專利名稱：用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于航天器真空熱試驗(yàn)領(lǐng)域，具體涉及一種用于航天器光學(xué)系統(tǒng)紅外 定標(biāo)試驗(yàn)的冷屏結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
大型空間環(huán)境模擬器可以用于航天器產(chǎn)品的定標(biāo)試驗(yàn)，通過試驗(yàn)來驗(yàn)證航天器產(chǎn) 品經(jīng)受真空熱環(huán)境的能力，檢驗(yàn)其設(shè)計(jì)的合理性，暴露組件的元器件和材料以及工藝的缺 陷。超低溫冷屏結(jié)構(gòu)是空間環(huán)境模擬器進(jìn)行定標(biāo)試驗(yàn)的重要設(shè)備，用于模擬太空的4K冷背 景，同時(shí)具有抽氣功能，使設(shè)備的負(fù)載真空度提高到5X 10-5 以上。在已往的冷屏結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，氦制冷機(jī)與冷屏不接觸，通過流動的氦氣帶走冷屏的 熱量，使冷屏溫度達(dá)到20K。但由于氦氣在冷屏中的流動換熱，導(dǎo)致現(xiàn)有冷屏具有降溫時(shí)間 長、系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)。針對上述問題，有必要采用其他的換熱方式增加冷屏的換熱效果。
發(fā)明內(nèi)容為解決上述問題，本實(shí)用新型的技術(shù)方案選用GM制冷機(jī)對冷屏進(jìn)行制冷，靠制冷 機(jī)冷頭與冷屏的傳導(dǎo)達(dá)到冷環(huán)境。本發(fā)明的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，包括若干臺GM制冷機(jī)、與GM制 冷機(jī)冷頭傳導(dǎo)制冷的冷屏、冷屏遮擋板、柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和銦片，其中，若干臺GM制冷機(jī)通過 安裝法蘭設(shè)置在真空容器上，安裝法蘭上方的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)支撐有制冷機(jī)機(jī)頭，GM制冷機(jī) 的一級冷頭通過一級冷頭法蘭與冷屏遮擋板的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板并通 過二級冷頭法蘭與冷屏機(jī)械連接，二級冷頭法蘭與冷屏之間設(shè)置有銦片，冷屏遮擋板包括 有兩側(cè)板，其縱截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防止它們直接輻射換熱。其中，柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)包括中空的支撐座，支撐座固定在安裝法蘭上，支撐座內(nèi)部 設(shè)置有波紋管組件，波紋管組件一端與安裝法蘭焊接，另一端與冷頭連接的法蘭螺紋連接， 構(gòu)成真空密封，在波紋管與支撐座之間設(shè)置供冷頭在橫向移動時(shí)與支撐座間成滾動摩擦的 滾珠。其中，所述若干臺GM制冷機(jī)為5臺GM制冷機(jī)。其設(shè)置方式為，四臺GM制冷機(jī)的 中心形成正方形，另一臺GM制冷機(jī)設(shè)置在正方形的中心上。優(yōu)選地，中間一臺GM制冷機(jī)的 冷頭固定安裝，其余4臺GM制冷機(jī)的冷頭支撐在柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上。其中，冷屏為一個(gè)ImXlm的整板，其下表面為蜂窩結(jié)構(gòu)的表面。本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于1、首次采用5臺GM制冷機(jī)提供冷源的制冷方式，使冷屏溫度達(dá)到20K以下，比使 用復(fù)雜的氦制冷系統(tǒng)成本低、可靠性高、簡化操作、提高效率；2、在制冷機(jī)冷頭和冷屏接觸面設(shè)計(jì)安裝銦片，利用銦片的良好塑性和低膨脹率解 決冷屏和冷頭間在材料冷縮至20K時(shí)的仍具有良好的導(dǎo)熱性；3、柔性真空密封支撐結(jié)構(gòu)成功解決冷屏冷縮時(shí)對制冷機(jī)冷頭橫向剪切力的補(bǔ)償問題，使應(yīng)用冷頭直接與冷屏傳導(dǎo)制冷的方案成為可能；冷屏表面采用蜂窩結(jié)構(gòu)表面，獲得了高于0. 98的表面紅外發(fā)射率。

圖1是本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)中的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 簡圖。圖中1、GM制冷機(jī)冷頭；2、安裝法蘭；3、一級冷頭法蘭；4、柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)；5、二級 冷頭法蘭；6、冷屏遮擋板；7、冷屏；8、銦片；9、真空容器；10、熱沉；11、滾珠；12、波紋管組 件；13、支撐座。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)作詳細(xì)說 明。圖1是本實(shí)用新型的用于航天器光學(xué)系統(tǒng)紅外定標(biāo)試驗(yàn)用的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)的 示意圖。其中，用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，包括若干臺GM制冷機(jī)、與GM制冷 機(jī)冷頭1傳導(dǎo)制冷的冷屏7、冷屏遮擋板6、柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4和銦片8，其中，若干臺GM制冷 機(jī)通過安裝法蘭2設(shè)置在真空容器9上，安裝法蘭2上方的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4支撐有GM制冷 機(jī)機(jī)頭1，GM制冷機(jī)的一級冷頭通過一級冷頭法蘭3與冷屏遮擋板6的上表面連接，二級冷 頭穿過冷屏遮擋板并通過二級冷頭法蘭5與冷屏7機(jī)械連接，二級冷頭法蘭5與冷屏7之 間設(shè)置有銦片8，冷屏遮擋板6包括有兩側(cè)板，其縱截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防 止它們直接輻射換熱。圖2是本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)中的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 簡圖。其中，柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4包括中空的支撐座13，支撐座13固定在安裝法蘭2上，支撐座 13內(nèi)部設(shè)置有波紋管組件12，波紋管組件12 —端與安裝法蘭2焊接，另一端與冷頭1連接 的法蘭螺紋連接，構(gòu)成真空密封，在波紋管組件12與支撐座13之間設(shè)置供冷頭在橫向移動 時(shí)與支撐座13間成滾動摩擦的滾珠11。優(yōu)選地，可以采用5臺GM制冷機(jī)。其設(shè)置方式為，四臺GM制冷機(jī)的中心形成正方 形，另一臺GM制冷機(jī)設(shè)置在正方形的中心上。冷屏為一個(gè)ImX Im的整板，其下表面為蜂窩 結(jié)構(gòu)的表面。采用5臺GM制冷機(jī)提供冷源的制冷方式并通過熱學(xué)模型分析合理布置5個(gè) 冷源的位置，保證整個(gè)冷屏的溫度均勻性小于I ；在制冷機(jī)冷頭和冷屏間設(shè)置銦片解決了 不同材料的螺栓連接由溫度變低產(chǎn)生的冷縮間隙影響傳熱的問題。冷屏從常溫下降到20K時(shí)的收縮量約為4. 8%。，按冷頭分布的位置計(jì)算每個(gè)冷頭 間的移動距離為2mm。如果中間通過5個(gè)冷頭安裝法蘭面固定的話，收縮時(shí)必然對冷頭產(chǎn)生 剪切，而這是冷頭所不允許的，冷頭自身特性允許的橫向切力不大于Wcg。因此設(shè)計(jì)時(shí)中間 一個(gè)冷頭固定安裝，其余4個(gè)冷頭設(shè)計(jì)了柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，解決超低溫時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。具體傳導(dǎo)過程為，冷屏靠G-M制冷機(jī)冷頭1與冷屏7傳導(dǎo)制冷，冷屏7的上表面和 G-M制冷機(jī)的二級冷頭法蘭5通過螺釘相連，冷屏的下表面為蜂窩狀，輻射制冷器散出的熱 量被冷屏下表面吸收，然后通過傳導(dǎo)傳給二級冷頭的法蘭面，由制冷機(jī)冷頭1帶走。冷屏遮擋板6的作用就是將冷屏和容器隔開，防止容器和冷屏直接輻射換熱，從而降低冷屏的 熱負(fù)荷，冷屏遮擋板吸收容器9和熱沉10的輻射熱，然后通過傳導(dǎo)傳給一級冷頭法蘭3，由 G-M制冷機(jī)帶走。其具體的安裝過程為，先將可橫向移動的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4安裝到容器的安裝法蘭 2上，再將制冷機(jī)冷頭1插入，與柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4的上法蘭面密封連接，然后將安裝法蘭裝到 真空容器9上。在真空容器9內(nèi)將冷屏遮擋板6分為五塊分別安裝在一級冷頭法蘭3上， 使因溫度產(chǎn)生的應(yīng)力可以減弱到冷頭允許范圍內(nèi)；冷屏7為一個(gè)整體，最后安裝到二級冷 頭法蘭5上，安裝時(shí)在連接面安裝銦片8。柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)4中波紋管組件12 —端與安裝法蘭2焊接，另一端法蘭與冷頭1螺 接，構(gòu)成真空密封。支撐座13起到支撐波紋管的作用，避免在大氣壓下波紋管軸向壓縮。在 波紋管12與支撐座13之間安裝滾珠11，使冷頭在橫向移動時(shí)與支撐座13間成滾動摩擦， 減小摩擦力。圖2的本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)中的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu) 的位移所需力的估算波紋管選擇的是通徑125mm，壁厚0. 2mm,波距9mm，波高16mm，波數(shù)11波的型號。 橫向剛度值為1. Ag/mm，移動2mm需要3. 4kg。冷頭和波紋管在試驗(yàn)工況下要承受的大氣壓力，那么法蘭與滾珠的滾動摩 擦力F = f · N，摩擦系數(shù)f取0. 005，計(jì)算摩擦力F為0. 625N。那么理論上橫向位移所需的力為4kg，但實(shí)際上由于加工誤差、安裝誤差等原因會 比理論值大，因此為保證可靠性、安全性。此結(jié)構(gòu)同時(shí)通過試驗(yàn)驗(yàn)證，證明承受橫向位移產(chǎn) 生的推力值在冷頭能夠承受的剪切力范圍內(nèi)。為保證冷屏的溫度能達(dá)到20K，并且均勻性小于3K，通過熱學(xué)模型分析在承受80W 熱負(fù)荷時(shí)的合理布局。試驗(yàn)時(shí)先由真空容器9的真空系統(tǒng)對容器抽真空，進(jìn)入量級時(shí)熱沉10充液 氮預(yù)冷，同時(shí)冷屏7也可以開GM制冷機(jī)進(jìn)行預(yù)冷。熱沉10在1小時(shí)內(nèi)即達(dá)到100K，冷屏7 在開機(jī)后5小時(shí)測點(diǎn)溫度均低于20K。盡管上文對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
給予了詳細(xì)描述和說明，但是應(yīng)該指明的 是，我們可以依據(jù)本實(shí)用新型的構(gòu)想對上述實(shí)施方式進(jìn)行各種等效改變和修改，其所產(chǎn)生 的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時(shí)，均應(yīng)在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，包括若干臺GM制冷機(jī)、與GM制冷機(jī)冷頭 (1)傳導(dǎo)制冷的冷屏(7)、冷屏遮擋板(6)、柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(4)和銦片(8)，其特征在于，若干 臺GM制冷機(jī)通過安裝法蘭(2)設(shè)置在真空容器(9)上，安裝法蘭(2)上方的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu) (4)支撐有制冷機(jī)機(jī)頭(1)，GM制冷機(jī)的一級冷頭通過一級冷頭法蘭C3)與冷屏遮擋板(6) 的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板(6)并通過二級冷頭法蘭(5)與冷屏(7)機(jī)械連 接，二級冷頭法蘭( 與冷屏(7)之間設(shè)置有銦片(8)，冷屏遮擋板(6)包括有兩側(cè)板，其縱 截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防止它們直接輻射換熱。
2.如權(quán)利要求1所述的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，其特征在于，柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)(4)包括中空的支 撐座(13)，支撐座(1 固定在安裝法蘭( 上，支撐座(1 內(nèi)部設(shè)置有波紋管組件(12)， 波紋管組件(12) —端與安裝法蘭(2)焊接，另一端與冷頭連接的法蘭螺紋連接，構(gòu)成真空 密封，在波紋管組件(1 與支撐座(1 之間設(shè)置供冷頭在橫向移動時(shí)與支撐座(1 間成 滾動摩擦的滾珠(11)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述若干臺GM制冷機(jī)為5 臺GM制冷機(jī)。
4.如權(quán)利要求3所述的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，其特征在于，5臺GM制冷機(jī)的設(shè)置方式為，四 臺GM制冷機(jī)的中心形成正方形，另一臺GM制冷機(jī)設(shè)置在正方形的中心上。
5.如權(quán)利要求4所述的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，其特征在于，中間的一臺GM制冷機(jī)的冷頭固 定安裝，其余4臺GM制冷機(jī)的冷頭支撐在柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)上。
6.如權(quán)利要求1或2所述的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，其特征在于，冷屏為一個(gè)ImXIm的整板， 其下表面為蜂窩結(jié)構(gòu)的表面。
專利摘要本實(shí)用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結(jié)構(gòu)，包括若干臺GM制冷機(jī)、冷屏、冷屏遮擋板、柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)和銦片，若干臺GM制冷機(jī)通過安裝法蘭設(shè)置在真空容器上，安裝法蘭上方的柔性補(bǔ)償機(jī)構(gòu)支撐有制冷機(jī)機(jī)頭，GM制冷機(jī)的一級冷頭通過一級冷頭法蘭與冷屏遮擋板的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板并通過二級冷頭法蘭與冷屏機(jī)械連接，二級冷頭法蘭與冷屏之間設(shè)置有銦片。超低溫冷屏采用GM制冷機(jī)提供冷源的制冷方式替代了以往使用的復(fù)雜氦制冷系統(tǒng)，降低了成本、提高了可靠性，簡化操作，節(jié)約時(shí)間，提高了我國的航天器部組件光學(xué)定標(biāo)試驗(yàn)?zāi)芰Α?br> 文檔編號G01M99/00GK201867309SQ20102057466
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月25日
發(fā)明者于謙虛, 劉敏, 劉波濤, 單巍巍, 楊瑞紅, 童華, 董雷, 韓瀟, 龔潔 申請人:北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所