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抛物面G型辐射制冷器研究

2016-02-25 09:08:34中国亚博88网址招标网

  对地观测卫星中的红外遥感仪器,大多使用辐射制冷器为其提供低温环境,所达到的有载制冷温度基本在95K左右,红外探测器的元数较少,所需的冷量不大。随着空间遥感技术的发展及用户的要求越来越高,获取高品质的遥感图像成为必然,而增加红外器件元数或波段数量、降低制冷工作温度、延长工作寿命是红外遥感仪器获取优良性能指标的主攻方向,从而也对现有的星载低温制冷机提出了更高要求,对大冷量、更低制冷温度的星载低温制冷机的需求极为迫切。

  辐射制冷器是靠高发射率辐射板(冷块)向宇宙冷黑空间辐射热量而降温的被动式制冷装置;为了获得更好的制冷效果,必须采用良好的热屏蔽手段尽量减小外界传给辐射制冷器的热流,尽可能增加辐射板的面积及对冷空间的视场。根据辐射制冷器的特点,轨道不同,其外热流条件有所区别,辐射制冷器的结构形式也将不同,不同轨道特性的空间红外遥感器需要有不同类型的辐射制冷器相适应。对于近极太阳同步轨道遥感卫星来说,国内已成功地采用了平面W型辐射制冷器作为红外相机的制冷机,这种结构形式在制造技术及工艺上易于实现,但相比较而言,制冷量不是很大,一般在30~40mW05IK根据未来空间遥感器发展的需求,作者介绍了能提供相对较大的制冷量及较低的制冷温度的抛物面G型辐射制冷器的研制情况。

  2方案与构成抛物面G型辐射制冷器是根据其应用及发展状况及国内加工工艺水平的提高而开发的新一代辐射制冷技术。该技术欧美等已在轨应用。其外型及构成与平面W型基本相似,主要区别在于W型的一级19T慰页(盟糊凝人:员狱空腧温咣术与物理研反射屏为平面角锥结构,而G型的一级反射屏是回转抛物面型结构。在物理模型确定后完成了结构参数优化设if3.抛物面G型辐射制冷器为二级制冷(如所示)。结构主要由二级组件(包括二级冷块及杜瓦)一级组件(包括一级反射屏、一级冷块、支架)地球屏兼防污门、解锁机构、支撑系统、前板、安装圈等组成。它是在原W型辐射制冷器的基础上采用了一些新的技术而建立的各种新方案,主要目的是增大辐射面积,减小漏热,最终降低制冷温度。如何在给定边界尺寸条件下尽可能增大冷块辐射面积是各类辐射制冷器方案设计中着重考虑的问题。相对于平面W型而言,在相同的开口尺寸下,抛物面辐射制冷器的一、二级冷块辐射面积更大,且由于引入了回转型抛物面反射屏,冷块与冷黑空间的辐射耦合相对增大,这样辐射制冷器的制冷效果也将显着提高。

  在系统结构设计中,二级组件与一级组件之间,一级组件与外壳组件之间均采用带状支撑系统进行连接,经过优化设计后的这种支撑带系统不但具有良好的抗震性能,更主要的是具有较小的漏热,从而提高了辐射制冷器的制冷性能。

  辐射制冷器的内表面均是表面抛光成镜面的光学表面,极容易受到外界的污染,为了保护其不受污染,一般需在屏口设置防污罩系统,这种防污系统可以是平抛式或开罩式,也有较好的一种方式是利用地球屏兼作防污门,即在发射阶段地球屏作为防污门封闭着辐射制冷器开口,当入轨一段时期后再由解锁机构打开至一定位置作为地球屏使用。解锁机构若设计成电机驱动方式则可反复打开与闭合,其优点是在闭合状态下辐射制冷器结构更紧凑,提高了抗震性,同时可节省辐射制冷器加热烘烤除气时所需的星上宝贵电能,但缺点是机构复杂,可靠性要求更高。作者在方案设计中选用了电机驱动的地球屏兼防污门结构。

  对于辐射制冷器来讲,由于二级冷块是温度最低区域,而红外探测器的工作温度一般也希望设定在更低的温区,所以,在大多数情况下红外探测器总是尽量安装在二级冷块附近。这种方式虽然减少了不必要的冷损,红外探测器有更低的制冷工作温度,但带来的缺点是,红外相机与辐射制冷器上的冷焦面的配准精度不易保证,有可能导致红外相机成像质量不佳。在红外器件元数不多,冷焦面的配准精度要求不高的情况下,选用上述方式较合适一些;而对于元数较多的线列、面阵、多谱段结构,应特别重视冷焦面的配准问题。方案中考虑引入低温热管热连接技术,通过低温热管把二级冷量远距离传输到安装在红外相机内的红外元件处。采用该项技术虽然损失了少许冷量,但在结构上红外相机与辐射制冷器有一定程度的“差距”,方案中采用了软连接的方式,这样,既有利于保证冷焦面的配准精度,还有可能使辐射制冷器扩大对冷空间的视场,从而弥补由此带来的传导冷损。

  3热设计计算抛物面型辐射制冷器由于使用了回转体抛物面反射屏,其物理模型中一部分平面型结构已改变为曲面结构,在平面W型辐射制冷器热设计计算中运用的镜面反射成像原理求解辐射耦合视因子的方法已不适用了,需要采用蒙特卡罗方法引入随机变量进行统计数值计算,才能完成抛物面辐射制冷器各表面间的辐射耦合视因子求解,具体求解方法已有介绍1王维扬1太阳同步轨道d!射制冷技术的发空与1低温rightsreserved,http://www.cnki.net(上接第157页)时还与振荡量p>的相位角和角频率有关。采用增加回热器长度等方式降低VTm,使冷损失降低,这有利于获得更低的极限温度。以上分析主要是理论分析,而实际G―M制冷机的性能还与其它多种因素有关,提高制冷机的性能还必须考虑减小其它各种制冷损失。

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