由“潘兴Ⅱ”到反舰弹道导弹（十五）——斯特林制冷与红外末制导

上期我们聊到J-T制冷，需要用气瓶作为气源。这一节，就从气瓶开始，一直聊到斯特林制冷机。

但凡是极端条件（比如高压、高温、低压、低温、强辐射……）下的技术，都能和国防扯上关系。气瓶就是一个十分普通的一个例子。不论是核武器、导弹、飞机，还是舰艇、坦克、火炮和新概念武器，不论是武器生产、测试还是科研院所、实验室场所，都离不开各种高纯度、高压强气体和储存这些气体的气瓶。

比如：卫星和空间站霍尔推进器要用到氙气；氢氧火箭发动机吹除、冷却、再启动要用氦气，这都是大家津津乐道的，毕竟之前在很长时间内，这些气都严重依赖进口，国外一断气，航天就进入半歇菜程度。

火箭增压输送系统是运载火箭的一个重要分系统，能够控制火箭推进剂贮箱气枕压力，使推进剂按规定的压力和流量输送到发动机泵和燃烧室，不论是挤压式增压还是泵压式增压，都要依赖高压气瓶将贮存的气体压到储箱中达到增压目的

图为土星5火箭三级(S-IV B)尾部的高压氦气罐和极为复杂的气路，原则上氦气、氮气、推进剂的蒸汽或燃气都可以用来增压，不过为了尽可能减小重量，往往采用氦气增加，毕竟氦气是最轻的惰性气体

通常这类高压气瓶要求体积小、瓶颈细、气压高、低渗漏、介质纯度要求高（译自维基百科）。而导弹对高压气瓶有着更高要求。

弹载气瓶由钢瓶整体压成，部分结构焊接。在导弹和发射装置上用作制冷气源或动力气源。

高压气瓶制作过程。气瓶问题多出在内表面，内表面的缺陷危害极大，而且很难检测，是影响其安全使用的重要因素。

弹载气瓶往往都用一个电起爆器启动，因而这类气瓶是高压容器与火工品的集成品，属于高危险性产品。军工用高压气瓶承压非常非常高。国标GB/T 13005-1991将压力大于8MPa的气瓶称为高压气瓶。而空空导弹高压气瓶压力范围为15MPa-80MPa，其最低压力都远远高于国标。而战术导弹气瓶更是要承受40MPa的高压，同时其贮存介质多为低分子量的惰性气体，如氦气等，非常容易泄露。这类气瓶要随着导弹经历漫长的贮存期，和各种折腾。因而高压特别是超高压气瓶的生产要求非常高。

所以，要在反舰弹道导弹上使用J-T制冷器为红外导引头提供冷量，气瓶将是要攻克的难题中的一个。而且用在弹道导弹上的气瓶也可能会用在其他类型的导弹上，管中窥豹……

不过，气瓶的高压供气系统相对笨重，而且不容易小型化，在“寸土寸金”的弹头中占据着一定的体积。随着储气压力升高，对材料和加工提出了更为苛刻的要求，比如内表面的检测。

波纹管J-T制冷器是典型的自调式制冷器，直径在5mm上下，工作流量为1-2L/min

一型波纹管J-T制冷器，和后文提到的军用斯特林制冷机相比，J-T制冷器就笨重得多了

同易拉罐一样，气瓶是一次性的，用完了拉到，难以满足远射程导弹的长时间供气需求。对于高速导弹，比如再入大气层的反舰弹道导弹，弹头温度高，供气需求更大，用气瓶作为气源制冷并非不可取，但绝非长久之计。

斯特林制冷器

J-T制冷技术之外。工程师还有另一个选项——斯特林制冷器。

斯特林制冷器的核心是一台压缩机，它离我们并不遥远：冰箱内部的制冷系统与斯特林制冷器遵循着相同的热力学原理——逆向斯特林循环：

冰箱压缩机通电后，将蒸发器内已经吸热的低压、低温气态制冷剂吸入，经过压缩机压缩后，制冷剂形成高温高压蒸汽，进入冷凝器。在毛细管的节流作用下，流体压力急剧降低。制冷剂流入蒸发器后，压力要低于冷凝器压力，此时液态制冷剂立即沸腾蒸发，这个过程吸收箱内热量变成低压、低温蒸汽，再次被压缩机吸收。随即进入下一个循环

斯特林逆循环是斯特林循环的逆向过程，后者是热机做功循环，由26岁的苏格兰人斯特林（O. R. Stirling）在1816年提出。当时工业革命如火如荼，人们借助蒸汽机烧煤来驱动各种机械做功。斯特林循环就是为了提高蒸汽机的效率而提出的一种构想。

左图为斯特林，右图为瓦特。1816年瓦特已凭借其改良的蒸汽机富甲一方，罗伯特斯特林为了进一步改良蒸汽机提出了斯特林循环

斯特林循环是由两个等温过程与两个等容过程组成的热力循环。后来，这种循环方式大规模应用于热力发动机，系统中的工质在不同温位下被不断压缩和膨胀，后输出功。

斯特林热机工作流程

斯特林循环由两个等容吸热过程和两个等温膨胀过程组成的可逆循环，而且等容放热过程放出的热量恰好为等容吸热过程所吸收。热机在定等膨胀过程中从高温热源吸热，在等温压缩过程中向低温热源放热

斯特林循环也可以反向操作，这就是逆向斯特林循环。这种逆向概念在1834年才被J Hershel提出来，此时距离斯特林循环的提出已经过了20年。Hershel的想法直到1860年才由Kirk变为现实。这种采用斯特林循环制冷的机器通常称为斯特林制冷机，原来热机中的回热过程变成蓄冷过程，回热器也被命名为蓄冷器。

斯特林制冷循环也是由两个等温过程和两个等容过程组成，只不过循环过程倒过来了，致冷逆循环是逆时针的，而致热循环是顺时针

有热力学基础的朋友都知道，在给定的热源温度Th和Tc之间进行热功转换的所有热机中，卡诺循环的效率是最高的。而卡诺循环在实际应用中却有着许多问题，难点之一就是“自热源吸热和向冷源排热的等温过程”难以实现。

斯特林循环的突出之处在于它利用了两种工质，其中一种工质的热容远大于另一种工质，两者之间的换热可视为等温换热，巧妙解决了高转速下的换热问题。从理论上讲（假设一种工质的热容远大于另一种），斯特林循环和卡诺循环的效率一样高。

斯特林循环的原理决定了斯特林制冷机的主要构成：压缩机和膨胀机。其中压缩机的主要功能是产生交变压力波，经过传输管路传送到膨胀机中，带动排出器活塞运动，根据循环原理产生制冷量。

能够为反舰弹道导弹提供长时间、大冷量制冷的恐怕非斯特林莫属了。自从斯特林制冷机产生以来，它就一直与高技术军用装备，特别是遥感、侦察紧密相连。此外，在大规模用到液氢、液氮、冷氦的地方，也少不了斯特林制冷机。所不同的是，尽管有时候用到了斯特林逆循环，但是不叫斯特林制冷机：

比如，液氢制备过程中要用到氦压缩机和氦透平膨胀机，这个说白了，就是用沸点更低的氦和氢作为两种工质进行热交换，这本身就是斯特林逆循环。

再比如液氢长期保存过程中，要用到小型氦制冷机将25K的气氢（大概齐是0.32MPa）降到20K进行液化。小型氦制冷机也是斯特林制冷机的一种 。

一直以来液氢的成产成本是航天活动的一个制约因素。长期的生产实践表明，采用氦-氢冷凝循环更能兼顾节能和经济效益。图为一氦-氢冷凝循环系统。这个系统也是利用液氢和液氦的沸点差异设计的逆向斯特林循环

119立方米液氢铁路运输车，图片来自俄罗斯深冷机械制造公司官网。液氢贮罐不能保证绝热，总会有漏热存在，而泄压放氢时的氢气温度极低，为了使液氢能够长期保存，一般会用小型氦制冷机将25K的气氢降到20K进行液化

相信长期从事航天的人对这些一定不陌生。在这两个小例子中，斯特林制冷机在地面工作，它的的体积、重量、振动、功耗、散热、系统干扰……做的要粗糙些，不过毕竟在地面上嘛，勉强可以咬咬牙忍一忍。

在飞行载荷上的斯特林制冷机却要精益求精。

机载微型斯特林制冷器

最早的商用斯特林制冷机用于空气液化，由荷兰菲利普实验室在1954年制成。不过此后，随着红外光电器件的飞速发展，斯特林制冷机广泛应用于红外技术中。这个阶段，斯特林制冷机的主要技术突破几乎都是围绕提高工作寿命和减少振动两个方面开展。

在菲利普实验室研制成功商用斯特林制冷机后不久，美国就研制成了第一代军用斯特林制冷机，用于U-2高空侦察机的红外照相机。

U-2携载的斯特林为压缩活塞和膨胀活塞同轴的双曲拐驱动整体机，工作温度为38K，不过这台制冷机体积重量太大，振动也大，工作寿命只有几百个小时，且要用比较复杂的循环冷却系统冷却，因此U-2只能到了侦察目标的附近空域才气动制冷设备

看过电影《间谍之桥》的大兄弟一定对电影这个镜头印象深刻，U-2高空侦察机机舱打开后三台侦察相机给苏联国土开了“天窗”，这个镜头极为考究

U-2上的确并列装有3部HR-732相机，三台相机分别用于垂直拍摄和左右倾斜拍摄，进行测绘航拍时则换装一台焦距更长且镜头可左右摆动的HR-73B相机

这是利用HR-732相机拍摄的一副照片。引述美国国家侦察局一份资料的话：“This is a color infrared photo of Burley, Idaho taken from an HR-732 camera aboard the ER-2.”说明U-2上的HR-732相机有红外照相功能

接下来的事情大家非常熟悉，1965年我们击落了一架U-2高空侦察机，机上携载的美制红外航空相机由中国科学院上海技术物理所修复，并用斯特林制冷机提供制冷取得成功。1966年7月我们研制出了中国第一台实用微型斯特林制冷机，即整体式651回热式微型制冷机，用于高空红外相机，为中国早期遥感起到了巨大帮助。

如果您感兴趣仿制651微型制冷机的故事，可以检索文章：《现在可以讲了的故事：U2间谍飞机，红外照相机，半导体掺杂，实验室爆炸 - 半个世纪前的火热工作战斗生活》。

发展到现在，机载红外传感器已经融入光电吊舱中。下面的照片有些像鬼影，不过，它们可大有来头：

第一张照片是F-14使用TARPS侦察舱的红外线（IR）线扫描仪拍摄的肯尼迪号航母。航母烟囱和蒸汽弹射器的红外热羽非常明显，如果反舰弹道导弹在超高音速下的红外探测能力能够达到这种程度，将对航母形成根本性的威胁。