空间机械制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特

《空间机械制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。

1、空间机械制冷超长线列红外焦平面探测器的冷量传输特吴明勋何兴伟吴亦农纪国林摘要：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。关键词：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

2、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

3、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

4、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62K4；T1、T2分别为外壳和冷平台的温度；F1、F2分别为外壳的内表面积与冷平台的估算面积；Qc可由式(3)算得：(3)式中：为支撑的热导率；D、d分别为支撑的粗端外经与细端外经；为薄壁支撑厚度；分别为粗端与细端温度，可通过试验以往的实验数据中得到；L为支撑高度；假设冷平台的

5、支撑部件及冷链从周围通过辐射得到的热量可以近似地转移到冷平台上，即包含于Qr中。此时冷链传热特性为线性，即(1)式是可行的。同时假设Qr+Qc为等效冷平台体积热而作用于整个冷平台上，而Qg由于是探测器所耗散的热，故作用于冷平台的表面。冷平台上冷链的布置点均匀分布于中间线上，当用6W95K斯特领制冷机制冷时，其温度理论值应该为设计温度100K。根据上述模型通过数值计算得到的结果如图3所示。图3探测器冷平台的温度场从计算结果中可以看出冷平台的温度均匀性较好。3冷量传输试验3.1试验台为了测试系统从冷指到冷平台

6、的传热特性以及冷平台温度均匀性，我们搭建了如图4所示的试验平台。由液氮杜瓦代替斯特林制冷机进行试验。冷箱内部的关键部位上共布置了27个Pt100电阻温度传感器，每个Pt电阻通过三点法标定（液氮、冰水混合物、常温）。为减小漏热，Pt电阻与冷箱电缆接口处用Ф0.1的锰铜丝连接。为了模拟红外探测器的耗散热，在一个探测器冷平台的上安装了4片相互串连的30×30的薄膜加热片，以提供总量为0.7—1为2.7/2=1.35＝0.27W/K，短波传热机构平均总热导Ks＝0.21W/K。排除个别奇异点，实验结果得到的温度均

7、匀性与理论计算的结果有一定的差别，且表现出左右不对称，分析其原因可能是每条冷链与冷平台的接触面积及由于螺钉的紧固力不同造成接触热阻的不同。而同一冷平台上各温度传感器在不同工况下的温度走势相同，可以排除温度传感器故障因素，但不排除温度传感器的个体差异原因，造成这种传感器个体差异的原因可能是其引线的长短不完全相同，焊接不均造成的接触电阻不同等。4结论本文介绍了一种超长线列红外焦平面与空间机械制冷机的耦合方式，并对样机进行了传热性能实验。性能曲线显示了该方式能有效地传输冷量。同时分析了影响温度均匀性的因素。关于

8、耦合系统的空间力学适应性研究也将在不久的将来积极地进行。