空间机器制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特性

空间机械制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特性研究摘要：本文提出了一种双光路超长线列红外探测器的制冷方案，并在数值模拟和理论计算的基础上，对影响传热温差、红外探测器温度均匀性因素进行了分析。在此基础上，重点开展该制冷方案的冷量传输特性实验研究。关键字：机械制冷超长线列焦平面冷量传输0前言大规模超长线列扫描成像和凝视成像是航天光学遥感器的重要发展方向，它能够大大地提高视场面积和地面分辨率。红外探测器通常工作在低温下,因此需要用到低温制冷设备，如辐射制冷器、储能式制冷器、机械制冷机等。机械制冷机体积小、冷量大、安装方式灵活，且可靠性日益提高，因此在红外遥感系统中的应用越来越广泛。超长线列红外器件与制冷机的耦合方式通常为间接耦合，即探测器与制冷机冷头之间通过柔性“冷链”连接。这种方式可以明显地降低冷指振动对探测器的影响，且制冷机与探测器的设计位置也比较灵活，可以实现多点制冷。但由于在超长线列的焦平面系统中，冷平台的尺寸很大，单冷源多点制冷可能会造成探测单元间温度不均。当探测器单元间温度有差异时，单元间将产生D*和D(,T)的差异，从而在图像上产生由响应单元温差引起的空间非均匀性，导致红外成像系统的性能下降。因此解决好温度均匀性问题是至关重要的。同时，由于焦平面杜瓦（冷箱）的体积比小型的杜瓦大大增加，系统的漏热量将大幅增加，因此必须有高效的传热部件，以降低冷源与负载之间的温差，从而使制冷机发挥最大功效。1耦合系统介绍本文的研究对象，超长线列红外焦平面与制冷机耦合系统采用间接耦合方式，其结构如图1所示。该系统有两个波段，每个波段探测器的工作温度为100K，由一台斯特林制冷机制冷，试验时也可由液氮杜瓦代替。探测器冷平台尺寸约为200×40，制冷机冷头通过柔性冷链连接与之相连。为了实现探测器温度均匀性的目标，每个冷平台上都安装了5条由SITP研制的一种新型的柔性冷链。其由厚度为0.05mm或0.1mm的紫铜片构成。经测试得到，该冷链具有很高的热导率，且具有较大柔度。2冷量传输理论分析本耦合系统的热学目标是在斯特林制冷机提供6W@95K的制冷量时，探测器冷平台的温度达到100K，冷箱的寄生漏热达到使用要求。由于需要进行多点制冷，柔性冷链两端的空间位置关系和冷链的折弯余量决定了冷链的长度不都相同，因此需计算确定不同冷链的厚度，进而确定每条冷链所需铜片的数目n，如式(1)：(1)Q—每条冷链需传输的热量；L—冷链的长度；—热导率；a—冷链宽度;b—组成冷链的铜片厚度；由于耦合系统内部结构复杂，且存在很多不确定因素，要建立一个精确的热力学模型来研究冷平台的温度均匀性是比较费力的，因此需要对模型进行简化。冷平台的得热包括：Qg―探测器本身产生的热量Qr－外壳的辐射漏热愈Q叙c念－通过椅支撑的辨传导漏完热狮而山Q移0捧为通过捐冷链传境走的热蔑量，根壮据能量巡守恒可告知：婶Q速0绣=Q玩g财+Q枣r乎+Q骑c影Q抵r挺的数值希可以根汽据先式新(2考)帆近似计费算得(2)兰式中：尝称为相音当发射数率；茅＝还5.6称7W/蝶m代2纽K溜4潮；积T遗1袄、站T码2欣分别为渣外壳和千冷平台手的温度飘；盒F吩1临、烦F微2文分别为呼外壳的超内表面昆积与冷湿平台的元估算面狗积；慢Q城c扫可由悦式升(3贱)储算得：(3)亲式中：餐为支撑偷的热导扭率；葬D喂、蝇d缠分别为拐支撑的毁粗端外史经与细收端外经赤；权为薄壁间支撑厚伟度；堤分别为膛粗端与甘细端温午度，可醉通过试有验以往积的实验邻数据中挪得到；孝L芬为支撑央高度；瞧假设冷劲平台的狡支撑部昏件及冷唇链从周国围通过济辐射得匪到的热盼量可以谁近似地悉转移到糖冷平台减上，即显包含教于伍Q债r鬼中。此衬时冷链解传热特捡性为线峰性，妈即均(1偿)晴式是可帝行的。坚同时假失设附Q蚂r挪+Q南c涉为等效趣冷平台崇体积热鱼而作用获于整个杂冷平台晓上，睁而字Q送g凯由于是概探测器额所耗散在的热，寇故作用千于冷平浙台的表污面。尿冷平台扔上冷链丰的布置雅点均匀寿分布于讯中间线惩上，当兴用哪6W@悼95泻K呈斯特领胁制冷机倾制冷时廉，其温距度理论抬值应该买为设计后温堆度害100敌K主。盆从计算蓝结果中认可以看族出冷平阅台的温阅度均匀虫性较好蹈。浙3趁绞冷量传锣输试验决3.1纲姿试验台宽为了测寺试系统杏从冷指爆到冷平坚台的传密热特性虽以及冷用平台温治度均匀盒性，我嘴们搭建铸了如蓄图开4尼所示的亦试验平举台。由跪液氮杜珠瓦代替恳斯特林孙制冷机知进行试址验。冷栏箱内部赢的关键股部位上约共布置外了悦2点7掀个挡Pt1恳0欧0岔电阻温绸度传感绢器，每旁个症P远t倒电阻通诱过三点役法标定椅（液氮达、冰水苏混合物暂、常温振）。为挥减小漏矿热嚼，喷P液t岸电阻与专冷箱电膀缆接口辞处墙用疼Ф蛾0.1僵的锰铜处丝连接剖。为了继模拟红胆外探测民器的耗冈散热，涛在一个夏探测器绑冷平台亲的上安津装屑了纸4切片相互投串连诉的处30×季3翁0返的薄膜合加热片孙，以提改供总量因为许0.姥7野—躁1蒙w拆的加热阴量。贱图困4消侮冷量传半输试验绪台旅1播－液氮齿杜瓦漠；栽2预－冷箱旱底板单；凯3非－箱体推罩总；出4陆－数据萝采集引绢线户3.2镇战试验步碍骤痒实验时触，先对虽系统抽永真空，浊同时对淹液氮杜饶瓦内的乔活性炭诊加热，统以使其查尽量放烫气，直绪至真空重升丸至替5×1低0辨－疮6晚P乎a花。这个警过程进同行了带约倚2艳小时。羽然后启淹动温度历自动采佩集系统举，将液积氮灌入限液氮杜迁瓦中，坡此时可启以记录航冷箱内香部各点市温度变被化的过卧程。试叫验刚开循始时，突液氮蒸赔发量较肌大，液际氮杜瓦犬管口有唇明显的腾雾气，丈随着冷们箱内部爆部件温斧度的降糊低，液港氮蒸发农量逐渐映变小，荐约邮3利小时后摔管口仅凑有少量式雾气。是约肉4滑小时后鲁，系统许达到稳泽定状态皆。案随后接帝通加热伙电源，舒给冷平换台加猜热喂1哪W脱，经过泰约嘉1.拍5描小时后隙达到稳现定。税随后将很加热量煤变缎为踏0.7曲W逗，捉约粉1译小时后膜，达到转稳定。槐3.3脂费实验结爸果和分暴析碧系统经坑过执约势4瞧小时达然到稳定疏状态。绸各工况饿下冷平伙台平均眨温度、欠液氮杜琴瓦冷头层温度如问表积1姿所示。腰表众1秧肌冷平台斧与冷头业温度汇造总佛遮工况让中波冷丽平台平监均温核度陈(顶K)膝短波冷伞平台平很均温秀度孕(附K)晋冷抬头义(冤K)始中波冷组平台与招冷氧头墓∆蜻T(K海)扯短波冷否平台与也冷贴头劳∆范T(K器)墓无加热节103晶.6辉106卡.6猴98.权5者5.1档8.1盾加耍热卷0.7漫W的104鸣.9睁109哭.4鹊99.三9尚5忘9.5易加聪热猪1W腥105贼.4造110暗.6口100近.5俯4.9跪10.泛1咽可以看眉出，中慢波冷平幼台与液许氮杜瓦刘冷头的刺温差随孟着加热跑量的增农加而略疏有减少泄，这是镇因为中场波冷平服台上无跃加热，报其温升枕速度不洽及液氮构杜瓦冷器头；而铲短波冷务平台与吹冷头的市温差随裁着加热寄量的增河大而增刷大焰。将经过计鼻算得，研冷箱的总总寄生喊漏热约拉为刑2.7明W签，则在璃本实验瘦中，中群波得做热场Q尿m杜为诵2.7纵/2=避1.3获5损W未，短波籍得切热副Q抵s麦为技1.3秀5+q基(W滩)长弦，其处中猴q顺为不同松工况下朗的加热氏值，分申别寒取超0俊、景0.宋7驼、牌扰1娘。众设系统送总热锤导仔K=Q漠/赌∆镰T,穴庭则中波所传热机袭构平均收总热宁导对K望m册＝但0.2寻7W/挂K蛙，短波估传热机鹿构平均种总热与导砌K声s想＝午0.2帅1W/趁K目。航排除个芦别奇异膏点，实艳验结果暑得到的毫温度均或匀性与批理论计随算的结轻果有一浴定的差杜别，且鹿表现出昆左右不锦对称，参分析其轮原因可伟能是每恭条冷链呢与冷平册台的接线触面积面及由于论螺钉的挣紧固力袭不同造躲成接触猪热阻的据不同。素而同一糊冷平台执上各温侍度传感拉器在不队同工况爪下的温颠度走势串相同，聋可以排傲除温度猫传感器畅故障因泽素，但孔不排除芬温度传蓬感器的伙个体差按异原因司，造成能这种传众感器个声体差异吉的原因游可能是山其引线掏的长短条不完全群相同，筑焊接不秋均造成退的接触本电阻不起同等。嚷4面排结论政本文介混绍了一源种超长晋线列红煎外焦平学面与空铸间机械更制冷机何的耦合锡方式，福并对样乔机进行周了传热冒性能实锐验。性俘能曲线战显示了划该方式翅能有效匙地传输份冷量。穿同时分滤析了影穿响温度医均匀性刮的因素伸。关于燃耦合系顾统的空内间力学怜适应性砌研究也垒将在不舍久的将穗来积极唤地进行私。喊参考文泉献市[1]竹旅宣向润春盼.H属Y-冰1固卫星海惹洋水色测扫描仪垒红外机单械制冷鞭系统研饶制最:敢[炸博士学拉位论斥文蜻].功昏上诸海吼:段燕中科院震上海技欺术物理睬研究所倾，集200狂0议[2]晒急纪国林窜，吴亦判农，许银妙享根勉.鼻蔬空间机尖械制冷勾机与红捎外焦平拆面耦