百亿美元的詹姆斯-韦伯望远镜制冷黑科技

       詹姆斯-韦伯望远镜终于发射升空了，还要继续飞行一个月左右的时间，才能到达拉格朗日2点，距离150万公里。它将取代哈勃望远镜，探索早期宇宙起源等问题。 制造詹姆斯韦伯望远镜所需的技术组合，是目前人类历史上独一无二的。运载火箭、图像处理系统、机电系统、冷却系统、巨型镜片和遮阳帆。

     科学家们选择Kapton膜（聚酰亚胺薄膜）作为遮阳帆的主要材料，薄膜呈黄色透明，相对密度1.39～1.45，有突出的耐高温、耐辐射、耐化学腐蚀和电绝缘性能，可在250～280℃空气中长期使用。Kapton遮阳帆的每一层都非常薄。最外层最厚，有0.05毫米，而接下来的4层只有它的一半0.025毫米厚。Kapton本身几乎是透明的。这个是杜邦公司生产的，就是那个生产410a，22等制冷剂的那个公司，哈哈。

    我们主要看下冷却系统。

         采用氦冷脉管制冷机，声波再生器实现热量交换。一个很科幻的神奇制冷。

      采用氦冷脉管制冷机，声波再生器实现热量交换。一个很科幻的神奇制冷。

      采用氦冷脉管制冷机，声波再生器实现热量交换。一个很科幻的神奇制冷。

     这个家伙耗资1.5亿美元。

     采用对称双缸，拥有水平对立泵，使用氦做冷却剂的脉管制冷机。 它使用了一个声波再生器来实现热量交换，从而达到制冷的效果！这样的制冷系统，既保持了平衡（水平对立），不至于在运行时让韦伯望远镜姿态偏离，又能达到了节能制冷的效果。

     其中，“用声波来制冷”听起来很科幻，也是韦伯望远镜里最“黑科技”的部分。 它是怎么实现的呢？

     

      声波是压力波，与压力和温度成正比，更高的压力会产生更高的温度。我们可以创建驻波，其中波峰和波谷是固定的，我们可以在封闭的管子中做到这一点，其中管子的长度决定了谐振频率。

     声波从封闭端反弹并产生压缩的高压区域，从而产生高温。但这并没有太大用处，该系统中的能量或温度保持着相对稳定的独立存在。但是如果我们能从每个循环中提取一些热量，情况就大不相同，甚至可以逐渐冷却整个系统。

     通过堆栈来完成这一目标就很合适。堆栈是一种多孔材料，具有允许声波通过的气隙，放置在管子的冷热区域中间，再加上两根导管，一根连接到遮阳帆的中心方便散热，一根连接到红外传感器背面的铜板，以冷却它达到6.2开尔文的工作温度。这是对脉管制冷机实际工作的极端简化说明。脉冲管低温冷却器利用了一种极其简单且精确的物理现象，让韦伯的红外传感器工作。脉冲管低温冷却器通过消耗少量电能工作，韦伯携带的太阳能板的发电功率为2000瓦。

      这台革新型的声波脉管制冷机，不仅形态上对称平衡，制冷效果一流，所需的电力也非常少。 虽然花费巨大，却是NASA工程师们的得意之作，也因此，它被不少工程师称为“整个韦伯望远镜里最魔幻的部件”！只因为，它将最基本的物理原理运用到了极致…

一、参考刘东立等人在《低温工程》发表的《詹姆斯·韦伯太空望远镜低温制冷系统的发展历程》

二、参考NASA网站

        Webb 的 MIRI 仪器携带的探测器需要在低于 7 开尔文的温度下才能正常运行。仅靠被动方式无法在 Webb 上实现这种温度，因此 Webb 携带了一个创新的“低温冷却器”，专用于冷却 MIRI 的探测器。

工程挑战

作为一个极其灵敏的红外天文台，詹姆斯韦伯太空望远镜的光学和科学仪器需要低温以抑制红外背景“噪音”。此外，每个科学仪器内的 探测器 ，将红外光信号转换成电信号以处理成图像，需要在低温下才能正常工作。通常，红外光的波长越长，检测器需要越冷来进行这种转换，同时也限制随机“噪声”电子的产生。

被动冷却

韦伯的四台科学仪器中的三台“看到”了最红的可见光和近红外光（波长从 0.6 微米到 5 微米的光）。这些仪器具有用汞-镉-碲化物 (HgCdTe) 配制的探测器，非常适合 37 开尔文的韦伯。我们可以“被动地”让它们在太空中变得如此寒冷，仅仅凭借 Webb 的设计，其中包括 一个网球场大小的遮阳板 。

主动冷却

然而，韦伯的第四个科学仪器，中红外仪器，或称 MIRI，可以“看到”波长为 5 到 28 微米的中红外 (MIR) 光。MIRI 的探测器必须采用不同的配方（掺砷硅 (Si:As)），其温度需要低于 7 开尔文才能正常运行。仅靠被动方式无法在 Webb 上实现这种温度，因此 Webb 携带了一个“低温冷却器”，专用于冷却 MIRI 的探测器。

Webb 的低温冷却器的进步

Webb 的低温冷却器通过两种方式提升了这种功率和温度等级的航天低温冷却器的最先进技术：

1. 预冷器使用三级脉冲管冷却与只有两级的传统系统相比，以及

2. 预冷器和 JT 冷却硬件之间的分离；通常这种间隔是厘米，而不是几米。

低振动

此外，低温冷却器最具挑战性的要求之一是低振动。振动水平需要非常低，以防止光学器件的抖动（诱发抖动）和由此产生的模糊图像。CCA 预冷器中的脉冲管冷却和 CHA 中的焦耳-汤姆逊效应冷却没有移动部件。低温冷却器中唯一的运动部件是 CCA 中的两个 2 缸水平对置活塞泵，通过具有经过精细平衡和调整的水平对置活塞并以几乎完美的对置运动，大部分振动被抵消并因此最小化.

寿命

作为冰箱和“封闭”系统，低温冷却器不像装满冰的冰柜或装有液氦的大容器（又名杜瓦瓶）那样消耗冷却剂，因此其寿命仅受其运动部件磨损的限制（泵）或其电子设备的寿命，所有这些都应该持续多年。

深入

       Webb MIRI 低温冷却器基本上是一个复杂的冰箱，其部件分布在整个天文台。主要部件是低温冷却器压缩机组件 (CCA)。它是一种热泵，由一个预冷器组成，该预冷器在大约 14 开尔文（使用氦气作为工作流体）时产生大约 1/4 瓦的冷却功率，以及一个循环通过传导冷却的制冷剂（也是氦气）的高效泵。用预冷器，到美里。预冷器具有一个两缸水平对置泵，并使用 脉冲管 冷却氦气，脉冲管与再生器进行 声学 热交换。高效泵是另一种两缸水平对置活塞装置，它循环不同批次的氦气，与预冷器的氦气分开。

        CCA 位于航天器总线的中心，在天文台面向太阳的“温暖”一侧，它预冷并通过管道将冷氦气泵送到 MIRI，在集成科学仪器模块中大约 10 米远(ISIM)。CCA 由低温冷却器控制电子组件 (CCEA) 控制，CCEA 是一组安装在航天器总线端口侧设备面板内的电子盒。CCA 通过低温冷却塔组件 (CTA) 连接到 ISIM，该组件是一对镀金不锈钢管（一根进料管和一根回流管），每根管的直径约为 2 毫米，每英尺左右由一系列精密的悬挂组件（称为制冷剂管路支架，或 RLS），安装在天文台结构的外部。CTA 连接到冷冻机的最后一部分，称为冷冻机冷头组件 (CHA)，郭鹏学暖通位于 ISIM 中。在 CHA 管道内，在大小和形状与大咖啡罐大致相同的镀金圆筒内，有一个小孔（小于 1 毫米），冷却的氦制冷剂通过该孔，导致氦气膨胀和最终冷却降至约 6 开尔文，小心  焦耳-汤姆逊 (JT) 效应 。这种最冷的冷冻氦气通过更多 2 毫米的管道到达固定在 MIRI 探测器背面的手掌大小的铜块。这是目标热交换的地方，导致 MIRI 的探测器冷却到名义上的 6.2 开尔文左右。当天文台和 MIRI 处于冷却模式时（例如在部署和调试期间发射后不久），CHA 还包含允许氦气绕过 JT 限制的阀门。CCA、CTA 和 CHA 管通过成对的 7/16 英寸接头连接在一起，外部类似于汽车液压制动管路连接。

三、参考《James Webb Space Telescope Mid-Infrared Instrument

Cooler systems engineering》

    对于这种制冷方式，有兴趣的话，可以去了解下。