C’est une chose très discrète. Ce n’est que la taille d’une paume, et il est un peu lourd sur la main. Sa forme est assez spéciale. Un tube métallique mince est comme un poteau, portant deux cylindres métalliques épais, et l’un des cylindres métalliques est suivi d’un demi-tube légèrement plus mince que le petit doigt.
L’un des réfrigérateurs à tubes à impulsions de qualité aérospatiale
Zhao Miguang, chercheur à l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences (ci-après dénommé l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences), a déclaré qu’il en coûterait environ un million de yuans pour fabriquer cette chose maintenant. Cependant, avant 2000, les pays étrangers ne le vendaient pas à la Chine, peu importe son coût.
C’est « l’artefact de refroidissement » qui afflige les satellites de télédétection optique de la Chine depuis des décennies - le réfrigérateur à tubes à impulsions de qualité aérospatiale, un produit de haute technologie qui peut rapidement réduire la température locale à moins 200 degrés Celsius et ne sera pas endommagé avant de nombreuses années.
Sa naissance et son développement en Chine ont bénéficié d’un « long terme » par des chercheurs de l’Académie chinoise des sciences.
Refroidir à moins 200 degrés Celsius en quelques minutes
Le 25 janvier, le satellite ZY-1 02E équipé de trois réfrigérateurs à tubes à impulsions fabriqués localement a acquis avec succès des images de haute qualité. Ces trois réfrigérateurs à tubes à impulsions sont les 26e, 27e et 28e réfrigérateurs à tubes à impulsions de qualité aérospatiale développés par l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences et utilisés avec succès dans des projets spatiaux.
La nouvelle épidémie de couronne a sensibilisé de nombreuses personnes à la technologie de « mesure de la température infrarouge ». Lorsque le corps humain passe à travers la caméra thermique, les points chauds sur le corps apparaîtront rouges. Afin de mesurer la température de la Terre et de l’atmosphère, de nombreux satellites météorologiques sont également équipés de détecteurs infrarouges. Cependant, en raison de la distance de l’objet de détection cible, le détecteur infrarouge sur le satellite doit maintenir une température basse ou même un niveau de température extrêmement bas afin de détecter le moindre changement de chaleur sur la cible éloignée.
Alors, comment maintenir le détecteur infrarouge sur le satellite dans un état de basse température? Les scientifiques ont inventé deux types de technologies de réfrigération, l’une est la réfrigération passive par rayonnement, qui est basée sur le principe que les objets à haute température peuvent rayonner de l’énergie vers des objets à basse température; l’autre est la réfrigération mécanique active, le principe est de produire du gaz par mouvement mécanique. expansion, et le phénomène de refroidissement se produit lorsque le gaz se dilate.
« La température de refroidissement par rayonnement est élevée et la capacité de refroidissement est faible. Bien qu’il puisse être utilisé pour refroidir de petits détecteurs, il ne peut pas répondre aux exigences plus élevées en matière de basse température des appareils aérospatiaux. En revanche, la technologie de refroidissement mécanique est plus réalisable. » L’Académie chinoise des sciences, physique et chimie, Chen Houlei, chercheur à l’institut, a déclaré au China Science Journal.
La technologie de réfrigération par tubes à impulsions est une sorte de technologie de réfrigération mécanique. En 1963, des scientifiques américains ont accidentellement découvert que lorsqu’il y a une onde de pression alternée dans un tube creux, son extrémité fermée se réchauffe et un grand gradient de température peut se former le long de la direction axiale du tube. Sur cette base, ils ont développé une réfrigération par tube d’impulsion. machine. En 1984, les scientifiques soviétiques ont transformé le réfrigérateur à tubes à impulsions, ce qui a considérablement amélioré son efficacité de refroidissement, et la chaleur de recherche connexe a également augmenté.
Montrant du doigt le réfrigérateur à tube de pouls dans sa main, Chen Houlei a présenté: « Cette partie similaire au petit doigt est appelée le » doigt froid « . Ce petit réfrigérateur peut réduire le bout du doigt à moins 200 en quelques minutes. Celsius. Nous mettons la sonde sur le bout des doigts, et lorsque la température de la sonde se refroidit, nous pouvons voir clairement la terre. »
De la théorie à l’ingénierie
Dans les années 1980, le Centre d’expérimentation de la technologie cryogénique de l’Académie chinoise des sciences (l’une des unités de l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences) a pris la tête du lancement de la recherche fondamentale sur la technologie de réfrigération des tubes à impulsions en Chine. Dans les années 1990, ils avaient établi le record de la température de réfrigération la plus basse à plusieurs reprises, réalisé une série de réalisations originales et remporté le « Kapicha Award » et le « Linde Award » de l’International Society of Refrigeration.
En 1998, les États-Unis ont été les premiers à concevoir des réfrigérateurs à tubes à impulsions destinés à être utilisés dans des programmes spatiaux. Bien que mon pays ait obtenu des résultats de premier plan dans la recherche fondamentale sur la réfrigération par tubes pulsés, les satellites de télédétection optique souffrent du manque de leurs propres réfrigérateurs spatiaux. « À cette époque, l’unité de recherche et développement ne pouvait importer que de l’étranger, et le réfrigérateur de qualité aérospatiale était sous embargo sur notre pays. L’unité de recherche et développement ne pouvait qu’essayer par tous les moyens d’acheter le réfrigérateur au rez-de-chaussée. » Dit Zhao Miguang.
La raison pour laquelle on dit « amer » est que la durée de vie des réfrigérateurs importés au niveau du sol est inférieure à 1/10 de celle des réfrigérateurs de qualité aérospatiale, et des problèmes surviennent souvent, et après le lancement des satellites, ils ne peuvent être réparés à aucun moment comme s’ils étaient au sol. Une fois en orbite échouée, le pays peut payer un prix énorme.
À la fin des années 1990, avec le soutien du Fonds national des sciences pour les jeunes chercheurs distingués, de l’Académie chinoise des sciences et d’autres départements concernés, l’équipe de recherche de l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences a commencé à se transformer en recherche appliquée dans son ensemble. Face aux besoins majeurs dans le domaine de la télédétection spatiale nationale et de la détection infrarouge, ils sont sortis de la pile de vieux papiers et ont mené des recherches sur l’ingénierie des réfrigérateurs à tubes à impulsions et des applications spatiales. À partir de 2000, l’équipe a reçu un soutien systématique de l’Agence spatiale nationale.
Le chemin de la théorie à l’ingénierie est plein de défis. « Ce que nous voulons faire, ce sont des produits de qualité aérospatiale. Si le réfrigérateur fonctionnera dans le ciel à l’avenir, il faut garantir qu’il ne se cassera pas pendant 8 ans, 10 ans ou même plus. Dit Chen Houlei.
Les réfrigérateurs sont remplis d’hélium gazeux et doivent assurer un très faible taux de fuite des molécules d’hélium grâce à une technologie de soudage et d’étanchéité fiable. La compression et la dilatation du gaz dépendent du piston. Ils doivent rendre le piston et la paroi du cylindre à la fois proches et sans contact, afin de s’assurer que le piston ne s’use pas lorsque l’huile ne peut pas être utilisée. Le mouvement du piston est soutenu par un ressort plat, et ils doivent trouver des moyens de s’assurer que le ressort n’est pas tordu, et encore moins cassé.
Chaque « must » signifie une pression. « À ce moment-là, nous avons rencontré des problèmes, et nous n’avons pas pu avancer pendant longtemps, et le moral de tout le monde était très bas. » Dit Zhao Miguang.
Résumez les progrès à 8h00 du matin et quittez le travail à 12h00 du soir. De cette façon, 8 ans se sont écoulés. Au cours des 8 dernières années, Riyuexingchen a été témoin de son chemin pour s’attaquer à des problèmes clés: le réfrigérateur à tubes à impulsions qu’ils ont développé a réalisé un soudage complet des alliages de titane; la distance entre le piston et le cylindre atteignait le niveau du micron; le ressort à lames peut bouger de 100 dans le test anti-fatigue. Plus de 100 millions de fois, il y a même un test anti-fatigue d’un ressort « en cours d’exécution » depuis plus de 10 ans, et il n’y a pas de problème jusqu’à présent.
28 réfrigérateurs à tubes à impulsions ont été mis en service
En 2008, sous la direction du chercheur Liang Jingtao, directeur actuel du Key Laboratory of Space Work-Heat Conversion Technology, Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, l’équipe de recherche scientifique a développé le premier réfrigérateur à tubes à impulsions à longue durée de vie de mon pays dans l’espace et a effectué avec succès une vérification en orbite. Le réfrigérateur a réalisé un bond historique à partir de zéro, du suivi à l’entrée dans la dernière phase de développement international, et mon pays est ainsi devenu le deuxième pays après les États-Unis à maîtriser la technologie de réfrigération des tubes à impulsions spatiales.
Depuis lors, la « pierre d’achoppement » dans le développement de satellites optiques dans le spectre infrarouge a été éliminée, et la planification et la démonstration d’une série de modèles de satellites dans le pays battent leur plein.
L’innovation technologique crée la demande, qui à son tour stimule le développement technologique. Au cours des dix années suivantes, le développement des détecteurs infrarouges spatiaux de mon pays n’a cessé de mettre en avant des exigences plus élevées pour les réfrigérateurs à tubes à impulsions spatiaux.
Le 9 mai 2018, le satellite Gaofen-5 a été lancé avec succès. Il était équipé d’un réfrigérateur à tubes à impulsions avec une grande capacité de refroidissement et une longue durée de vie développé par l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences.
Ce satellite transporte le premier imageur spectral à spectre complet de mon pays couvrant les bandes de spectre infrarouge visible, proche infrarouge, à ondes courtes, à ondes moyennes et à ondes longues. Comparé aux détecteurs optiques précédents, il est plus grand et plus lourd. Afin de s’adapter à la demande, l’équipe du projet de refroidisseur a audacieusement adopté une nouvelle solution. Le refroidisseur ne pouvait transporter que le doigt froid de la plate-forme froide d’une taille de plus de dix millimètres et d’un poids de quelques grammes, et l’a conçu dans un ensemble de détecteur d’une taille de cent millimètres et d’un poids d’un kilogramme. .
Au cours des premières années, le chemin pour transformer le design en réalité était cahoteux. Cependant, plus vous vivez d’échecs, plus la joie du succès devient inoubliable.
« C’est une nouvelle initiative internationale ! » Les yeux de Chen Houlei se sont illuminés quand il a dit cela.
À 11h11 le 26 décembre 2021, le satellite « Ziyuan No. 1 02E » a été lancé avec succès au Centre de lancement de satellites de Taiyuan. Le détecteur infrarouge à ondes longues qui y est transporté doit fonctionner dans un environnement à basse température de moins 193 degrés Celsius. L’imageur spectral sur Gaofen-5 est plus grand et nécessite deux fois la zone de refroidissement du réfrigérateur à tubes d’impulsions.
Au cours du processus de développement, les chercheurs ont rencontré des difficultés sans précédent. « La durée de vie nominale du satellite 'Zuanyu No. 1 02E' est de 10 ans, ce qui est supérieur à l’exigence de durée de vie précédente de 8 ans. Afin de répondre aux exigences du projet, nous avons proposé un plan d’utilisation du dispositif de commutation pour sauvegarder le compresseur. Dans le cas de l’augmentation du poids limité, le grand Il améliore considérablement la durée de vie du réfrigérateur. » Liu Yanjie, concepteur en chef de ce réfrigérateur à tubes à impulsions et chercheur associé à l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences, a déclaré au China Science Journal.
« Lors de la conception du doigt froid, la plaque froide de grande surface que nous avons utilisée avait un problème de déformation dû à la dilatation et à la contraction thermiques, et le détecteur sur elle était facilement cassé. » Le concepteur de ce réfrigérateur à tubes à impulsions, Quan Jia, chercheur associé à l’Institut de physique et de chimie de l’Académie chinoise des sciences, a rappelé qu’après d’innombrables discussions et débogages, ils ont fait une nouvelle correspondance de matériau pour la plaque froide et ont finalement résolu le problème.
Aujourd’hui, ils ont développé des réfrigérateurs à tubes à impulsions de qualité aérospatiale de différentes formes et performances, dont 28 ont été lancés en orbite.
Chaque projet est plein de défis, et ces défis sont la force motrice derrière l’équipe de développement de réfrigérateurs à tubes à impulsions.
« Nous développons une technologie de réfrigération à basse température plus avancée avec une capacité de refroidissement de plus de 100 watts, une température proche du zéro absolu et un poids aussi bas que quelques centaines de grammes. » Liang Jingtao a déclaré que l’équipe s’appuiera sur le développement réussi du réfrigérateur à tubes à impulsions spatiales. Continuer à perpétuer l’esprit d'« oser défier et se battre dur », assumer courageusement la « responsabilité nationale » et aller de l’avant pour répondre aux besoins de réfrigération à basse température dans les futurs espaces.
Sur la voie du développement de la technologie des réfrigérateurs cryogéniques de qualité aérospatiale, ce « long terme » se poursuit.
