Esto es algo de aspecto muy discreto. Es solo del tamaño de una palma, y es un poco pesado en la mano. Su forma es bastante especial. Un tubo de metal delgado es como un poste, que lleva dos cilindros de metal gruesos, y uno de los cilindros de metal es seguido por la mitad de un tubo ligeramente más delgado que el dedo meñique.
Uno de los refrigeradores de tubo de pulso de grado aeroespacial
Zhao Miguang, investigador del Instituto de Física y Química de la Academia China de Ciencias (en lo sucesivo, el Instituto de Física y Química de la Academia china de Ciencias), dijo que costaría alrededor de un millón de yuanes hacer esto ahora. Sin embargo, antes del año 2000, los países extranjeros no lo vendían a China, sin importar cuánto costara.
Es el "artefacto de enfriamiento" que ha plagado los satélites de teledetección óptica de China durante décadas: el refrigerador de tubo de pulso de grado aeroespacial, un producto de alta tecnología que puede reducir rápidamente la temperatura local a menos 200 grados centígrados y no se dañará durante muchos años.
Su nacimiento y desarrollo en China se benefició de un "largo plazo" por parte de investigadores de la Academia China de Ciencias.
Enfríe a menos 200 grados centígrados en unos minutos
El 25 de enero, el satélite ZY-1 02E equipado con tres refrigeradores de tubo de pulso de fabricación nacional adquirió con éxito imágenes de alta calidad. Estos tres refrigeradores de tubo de pulso son los refrigeradores de tubo de pulso de grado aeroespacial 26, 27 y 28 desarrollados por el Instituto de Física y Química de la Academia de Ciencias de China y utilizados con éxito en proyectos espaciales.
La nueva epidemia de la corona ha hecho que muchas personas conozcan la tecnología de "medición de temperatura infrarroja". Cuando el cuerpo humano pasa a través de la cámara termográfica, los puntos calientes en el cuerpo aparecerán rojos. Para medir la temperatura de la tierra y la atmósfera, muchos satélites meteorológicos también están equipados con detectores infrarrojos. Sin embargo, debido a la distancia del objeto de detección objetivo, el detector infrarrojo en el satélite necesita mantener una temperatura baja o incluso un nivel de temperatura extremadamente bajo para detectar el más mínimo cambio de calor en el objetivo distante.
Entonces, ¿cómo mantener el detector infrarrojo en el satélite en un estado de baja temperatura? Los científicos han inventado dos tipos de tecnologías de refrigeración, una es la refrigeración por radiación pasiva, que se basa en el principio de que los objetos de alta temperatura pueden irradiar energía a objetos de baja temperatura; el otro es la refrigeración mecánica activa, el principio es hacer gas a través del movimiento mecánico. y el fenómeno de enfriamiento ocurre cuando el gas se expande.
"La temperatura de enfriamiento del enfriamiento por radiación es alta y la capacidad de enfriamiento es pequeña. Aunque se puede utilizar para enfriar detectores pequeños, no puede cumplir con los requisitos más altos para la baja temperatura de los dispositivos aeroespaciales. Por el contrario, la tecnología de enfriamiento mecánico es más factible". Chen Houlei, investigador del instituto, dijo al China Science Journal.
La tecnología de refrigeración por tubo de pulso es un tipo de tecnología de refrigeración mecánica. En 1963, los científicos estadounidenses descubrieron accidentalmente que cuando hay una onda de presión alterna en un tubo hueco, su extremo cerrado se calentará y se puede formar un gran gradiente de temperatura a lo largo de la dirección axial del tubo. En base a esto, desarrollaron una refrigeración por tubo de pulso. máquina. En 1984, los científicos soviéticos transformaron el refrigerador de tubo de pulso, lo que mejoró en gran medida su eficiencia de enfriamiento, y el calor de investigación relacionado también aumentó.
Señalando el refrigerador de tubo de pulso en su mano, Chen Houlei presentó: "Esta parte similar al dedo meñique se llama 'dedo frío'. Este pequeño refrigerador puede reducir la punta de los dedos a menos 200 en unos minutos. Celsius. Ponemos la sonda en la punta de los dedos, y cuando la temperatura de la sonda se enfría, podemos ver la tierra claramente".
De la teoría a la ingeniería
En la década de 1980, el Centro de Experimentos de Tecnología Criogénica de la Academia china de Ciencias (una de las unidades del Instituto de Física y Química de la Academia de Ciencias de China) tomó la iniciativa en el inicio de la investigación básica sobre la tecnología de refrigeración de tubos de pulso en China. En la década de 1990, habían establecido el récord de la temperatura de refrigeración más baja varias veces, lograron una serie de logros originales y ganaron el "Premio Kapicha" y el "Premio Linde" de la Sociedad Internacional de Refrigeración.
En 1998, Estados Unidos fue el primero en diseñar refrigeradores de tubo de pulso para su uso en programas espaciales. Aunque mi país ha logrado resultados líderes mundiales en la investigación básica de la refrigeración por tubos de pulso, los satélites de teleobservación óptica han estado sufriendo la falta de sus propios refrigeradores espaciales. "En ese momento, la unidad de investigación y desarrollo solo podía importar del extranjero, y el refrigerador de grado aeroespacial fue embargado a nuestro país. La unidad de investigación y desarrollo solo podía intentar todas las formas de comprar el refrigerador a nivel del suelo". Dijo Zhao Miguang.
La razón para decir "amargo" es que la vida útil de los refrigeradores importados a nivel del suelo es inferior a 1/10 de la de los refrigeradores de grado aeroespacial, y a menudo ocurren problemas, y después de que se lanzan los satélites, no se pueden reparar en ningún momento como lo están en el suelo. Una vez que falle en órbita, el país puede pagar un precio enorme.
A fines de la década de 1990, con el apoyo del Fondo Nacional de Ciencias para Jóvenes Académicos Distinguidos, la Academia China de Ciencias y otros departamentos relevantes, el equipo de investigación del Instituto de Física y Química de la Academia de Ciencias de China comenzó a transformarse en investigación aplicada en su conjunto. Ante las principales necesidades en el campo de la teleobservación espacial nacional y la detección infrarroja, salieron de la pila de papeles viejos y llevaron a cabo investigaciones sobre la ingeniería de refrigeradores de tubos de pulso y aplicaciones espaciales. A partir de 2000, el equipo recibió apoyo sistemático de la Agencia Espacial Nacional.
El camino de la teoría a la ingeniería está lleno de desafíos. "Lo que queremos hacer son productos de grado aeroespacial. Si el refrigerador funcionará en el cielo en el futuro, se debe garantizar que no se romperá durante 8 años, 10 años o incluso más". Chen Houlei dijo.
Los refrigeradores están llenos de gas helio, y deben garantizar una tasa de fuga muy baja de moléculas de helio a través de una tecnología confiable de soldadura y sellado. La compresión y expansión del gas depende del pistón. Deben hacer que el pistón y la pared del cilindro se cierren y no tengan contacto, a fin de garantizar que el pistón no se desgaste cuando no se pueda usar aceite. El movimiento del pistón está soportado por un resorte plano, y deben encontrar formas de garantizar que el resorte no esté torcido, y mucho menos roto.
Todo "debe" significa una presión. "En ese momento, encontramos algunos problemas, y no pudimos avanzar durante mucho tiempo, y la moral de todos estaba muy baja". Dijo Zhao Miguang.
Resuma el progreso a las 8:00 de la mañana y salga del trabajo a las 12:00 de la noche. De esta manera, han pasado 8 años. En los últimos 8 años, Riyuexingchen ha sido testigo de su camino para abordar problemas clave: el refrigerador de tubo de pulso que desarrollaron logró la soldadura completa de aleaciones de titanio; la distancia entre el pistón y el cilindro alcanzó el nivel de micras; el resorte de la hoja puede moverse 100 en la prueba antifatiga. Más de 100 millones de veces, incluso hay una prueba antifatiga de primavera "corriendo" durante más de 10 años, y no hay ningún problema hasta ahora.
Se han puesto en servicio 28 frigoríficos de tubo de pulso
En 2008, bajo el liderazgo del investigador Liang Jingtao, actual director del Laboratorio Clave de Tecnología de Conversión de Calor y Trabajo Espacial, Instituto de Física y Química de la Academia de Ciencias de China, el equipo de investigación científica desarrolló el primer refrigerador de tubo de pulso de larga duración de mi país en el espacio, y llevó a cabo con éxito la verificación en órbita. El refrigerador ha logrado un salto histórico desde cero, desde el seguimiento hasta la entrada en la última etapa de desarrollo internacional, y mi país se ha convertido así en el segundo país después de los Estados Unidos en dominar la tecnología de refrigeración de tubos de pulso espacial.
Desde entonces, el "obstáculo" en el desarrollo de satélites ópticos en el espectro infrarrojo ha sido eliminado, y la planificación y demostración de una serie de modelos de satélites en el país ha estado en pleno apogeo.
La innovación tecnológica crea demanda, lo que a su vez impulsa el desarrollo tecnológico. En los diez años siguientes, el desarrollo de los detectores infrarrojos espaciales de mi país ha planteado continuamente mayores requisitos para los refrigeradores de tubos de pulso espaciales.
El 9 de mayo de 2018, el satélite Gaofen-5 fue lanzado con éxito. Estaba equipado con un refrigerador de tubo de pulso con gran capacidad de enfriamiento y larga vida desarrollada por el Instituto de Física y Química de la Academia China de Ciencias.
Este satélite lleva el primer generador de imágenes espectrales de espectro completo de mi país que cubre las bandas de espectro infrarrojo visible, infrarrojo cercano, onda corta, onda media y onda larga. En comparación con los detectores ópticos anteriores, es más grande y más pesado. Para adaptarse a la demanda, el equipo del proyecto de enfriador adoptó audazmente una nueva solución. El enfriador solo podía transportar el dedo frío de la plataforma fría con un tamaño de más de diez milímetros y un peso de unos pocos gramos, y lo diseñó en un conjunto de detectores con un tamaño de cien milímetros y un peso de un kilogramo. .
En los primeros años, el camino para convertir el diseño en realidad fue accidentado. Sin embargo, cuantos más fracasos experimentes, más inolvidable se vuelve la alegría del éxito.
"¡Esta es una nueva iniciativa internacional!" Los ojos de Chen Houlei se iluminaron cuando dijo esto.
A las 11:11 del 26 de diciembre de 2021, el satélite "Ziyuan No. 1 02E" se lanzó con éxito en el Centro de Lanzamiento de Satélites de Taiyuan. El detector infrarrojo de onda larga que lleva consigo debe funcionar en un ambiente de baja temperatura de menos 193 grados centígrados. El generador de imágenes espectrales en Gaofen-5 es más grande y requiere el doble del área de enfriamiento del refrigerador de tubo de pulso.
Durante el proceso de desarrollo, los investigadores encontraron dificultades sin precedentes. "La vida útil del diseño del satélite 'Zuanyu No. 1 02E' es de 10 años, que es más alta que el requisito anterior de vida útil de 8 años. Con el fin de cumplir con los requisitos del proyecto, propusimos un plan para utilizar el dispositivo de conmutación para hacer una copia de seguridad del compresor. En el caso de aumentar el peso limitado, el grande mejora en gran medida la vida útil del refrigerador ". Liu Yanjie, el diseñador jefe de este refrigerador de tubo de pulso e investigador asociado en el Instituto de Física y Química de la Academia china de Ciencias, dijo al China Science Journal.
"Durante el diseño del dedo frío, la placa fría de área grande que usamos tenía un problema de deformación debido a la expansión y contracción térmica, y el detector en ella se rompía fácilmente". El diseñador de dedos fríos de este refrigerador de tubo de pulso, Quan Jia, investigador asociado del Instituto de Física y Química de la Academia china de Ciencias, recordó que después de innumerables discusiones y depuración, hicieron una nueva coincidencia de material para la placa fría y finalmente resolvieron el problema.
Hoy en día, han desarrollado refrigeradores de tubo de pulso de grado aeroespacial de varias formas y rendimientos, de los cuales 28 han sido lanzados a la órbita.
Cada proyecto está lleno de desafíos, y estos desafíos son la fuerza impulsora detrás del equipo de desarrollo del refrigerador de tubo de pulso.
"Estamos desarrollando una tecnología de refrigeración de baja temperatura espacial más avanzada con una capacidad de enfriamiento de más de 100 vatios, una temperatura cercana al cero absoluto y un peso tan bajo como unos pocos cientos de gramos". Liang Jingtao dijo que el equipo se basará en el desarrollo exitoso del refrigerador de tubo de pulso espacial. Continuar llevando adelante el espíritu de "atreverse a desafiar y luchar duro", asumir valientemente la "responsabilidad nacional" y seguir adelante para satisfacer las necesidades de refrigeración a baja temperatura en los espacios futuros.
En el camino de desarrollo de la tecnología de refrigerador criogénico de grado aeroespacial, este "largo plazo" continúa.
