景加榮，姜 健，陳劍霞

（1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

0 引言

星載遙感儀器發(fā)射前必須在地面進(jìn)行輻射定標(biāo)試驗(yàn)，確定遙感儀器在工作溫度范圍內(nèi)的輸出信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)輻射源、儀器內(nèi)參考輻射量之間的函數(shù)關(guān)系，用于將衛(wèi)星飛行過(guò)程中獲取的目標(biāo)信息通過(guò)反演得到目標(biāo)的光譜發(fā)射特性和光譜輻射特性[1]。

為了滿足星載光學(xué)遙感儀器紅外定標(biāo)試驗(yàn)和星載微波遙感儀器微波真空定標(biāo)試驗(yàn)的需求，上海衛(wèi)星工程研究所于2009年研制成一套紅外及微波定標(biāo)試驗(yàn)用空間環(huán)模設(shè)備。用該設(shè)備對(duì)微波遙感儀器進(jìn)行的微波真空定標(biāo)試驗(yàn)在國(guó)內(nèi)尚屬首次。該設(shè)備主要包括真空容器、真空抽氣系統(tǒng)、液氮系統(tǒng)、冷屏及制冷系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)管理5大系統(tǒng)，其中紅外定標(biāo)用冷屏制冷方式和微波真空定標(biāo)定標(biāo)源的真空低溫可拆卸連接結(jié)構(gòu)是整個(gè)設(shè)備研制的關(guān)鍵[2]。

1 主要設(shè)計(jì)指標(biāo)

6）系統(tǒng)極限真空度優(yōu)于1×10-5Pa。

2 真空及液氮系統(tǒng)組成

2.1 真空容器

真空容器包括容器筒體和熱沉[3]。筒體為臥式結(jié)構(gòu)，材料為0Cr18Ni9，有效尺寸為φ2.9 m×5.2 m，總?cè)莘e為42 m3。容器內(nèi)部設(shè)計(jì)安裝兩根平行導(dǎo)軌，用于試驗(yàn)產(chǎn)品的進(jìn)出放置，導(dǎo)軌兩側(cè)設(shè)可拆卸踏板。

筒體熱沉亦為臥式結(jié)構(gòu)，有效尺寸為φ2.5 m×5.2 m。熱沉管材選用0Cr18Ni9。在筒體熱沉內(nèi)部局部設(shè)計(jì)外伸銅翅片結(jié)構(gòu)（如圖1所示），用于定標(biāo)試驗(yàn)時(shí)定標(biāo)源冷卻銅帶的連接，這點(diǎn)與普通熱真空試驗(yàn)設(shè)備的熱沉設(shè)計(jì)有明顯區(qū)別。一般熱沉設(shè)計(jì)時(shí)，在支管上對(duì)稱焊接兩片紫銅翅片；而該設(shè)備熱沉局部在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，在支管上額外多焊接一片紫銅翅片，與原有兩片翅片垂直，翅片長(zhǎng)度約為原有翅片的1/3。

在設(shè)備用于微波真空定標(biāo)時(shí)，冷屏不需要啟動(dòng)工作，成為了一塊熱源背景，影響試驗(yàn)的精度。因此，在冷屏下方設(shè)計(jì)安裝一塊內(nèi)部通液氮的小熱沉對(duì)其進(jìn)行遮擋，從而滿足試驗(yàn)的冷背景溫度要求。在紅外定標(biāo)試驗(yàn)中需要冷屏?xí)r，再將該可拆卸小熱沉拆除移出。小熱沉的液氮進(jìn)出管采用可拆卸真空低溫密封設(shè)計(jì)。

設(shè)備主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1）真空容器有效尺寸為φ2.9 m×5.2 m；

2）熱沉有效尺寸為φ2.5 m×5.2 m；

3）20 K冷屏有效尺寸為1 m×1 m；

4）冷屏最大制冷量為80 W（20 K）；

5）冷屏最低溫度＜20 K；

圖 1 熱沉結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of the heat sink

2.2 真空抽氣系統(tǒng)

真空抽氣系統(tǒng)粗抽機(jī)組由滑閥泵和羅茨泵組成，主抽泵采用真空低溫泵。在熱沉通液氮、冷屏工作后，系統(tǒng)真空度優(yōu)于1×10-5Pa。

2.3 液氮系統(tǒng)

液氮系統(tǒng)主要包括：液氮儲(chǔ)槽，低溫管路、閥門(mén)及測(cè)量?jī)x表等。液氮系統(tǒng)采用開(kāi)式沸騰循環(huán)，為熱沉、低溫泵等提供液氮，系統(tǒng)可靠性高、操作簡(jiǎn)便。

3 冷屏及制冷系統(tǒng)

3.1 概述

星載紅外遙感儀器在空間飛行時(shí)，要求在低于105 K的溫度條件下工作，依靠始終朝著冷黑空間的輻射制冷器輻射制冷。根據(jù)計(jì)算分析，在地面進(jìn)行紅外輻射定標(biāo)試驗(yàn)時(shí)，為了使冷屏溫度與在軌工作時(shí)輻射器二級(jí)冷塊平衡溫度之差小于1 K，冷屏的溫度應(yīng)低于20 K，冷屏的表面比輻射率應(yīng)大于0.98。

以前空間環(huán)境模擬定標(biāo)設(shè)備中的20 K冷屏一般采用氦氣透平膨脹制冷系統(tǒng)來(lái)冷卻[4]，其優(yōu)點(diǎn)是制冷量大。但該系統(tǒng)流程復(fù)雜、膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速高、占地面積大，一般為非標(biāo)設(shè)備，投資費(fèi)用亦非常昂貴，且建造周期長(zhǎng)、操作維護(hù)復(fù)雜。此外，氦氣制冷冷屏內(nèi)部設(shè)計(jì)有氣體流道，以供由氦氣透平膨脹制冷系統(tǒng)產(chǎn)生的低溫氦氣通過(guò)來(lái)制冷，因而對(duì)焊縫漏率的要求非常高；并且冷屏工作溫差很大（300～15 K），可能發(fā)生變形冷漏，進(jìn)而影響試驗(yàn)真空度。

針對(duì)氣氦制冷的特點(diǎn)和不足，本文的冷屏設(shè)計(jì)采用了新型制冷方式，即G-M制冷機(jī)系統(tǒng)直接傳導(dǎo)冷卻冷屏。由于單臺(tái)G-M制冷機(jī)制冷量較小，因此采用5臺(tái)制冷機(jī)組合以提高制冷功率。

3.2 方案設(shè)計(jì)

冷屏分為主冷屏和冷屏遮擋板兩部分。主冷屏尺寸為1 m×1 m，由基板和表面蜂窩組成。為防止冷屏周?chē)h(huán)境對(duì)冷屏的側(cè)輻射，在冷屏遮擋板四周加側(cè)擋板。

冷屏、安裝板及連接體等采用無(wú)油設(shè)計(jì)，且在進(jìn)入真空容器安裝前用丙酮、酒精清洗干凈。制冷機(jī)通過(guò)安裝板安裝在真空容器頂部，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮隔振，確保制冷機(jī)工作連接穩(wěn)定牢固。低溫工作時(shí)，安裝板與制冷機(jī)之間、以及安裝板與真空容器之間具有良好的密封性能（漏率＜1×10-8Pa·L·s-1），有效防止安裝板與制冷機(jī)密封口處低溫漏冷結(jié)霜導(dǎo)致漏氣。

制冷機(jī)安裝板與真空容器法蘭真空密封連接，安裝板可以連帶制冷機(jī)整體垂直拆裝，如圖2所示。

圖 2 冷屏結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cryo-panel

在設(shè)計(jì)冷屏?xí)r，除了注意制冷機(jī)冷頭與冷屏之間要連接牢靠，還必須保證其良好的導(dǎo)熱性能（可以考慮在冷頭與冷屏之間加墊銦片，以幫助導(dǎo)熱），保證冷屏有效的制冷量。冷屏、安裝板及連接體設(shè)計(jì)須考慮G-M制冷機(jī)將來(lái)的可拆卸性、可維修性。

3.3 設(shè)計(jì)指標(biāo)

1）結(jié)構(gòu)尺寸為1 m×1 m；

2）試驗(yàn)溫度≤20 K；

3）制冷量≥80 W(20 K)；

4）表面比輻射率＞0.98；

5）表面溫差最大值＜3 K。

3.4 模擬熱負(fù)載調(diào)試

調(diào)試中，首先按試驗(yàn)時(shí)輻射制冷器最大加熱功率50 W作為調(diào)試參考，通過(guò)程控直流電源將模擬熱負(fù)載功率加至50 W，冷屏溫度開(kāi)始上升，4 h后冷屏溫度趨于平穩(wěn)，溫度穩(wěn)定在11～13 K。

接著，將模擬熱負(fù)載加熱功率升至70 W，冷屏溫度開(kāi)始上升，2 h后冷屏溫度趨于平穩(wěn)，測(cè)點(diǎn)溫度基本穩(wěn)定在15～18 K。

最后，將模擬熱負(fù)載加熱功率升至80 W，冷屏溫度繼續(xù)上升，2 h后冷屏溫度趨于平穩(wěn)，測(cè)點(diǎn)溫度大多在20 K以下，但是正對(duì)模擬熱負(fù)載中心部分有2個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度超過(guò)20 K，如圖3所示。

圖3 帶模擬熱負(fù)載情況下冷屏溫度曲線Fig.3 Temperature curve for the cryo-panel under thermal load

由于每臺(tái)制冷機(jī)的二級(jí)冷頭制冷量都已經(jīng)過(guò)單獨(dú)考核，并且冷屏的外界熱源也很清楚，所以分析認(rèn)為二級(jí)冷頭與冷屏之間實(shí)際導(dǎo)熱能力較差，沒(méi)能充分傳遞冷頭的冷量。對(duì)此需要作進(jìn)一步的分析計(jì)算和研究改進(jìn)，以便在今后的工程實(shí)踐中取得更好的效果。

4 數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)管理系統(tǒng)用于試驗(yàn)過(guò)程中主要運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量和設(shè)備的監(jiān)控，系統(tǒng)組成如圖4所示。

試驗(yàn)設(shè)備各分系統(tǒng)單獨(dú)實(shí)現(xiàn)測(cè)量、控制及數(shù)據(jù)顯示，同時(shí)將關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到專門(mén)的工控機(jī)，通過(guò)大屏幕集中顯示；數(shù)據(jù)輸出實(shí)現(xiàn)打印和系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的廣播傳送功能。

圖4 數(shù)據(jù)采集及試驗(yàn)管理系統(tǒng)原理Fig.4 The data acquisition and test management system

5 定標(biāo)源管路可拆真空低溫密封接口設(shè)計(jì)

定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備主要有兩大功能，一是紅外定標(biāo)，二是微波真空定標(biāo)。兩種定標(biāo)試驗(yàn)都需要定標(biāo)源。紅外定標(biāo)試驗(yàn)中，定標(biāo)源的冷卻降溫一般采用與液氮熱沉經(jīng)過(guò)銅帶連接的方式。

由于微波真空定標(biāo)試驗(yàn)對(duì)源的溫度要求更高，所以其定標(biāo)冷源和變溫源冷卻采用液氮直接制冷方式。這種方式有3大好處：1）液氮直接冷卻降溫可使冷定標(biāo)源溫度降到80 K以下，提高定標(biāo)精度，并且具有很好的穩(wěn)定性；2）定標(biāo)變溫源的升降溫速率較快，可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率；3）通過(guò)將微波定標(biāo)源與低溫供液管路的接口法蘭設(shè)計(jì)成活動(dòng)可拆卸真空低溫密封結(jié)構(gòu)，幾只微波定標(biāo)源可以很方便地拆裝，如圖5所示。

圖 5 低溫密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The structure of cryogenic envelope

活動(dòng)可拆卸真空低溫密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是密封法蘭與緊固螺栓必須是不同材質(zhì)，并且緊固螺栓材料的線膨脹率應(yīng)大于法蘭材料的。因此，緊固螺栓選用黃銅材料，法蘭選用不銹鋼材料，兩種材料的熱物理性能如表1所示，以確保在低溫情況下不會(huì)因?yàn)槁菟ㄊ芾渌尚付鴮?dǎo)致密封面處液氮泄漏；密封墊圈可以選用氟乙烯材料。經(jīng)過(guò)調(diào)試和多次試驗(yàn)表明，這種可拆卸結(jié)構(gòu)的真空漏率和低溫性能完全可以滿足定標(biāo)試驗(yàn)的要求。

表1 不同金屬的熱物理性能Table 1 Physical properties of different metals

6 試驗(yàn)設(shè)備使用情況

定標(biāo)試驗(yàn)設(shè)備于2009年6月建成后，已完成多次紅外定標(biāo)試驗(yàn)及微波真空定標(biāo)試驗(yàn)。2010年3月31日至4月2日，利用該設(shè)備進(jìn)行了某型號(hào)紅外定標(biāo)前的摸底試驗(yàn)。在冷屏啟動(dòng)G-M制冷機(jī)工作正常后，真空容器真空度達(dá)到1×10-5Pa。熱沉通液氮工作正常后，先后啟動(dòng)冷屏的5臺(tái)G-M制冷機(jī)，3 h后冷屏溫度降至11～14 K，冷屏溫度變化曲線見(jiàn)圖6。

圖 6 冷屏溫度變化曲線Fig.6 Temperature curve on the cryo-panel

7 結(jié)束語(yǔ)

本文所述上海衛(wèi)星工程研究所設(shè)計(jì)并建成的這套設(shè)備，既可用于星載遙感儀器紅外定標(biāo)試驗(yàn)，又可用于星載遙感儀器微波真空定標(biāo)試驗(yàn)。其中，紅外定標(biāo)用20 K冷屏采用5臺(tái)G-M制冷機(jī)直接傳導(dǎo)制冷，取代了傳統(tǒng)的冷屏用氦氣透平膨脹流通制冷方式，節(jié)約了大量的研制經(jīng)費(fèi)，縮短了研制周期，但其設(shè)計(jì)難度和加工工藝要求非常高；微波真空定標(biāo)冷源低溫管路采用可拆卸真空低溫密封接口設(shè)計(jì)，拆卸方便，真空低溫密封性能可靠。隨著該設(shè)備的后續(xù)應(yīng)用，衛(wèi)星的定標(biāo)試驗(yàn)水平也將得到進(jìn)一步提升。

（References）

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[3]王浚, 黃本誠(chéng), 萬(wàn)大才, 等.環(huán)境模擬技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1996

[4]景加榮.F3H紅外定標(biāo)試驗(yàn)用空間環(huán)模設(shè)備[J].航天器環(huán)境工程, 2008, 25(4)

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