李建華，薛 蓮，南 華，劉得成，劉佳琪

（試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

用于真空低溫環(huán)境的熱像儀設(shè)備艙方案設(shè)計(jì)和分析

李建華，薛 蓮，南 華，劉得成，劉佳琪

（試驗(yàn)物理與計(jì)算數(shù)學(xué)國家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100076）

為實(shí)現(xiàn)熱像儀在真空低溫環(huán)境下對(duì)目標(biāo)紅外輻射的測量，設(shè)計(jì)了熱像儀設(shè)備艙。該艙主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)，可為熱像儀提供溫度可控、壓力基本恒定的環(huán)境。其中，機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)熱像儀的結(jié)構(gòu)支撐和密封，電氣系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)的溫度控制以及壓力監(jiān)測。文章運(yùn)用有限元軟件仿真分析了溫度控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的控溫范圍，并用試驗(yàn)方法驗(yàn)證了仿真分析方法的可靠性；還對(duì)設(shè)備艙的壓力變化及密封圈所需的預(yù)緊力進(jìn)行了估算。分析表明該設(shè)備艙能夠?yàn)闊嵯駜x在真空低溫環(huán)境下提供正常的工作條件。

真空低溫環(huán)境；熱像儀；設(shè)備艙；有限元方法

0　引言

為研究目標(biāo)在空間環(huán)境下的紅外特性，一般需在地面建立空間環(huán)境模擬器以提供真空冷黑環(huán)境［1-4］，使用紅外探測儀器（如熱像儀）進(jìn)行目標(biāo)特性測試。但普通商用熱像儀對(duì)使用環(huán)境有嚴(yán)格要求，不能直接暴露在真空低溫環(huán)境中。因此，在溫度100 K、真空度10-3Pa的環(huán)境下使用熱像儀時(shí)，需設(shè)計(jì)一個(gè)設(shè)備艙，以提供一個(gè)溫度適宜、壓力相對(duì)恒定的環(huán)境，滿足熱像儀正常工作條件。

目前，對(duì)于用于真空低溫環(huán)境的紅外探測儀器的設(shè)備艙，國外已有類似報(bào)道［5］，但對(duì)具體的方案設(shè)計(jì)介紹較少。而國內(nèi)很少看到這方面的研究報(bào)道。

本文針對(duì)實(shí)際工作測試需求，開展了熱像儀設(shè)備艙方案設(shè)計(jì)與仿真分析，并對(duì)溫度控制效果、壓力變化情況進(jìn)行估算。

1　設(shè)備艙方案設(shè)計(jì)

設(shè)備艙位于空間環(huán)境模擬器內(nèi)，為其內(nèi)部的熱像儀提供機(jī)械安裝位置、電氣連接接口，以及適宜的溫度、壓力環(huán)境。因此，設(shè)備艙主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)兩部分。熱像儀的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集通過穿艙線纜與模擬器外的電控柜連接。

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

設(shè)備艙的機(jī)械結(jié)構(gòu)由圓形容器、前蓋、后蓋3部分通過螺釘連接組成（如圖1所示），結(jié)合面有法蘭密封圈密封。圓形容器和前后蓋的材料均為不銹鋼，外部尺寸為φ360mm×620mm，內(nèi)部為φ340mm× 550mm。圓形容器的上下側(cè)壁上焊接有聯(lián)軸器，用于連接設(shè)備艙的支撐結(jié)構(gòu)。前蓋上開有透光窗口，直徑為90mm，厚度10mm，可保證熱像儀在設(shè)備艙內(nèi)全視場工作。窗口玻璃的材料為鍺，可透過波段為7～14 μm的長波紅外光，玻璃表面鍍膜，以實(shí)現(xiàn)高透過率，減少觀測窗口對(duì)熱像儀成像的影響。為避免熱像儀出現(xiàn)冷反射效應(yīng)［6］，其光軸方向與窗口玻璃表面法線方向有15°夾角。當(dāng)熱像儀用于目標(biāo)表面溫度或者輻射亮度測量時(shí)，窗口玻璃的透過率需要標(biāo)定，以剔除其對(duì)測量結(jié)果的影響。設(shè)備艙后蓋上安裝密封型穿艙接插件，用于連接設(shè)備艙內(nèi)外電纜。

圖1　熱像儀設(shè)備艙結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Schematic diagram of the thermal camera canister

為便于熱像儀在設(shè)備艙內(nèi)拆裝，采用導(dǎo)軌托架方案（見圖2）。導(dǎo)軌安裝于圓形容器底板上，其上開有長腰形安裝孔，用于導(dǎo)軌的安裝和位置調(diào)節(jié)。托架的兩側(cè)面安裝4個(gè)滑塊，用于托架與導(dǎo)軌滑動(dòng)配合。熱像儀安裝在前端的托架上，通過長腰形孔調(diào)節(jié)位置，采用沉頭螺釘自底向上緊固。托架前段設(shè)有一個(gè)限位支架，用于調(diào)整和限制托架的終止位置。

圖2　熱像儀艙內(nèi)結(jié)構(gòu)安裝示意Fig.2　Schematic diagram of structure installation inside the thermal camera canister

1.2電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要是為自身及艙內(nèi)熱像儀提供電源，接受后端控制臺(tái)的控制并保證艙內(nèi)溫度符合熱像儀工作要求；將艙內(nèi)溫度及壓力傳送至后端控制臺(tái)顯示，完成熱像儀Camlink接口的光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與后端控制臺(tái)的長距離光纖通信。

電氣系統(tǒng)的組成如圖3所示。外部電源通過穿艙接插件后由電源轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)給熱像儀、電加熱片、風(fēng)扇及環(huán)境控制器提供電源；溫度傳感器、氣壓傳感器采集艙內(nèi)溫度和壓力信號(hào)，由環(huán)境控制器自動(dòng)控制電加熱片以及風(fēng)扇的工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)溫度控制。為加強(qiáng)艙內(nèi)對(duì)流換熱效果，在艙內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇（見圖1、圖2）以驅(qū)動(dòng)艙內(nèi)空氣流動(dòng)，并在出風(fēng)口設(shè)計(jì)了V形導(dǎo)流板，出口風(fēng)速≥1 m/s。

圖3　電氣系統(tǒng)組成框圖Fig.3　Components of the electronic system

2　熱控設(shè)計(jì)

設(shè)備艙內(nèi)部溫度范圍為-20～30 ℃，其外部的環(huán)境溫度在100 K左右。為此，需要在設(shè)備艙內(nèi)表面粘貼加熱片，同時(shí)布置熱敏電阻溫度傳感器，用于熱像儀溫度監(jiān)測及控制。

設(shè)備艙內(nèi)表面積約0.7 m2，假設(shè)其表面發(fā)射率0.8，設(shè)備艙表面溫度273 K，則根據(jù)斯忒藩-玻耳茲曼定律可以計(jì)算得到熱輻射為176 W。因此，設(shè)備艙加熱片的加熱功率設(shè)計(jì)為200 W，分為4路，每路功率為50 W，布置在圓形容器內(nèi)壁表面。

除加熱片安裝面外，設(shè)備艙內(nèi)、外表面均噴涂熱控黑漆，以增強(qiáng)輻射換熱性能。在設(shè)備艙與外部支撐面之間采用絕熱的玻璃鋼墊片。

2.1熱控設(shè)計(jì)的仿真分析

利用I-DEAS軟件建立了設(shè)備艙的有限元模型，并對(duì)模型進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)，主要包括一些部件外形的適當(dāng)簡化，但簡化后的部件質(zhì)量不變。假設(shè)設(shè)備艙外部的環(huán)境溫度為 100 K；設(shè)備艙內(nèi)熱像儀、環(huán)境控制器均按照殼體建模，熱耗加在表面上；熱像儀總熱耗為30 W，其中散熱面為21 W，殼體9 W。

對(duì)兩種極端工況進(jìn)行了仿真分析：工況一，加熱片全關(guān)；工況二，加熱片全開。兩種工況下風(fēng)扇均打開，風(fēng)速設(shè)為1 m/s。熱像儀表面溫度分布如圖4所示?？梢?，工況一熱像儀穩(wěn)定后溫度范圍為-62.6～-52.0 ℃，工況二為21.9～32.5 ℃。因此，可以通過開/關(guān)部分或者全部加熱片實(shí)現(xiàn)設(shè)備艙內(nèi)溫度的控制。由于熱像儀表面無法粘貼加熱片，所以采用間接控溫方式，即設(shè)備艙內(nèi)表面加熱回路由熱像儀側(cè)面的熱敏電阻進(jìn)行控溫，控溫閾值為目標(biāo)值±1 ℃，也就是說，若目標(biāo)值為30 ℃，則控溫閾值為（30±1）℃。

圖4　熱像儀表面溫度分布Fig.4　Temperature distribution of the thermal camera in Case 1 and Case 2

2.2仿真分析結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱分析結(jié)果的可靠性，室溫常壓環(huán)境下仿真分析采用了同樣的模型，同樣的假設(shè)條件，熱像儀四周存在自然對(duì)流，自然對(duì)流下?lián)Q熱系數(shù)約在5～10，計(jì)算中取10；輻射的發(fā)射率取0.85；空氣溫度為20 ℃；熱像儀30 W熱耗中21 W集中于散熱板，其余均勻分布于其他殼體。仿真計(jì)算得到熱平衡后熱像儀散熱板溫度為 35.5 ℃左右，殼體為32 ℃左右，具體溫度分布如圖5所示。

圖5　室溫情況下熱平衡狀態(tài)的熱像儀溫度分布Fig.5　Temperature distribution in the thermal camera at room temperature after thermal equilibrium

實(shí)測了一款FLIR公司的熱像儀，與設(shè)備艙中安裝的熱像儀為同一系列產(chǎn)品，二者外形和結(jié)構(gòu)類似。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度20 ℃左右，空氣處于自然對(duì)流狀態(tài)。剛開機(jī)時(shí)與開機(jī)4 h后的熱像儀溫度實(shí)測結(jié)果見圖6，熱像儀不同部位的溫度變化見圖7。

圖6　剛開機(jī)與開機(jī)4 h后的熱像儀溫度實(shí)測結(jié)果Fig.6　Experimental results of temperature distribution in the thermal camera when the camera is just turned on and after the camera has worked 4 hours

圖7　熱像儀不同部位溫度變化曲線Fig.7　Temperature vs.time for different parts of the thermal camera

從仿真分析結(jié)果和實(shí)測結(jié)果可看出：仿真分析的熱像儀溫度范圍為29.3～35.86 ℃，實(shí)測結(jié)果為25.5～34.8 ℃。二者基本吻合，最大偏差約為4 ℃，說明該仿真分析方法可靠。設(shè)備艙的制冷和加熱都有一定的余量，有較大的調(diào)節(jié)范圍，可彌補(bǔ)理論分析上的誤差。

3　密封設(shè)計(jì)

設(shè)備艙放置于真空容器，為了維持設(shè)備艙內(nèi)的壓力要求，需要進(jìn)行密封設(shè)計(jì)，其總體漏率要求≤10-6Pa·L/s。

不考慮溫度波動(dòng)帶來的壓力變化，容器漏率為

式中：V為設(shè)備艙的容器體積，500 L；P1和P2分別為t1和t2時(shí)刻容器內(nèi)的壓力。根據(jù)式（1）可計(jì)算出1個(gè)月工作時(shí)間容器內(nèi)壓力的變化，結(jié)果為P1-P2=5.1×10-3Pa，完全滿足所要求的壓力變化小于1個(gè)大氣壓的5%。因此，只要能夠維持設(shè)備艙漏率≤10-6Pa·L/s，就能夠滿足設(shè)備艙內(nèi)維持至少1個(gè)月恒壓的要求。當(dāng)艙內(nèi)壓力低于設(shè)定值時(shí)，需要對(duì)設(shè)備艙進(jìn)行補(bǔ)氣。

在設(shè)備艙的后蓋上設(shè)置充氣、放氣閥門各1個(gè)。熱像儀放入設(shè)備艙后，同時(shí)打開充/放氣截止閥，用氮?dú)馄肯蛟O(shè)備艙置換氮?dú)?，以防止艙?nèi)空氣結(jié)露。完成氣體置換后關(guān)閉充氣口，并加堵頭防止漏氣。

在設(shè)備艙的平蓋法蘭處，用多道密封圈進(jìn)行密封。密封圈采用航空丁腈橡膠，可耐-60 ℃的低溫，以避免采用普通氟橡膠可能出現(xiàn)的低溫脆裂等現(xiàn)象。該橡膠的邵氏硬度在65以上。根據(jù)S.Kobayashi和K.Yada的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)橡膠的硬度在邵氏硬度50以上，密封表面沒有徑向擦傷，壓縮量為15 %以上時(shí)就可以滿足漏率小于1.3×10-7Pa·L/s的密封要求［7］。

平蓋法蘭處在最大壓縮量時(shí)所需的壓緊力為［1］359

式中：f為壓力系數(shù)，取0.14；d1為密封圈截面直徑，取5.5mm；D為密封圈內(nèi)徑，取310mm；E為橡膠的彈性模量，取 4.3 MPa。代入式（2）可得Ff=3222 N。

密封圈設(shè)計(jì)為2道，為了方便計(jì)算，選擇了較大的密封圈作為計(jì)算依據(jù)，因此所需要的壓緊力為6444 N。在前后蓋法蘭上，各均布12個(gè)M10的螺釘，每個(gè)螺釘?shù)念A(yù)緊力按照2500 N計(jì)算，總的預(yù)緊力達(dá)到30 000 N，遠(yuǎn)大于所需的密封圈最大變形壓緊力，因此在大法蘭處采用橡膠密封圈的形式可以滿足漏率要求。

4　結(jié)束語

為保證熱像儀在真空低溫環(huán)境能夠正常工作，提出了一種設(shè)備艙設(shè)計(jì)方案，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、熱控、密封進(jìn)行了設(shè)計(jì)，描述了各設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)所采用的技術(shù)措施。運(yùn)用有限元分析方法對(duì)熱控設(shè)計(jì)的有效性進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)熱分析方法的可靠性開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明該仿真分析方法結(jié)果可靠，設(shè)計(jì)的熱控方案可以實(shí)現(xiàn)期望的控溫范圍。對(duì)密封設(shè)計(jì)的分析表明，該方案可以保證設(shè)備在1個(gè)月的時(shí)間內(nèi)壓力的變化小于1個(gè)大氣壓的5%的要求。

（

）

［1］達(dá)道安.真空設(shè)計(jì)手冊（修訂本）［M］.北京： 國防工業(yè)出版社， 1991： 662-663； 359

［2］茹曉勤， 劉波濤， 劉勁松， 等.對(duì)俄出口 GVU-600空間環(huán)境模擬器研制［J］.航天器環(huán)境工程， 2012， 29（6）：667-670 Ru Xiaoqin， Liu Botao， Liu Jinsong， et al.Development of space environmental simulator GVU-600［J］.Spacecraft Environment Engineering， 2012， 29（6）：667-670

［3］黃本誠， 馬有禮.航天器空間環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社， 2002： 40-42

［4］趙紅利， 陳雙濤， 侯予.熱真空低溫環(huán)境實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制［J］.低溫工程， 2011（6）： 6-11 Zhao Hongli， Chen Shuangtao， Hou Yu.Development of thermal vacuum cry-trap experimental apparatus［J］.Cryogenics， 2011（6）： 6-11

［5］Casarosa G， Cozzani A， Appolloni M， et al.Development and qualification of an infrared camera system for thermo-graphic applications in TV-TB conditions［C］∥25thAerospace Testing Conference， 2009

［6］欒亞東.紅外掃描成像系統(tǒng)中冷反射的光學(xué)抑制［J］.紅外與激光工程， 2006， 35（增刊2）： 26-30 Luan Yadong.Optical of restraining narcissus in scanning infrared system［J］.Infrared and Laser Engineering， 2006， 35（sup 2）： 26-30

［7］李斌， 劉玉魁.真空環(huán)境中受內(nèi)壓雙重橡膠圈密封結(jié)構(gòu)漏率的計(jì)算［J］.真空與低溫， 2000， 6（1）： 48-53 Li Bin， Liu Yukui.Calculation of leak rate for inner pressurized seal in vacuum with double rubber gaskets［J］.Vacuum & Cryogenics， 2000， 6（1）： 48-53

（編輯：許京媛）

Scheme design and analysis of thermal camera canister used in vacuum and cryogenic environment

Li Jianhua， Xue Lian， Nan Hua， Liu Decheng， Liu Jiaqi
（National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics & Numerical Mathematics， Beijing 100076， China）

A thermal camera canister is designed to measure the infrared radiation characteristics by using the thermal camera in vacuum and cryogenic environment.This canister， which mainly consists of mechanical structures and an electronic system， can provide an environment with temperature controllable and pressure almost invariable for the camera.The mechanical structures are used for supporting the thermal camera and isolating the camera from the vacuum condition.The electronic system is used for temperature control and pressure monitoring.Finite element method is used to analyze the temperature variation range of the canister.The simulation method is verified by experiment.The pressure variations and the amounts of pre-tightening forces on the gasket ring are predicted.The results demonstrate that the design can provide a suitable environment for the thermal camera under vacuum and cryogenic conditions.

vacuum and cryogenic condition； thermal camera； canister； finite element method

V416.8

B

1673-1379（2015）06-0656-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.018

李建華（1985—），男，博士學(xué)位，主要從事目標(biāo)光電特性測量、紅外探測等的研究工作。E-mail： lijh14@163.com。

2015-03-27；

2015-11-11

國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（編號(hào)：61401013）