效率上三级脉冲管制冷系统实现 1.5K 超低温输出，智能控制融入物联网模块实现真空度与温度实时远程监控

未来通过高效节能技术升级、智能化运维体系构建和新材料应用，将推动低温泵向“更高真空、更低能耗、更长寿命、更优适配”方向发展。随着航天工程对空间环境模拟精度要求的不断提高，大口径低温泵技术将在深低温制冷、多场耦合抑制等领域实现新突破，为我国航天事业高质量发展提供关键技术保障。

参考文献

[1]刘国青,黄本诚,邹定忠.大型氦制冷低温真空系统的设计研究[J].真空,2000,12(04):27-30.

[2]茹晓勤,祁妍,吴树迎.用制冷机低温泵获得清洁无油高真空[J].航天器环境工程,2006,14(02):119-121.

[3]邹定忠,陈欣昔.在 70m3 容器中获得 5×10–8Pa 的超高真空[J].环模技术,1999,21(04):17-26.