田大成 練敏隆 葉 翔 孫立達 劉欣彤 王莉娟 王乃亮 趙密廣
(1 北京空間機電研究所 北京 100094)
(2 上海衛(wèi)星工程研究所 上海 201109)
(3 中國科學院理化技術研究所,中國科學院空間功熱轉換技術重點實驗室 北京 100091)
制冷機作為航天遙感領域的關鍵部件,廣泛應用于紅外焦面、低溫鏡筒,為其提供持久穩(wěn)定的冷量傳輸[1]。對于某些結構緊湊的遙感相機,制冷機的位置有時會遠離被冷卻部件。此時通常采用冷鏈的方式將制冷機的冷量傳遞給待冷卻組件。柔性冷鏈能夠更加靈活地分配冷量、隔絕振動,釋放耦合應力[2-3]。同時,由于制冷機中存在運動部件,因此工作過程中不可避免地會產(chǎn)生振動[4]。該振源是衛(wèi)星在軌狀態(tài)下影響光學遙感器成像品質(zhì)的重要振動源之一[5],會引起相機光學元件產(chǎn)生剛體位移和面形變化[6],而柔性冷鏈可很好得降低微振動對紅外探測器的影響。常見的冷鏈材料包括銅、鋁、石墨等,不同溫度下最佳柔性冷鏈材料是不同的,比如80 K 溫區(qū)無氧銅的熱導率最大,其次是石墨材料,鋁的熱導率最低[7]。同時考慮冷鏈本身的重量,以熱導率比密度值作為衡量標準,熱導率比密度值石墨最大,鋁其次,銅最差。在40 K 以下溫區(qū),通常采用無氧銅或者高純銅作為柔性冷鏈材料,但對于一些相機遠離制冷機的應用場合,銅冷鏈長度長,其重量大,對于力學強度產(chǎn)生很大影響,因此本研究探索用鋁做冷鏈材料鋁重量僅為銅的1/3,在40 K 以下溫區(qū)具有廣闊應用前景。
某相機探測器距離制冷機冷頭布置較遠,探測器工作在40 K,采用深低溫脈沖管制冷機作為冷源,如圖1 所示,冷鏈需要L 型布置,總長度在310 mm,如果采用常規(guī)銅材料制作冷鏈總重量超過1.5 kg,這對冷指力學強度不利,本研究采用鋁材料制作冷鏈重量僅為500 g,大大減輕冷指負擔。
AS(Absolut System)公司對不同純度的鋁材料熱導率進行了測量,鋁純度越高,其熱導率越大[8],鋁冷鏈采用5 N 鋁(純度99.999%)作為冷鏈材料,該材料在40 K 熱導率超過1 000 W/(m·K),按照此熱導率對冷鏈的傳熱性能進行模擬,如圖2 所示,在冷鏈末端1 W 負載時,兩端溫差0.47 K。為了驗證實際鋁冷鏈產(chǎn)品的性能,采用多片0.05 mm 厚的鋁皮進行疊加,鋁皮如圖3 所示,兩側端頭通過真空擴散焊方式進行焊接,該焊接是在一定溫度和壓力下,使接觸面之間的原子相互擴散形成聯(lián)結的焊接方法,該焊接方式可以有效降低片層之間的溫差,增加強度,焊接后冷鏈如圖4 所示。
圖2 冷鏈數(shù)值模擬(1 W 負載)Fig.2 Numerical simulation of cold chain (1 W load)
圖3 制做鋁冷鏈的材料Fig.3 Material used to make aluminum cold chain
圖4 真空擴散焊的冷鏈Fig.4 Vacuum diffusion welded cold chain
為了測試高純5 N 鋁冷鏈的傳熱性能,搭建了測試系統(tǒng),如圖5 所示,由脈沖管制冷機提供冷源,該制冷機是中國科學院理化所脈沖管中心研制,其40 K 溫區(qū)可以獲得3 W 以上制冷量[9],將高純鋁冷鏈與冷指冷頭連接,將溫度計布置在冷鏈兩端,溫度計測量精度0.1 K,同時在冷鏈末端粘貼模擬負載。
圖5 鋁冷鏈傳熱性能測試系統(tǒng)Fig.5 Test System for heat transfer performance of aluminum cold chain
熱導率和溫差關系表示成一維穩(wěn)態(tài)熱導率公式,即測試冷鏈兩端溫差和模擬負載后既可以計算得到熱導率。
式中:K為熱導率,W/(m·K);A為冷鏈橫截面積,m2;L為冷鏈長度,m;ΔQ為加熱量,W;ΔT為冷鏈兩端溫差,K。
測試結果如圖6 所示,高純5 N 鋁冷鏈在40K 溫區(qū)熱導率可以達到950 W/(m·K),接近鋁材料本身熱導率,達到使用效果。
圖6 鋁冷鏈熱導率測試Fig.6 Thermal conductivity test for aluminum cold chain
為了驗證鋁冷鏈的力學強度,本研究做了12.8 g隨機力學和6 g 正弦量級試驗驗證,振動現(xiàn)場圖如圖7所示,冷鏈一端與制冷機冷指連接,另一端采用支撐固定,振動曲線如圖8 和圖9 所示,CH1 傳感器安裝到振動底板上,為振動量級輸入位置,CH2 傳感器安裝在冷指工裝安處,CH3 傳感器安裝在冷頭與冷鏈耦合處。從振動響應看,在100 Hz 以內(nèi)無放大,冷鏈處最大響應19.7 g,冷鏈在振動后檢查外觀無任何破損,傳熱性能復測后與振動前一致,滿足力學強度要求。
圖7 振動試驗安裝圖Fig.7 Installation diagram of vibration test
圖8 隨機振動試驗結果Fig.8 Results of random vibration test
圖9 正弦振動試驗結果Fig.9 Results of sinusoidal vibration test
本研究設計了高純5 N 鋁材料冷鏈,采用真空擴散焊接將鋁皮層間焊接,減小層間漏熱,對該冷鏈傳熱性能進行測試,在40 K 溫區(qū)熱導率達到950 W/m·K,具有良好導熱特性,重量僅為銅材料的1/3,冷鏈通過12.8 g 隨機振動和6 g 正弦振動試驗,力學強度高,適用于40 K 溫區(qū)探測器遠離制冷機的應用場合。