劉丁臻 陸 燕 李 忠

1 引言

空間輻射制冷是利用宇宙空間自然的高真空、深低溫(約4 K)和黑熱沉等有利條件，根據(jù)輻射傳熱原理，通過結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，使其不斷向空間輻射熱量，同時盡可能多地屏蔽外部熱流，以達(dá)到被動制冷的目的［1］。兩級制冷的輻射制冷器一般由外殼、中間級(亦稱一級)、制冷級(亦稱二級)和級間支撐等幾部分組成，其中級間支撐的主要作用是將輻射制冷器外殼與一級之間、一級與二級之間有效地連結(jié)起來，保證輻射制冷器結(jié)構(gòu)完整性和紅外相機(jī)光學(xué)準(zhǔn)直要求，同時又要最小化級間的傳導(dǎo)漏熱。

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，對紅外遙感儀器的探測性能指標(biāo)不斷提高，致使探測器元數(shù)增加，探測波段不斷延伸，輻射制冷器的制冷量和制冷溫度指標(biāo)不斷地刷新歷史記錄。探測器元數(shù)增加不僅增加了對制冷量的需求，而且也加大了制冷級組件的尺寸和重量。這就對輻射制冷器級間支撐的絕熱和機(jī)械性能提出了更加苛刻的要求，輻射制冷器的級間支撐導(dǎo)熱造成的熱負(fù)載是各級熱負(fù)載的重要組成部分，降低級間支撐的傳導(dǎo)漏熱是有效提高輻射制冷器制冷性能的主要措施。但同時又要能夠承受衛(wèi)星發(fā)射和軌道上各種復(fù)雜力學(xué)環(huán)境條件的考驗，級間支撐必須具有足夠的剛度和機(jī)械強(qiáng)度，確保探測器焦平面的位置精度。因此，級間支撐系統(tǒng)設(shè)計已成為星載輻射制冷器熱設(shè)計和總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵［2］。

隨著復(fù)合材料的不斷發(fā)展和成熟，越來越多的級間支撐采用了復(fù)合材料，目前中國已成功應(yīng)用的級間支撐大多是環(huán)氧樹脂與某類纖維復(fù)合成帶狀或筒狀［2］。支撐帶或支撐筒的力學(xué)和熱學(xué)性能依賴于纖維和環(huán)氧樹脂的配比、成型工藝以及成型時的固化溫度、時間、壓力等，即使同批次成型的支撐帶或支撐筒，它們的彈性模量和抗拉強(qiáng)度也存在較大的差異。國外在超絕熱的低溫系統(tǒng)中，已轉(zhuǎn)向直接用高分子纖維懸吊的技術(shù)，將低溫組件懸吊在高溫體上。英國的詹姆斯·克拉克·麥克斯韋望遠(yuǎn)鏡(JCMT)［3］中，SCUBA-2視場亞毫米波成像觀測儀，采用的焦平面探測器要求工作在mK級溫度，超低的制冷溫度，形成了復(fù)雜的制冷探測器組件如圖1所示。用于將冷量傳輸至探測器陣列的冷鏈處在mK級溫區(qū)，在冷鏈周圍就是1 K溫區(qū)的箱體，所以在mK溫區(qū)和1 K溫區(qū)之間良好的絕熱是設(shè)備順利運(yùn)行的關(guān)鍵。在此系統(tǒng)中采用了Keval纖維繩懸掛處于mK溫區(qū)的冷鏈，與周圍1 K的箱體進(jìn)行隔熱安裝。表1給出了探測器部分的熱負(fù)載數(shù)據(jù)，由此可見Kevlar漏熱僅占總熱量的2%，是理想的隔熱支撐材料。

圖1 1 K箱體和探測器組件Fig.1 1 K box and detector units

上海技術(shù)物理研究所是國內(nèi)輻射制冷器主要研究單位。在傳統(tǒng)的復(fù)合材料帶狀和杯狀隔熱支撐上已取得了成熟的工程應(yīng)用經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上，對纖維支撐進(jìn)行了初步探索，已取得了一些應(yīng)用經(jīng)驗［4］，如纖維的預(yù)緊、纖維的膠接工藝、整體吊裝工藝等。但在工程化應(yīng)用中，還存在一階固有頻率低的問題，本文總結(jié)了對此所做的工程化研究，并將應(yīng)用于未來新型輻射制冷器中。

表1 mK級溫區(qū)熱負(fù)載Table 1 Power loading on millikelvin stage

2 纖維支撐系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

柔軟的纖維繩用于支撐剛性物體，充分利用其抗拉性能，將被吊裝的物體通過纖維繩的“之”字狀布置后拉緊形成剛性連接。吊裝的纖維支撐系統(tǒng)一般為軸對稱結(jié)構(gòu)件，其優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)就是合理布置纖維繩的周向張角和軸向張角，使系統(tǒng)的剛度達(dá)最大。在輻射制冷器中被吊裝的部件是二級探測器杜瓦組件，在有限的空間中，周向纖維繩數(shù)量也是結(jié)構(gòu)剛性的影響因素。同時結(jié)合實際吊裝的可實現(xiàn)性，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計后的纖維支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，上下兩組各6根纖維繩，形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

圖2 新纖維支撐系統(tǒng)三維圖Fig.2 3-D model of new fiber support system

2.2 纖維繩接頭組件的設(shè)計

纖維繩一般具有很高的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量，但抗壓性能幾乎為零，并且對于承受剪切力的能力較弱。因此在拉伸結(jié)構(gòu)設(shè)計中盡量避免纖維受剪切力作用，本文選擇了成束的進(jìn)口芳綸纖維原絲，在纖維繩制作及其與金屬接頭膠接上經(jīng)過反復(fù)試驗，形成了成熟的制作工藝規(guī)范，包括粘接膠水的選擇、膠接固化時間等，保證膠水對纖維繩抗拉性能的影響降至最低，充分發(fā)揮纖維自身優(yōu)異的抗拉強(qiáng)度和拉伸彈性模量。圖3所示為纖維接頭組件最大拉斷力試驗時的曲線，由8束芳綸纖維原絲組成一股纖維，最大拉斷力接近2 400 N。

圖3 纖維繩接頭組件最大拉斷力曲線Fig.3 Maximum tensile load curve of fiber rope connector module

3 系統(tǒng)準(zhǔn)靜態(tài)分析和模態(tài)分析結(jié)果

3.1 模型的建立

采用實體建模后導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和力學(xué)分析。為提高計算效率，實體建模時，對不影響精度的倒角和安裝孔等細(xì)節(jié)部分簡化處理。劃分網(wǎng)格時，纖維繩的直徑大約0.9 mm左右，與模型中其它部件尺寸相比，相對較小，需要對纖維繩模型以及與纖維繩接觸面等部位進(jìn)行局部網(wǎng)格加密。整個模型共劃分191 058個網(wǎng)格節(jié)點，其中加密后的單根纖維繩有7 040個網(wǎng)格節(jié)點。圖4為纖維支撐系統(tǒng)的網(wǎng)格劃分情況(圖中隱藏了冷塊配重塊部分)。

圖4 纖維支撐系統(tǒng)網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of fiber support system

3.2 準(zhǔn)靜態(tài)分析

根據(jù)試驗要求，對纖維支撐系統(tǒng)進(jìn)行簡化和建模，劃分有限元網(wǎng)格。分別沿X、Y、Z方向施加8 g的慣性力，計算系統(tǒng)3個軸向的準(zhǔn)靜態(tài)響應(yīng)，輸出關(guān)鍵部位(包括12根纖維、一級殼體、杜瓦外殼)的位移和應(yīng)力。邊界條件按照實際裝配情況，對一級殼體上6個支撐固定點施加約束，限制其6個方向的自由度。表2給出了X、Y、Z 3個方向準(zhǔn)靜態(tài)分析結(jié)果。

表2 X、Y、Z各向準(zhǔn)靜態(tài)過載分析結(jié)果Table 2 Results of static analysis

3.3 纖維預(yù)緊力計算

由于纖維材料只能受拉不能受壓，所以在使用時，必須將纖維繩進(jìn)行預(yù)緊才能使用，預(yù)緊力須大于纖維繩在準(zhǔn)靜態(tài)過程中所受的最大壓力。本文采用的纖維吊裝組件中，纖維繩的直徑約為0.9 mm。由表2可知，纖維繩最大應(yīng)力為 101.54 MPa，如圖2所示，纖維繩組件共有2根，兩根之間的張角為θ，則每組纖維繩組件最小預(yù)緊力公式Fmin=2［σS］cos(θ/2)，其中 σ 為最大壓應(yīng)力，S為纖維繩截面積。

3.4 模態(tài)分析

模擬纖維支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)因發(fā)射時，力學(xué)環(huán)境可能引發(fā)的振動模態(tài)，對其整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、共振頻率和模態(tài)振型進(jìn)行分析。結(jié)果見圖5，纖維支撐系統(tǒng)的第一階頻率為151.6 Hz，表現(xiàn)為杜瓦上下振動。分析結(jié)果表明，此結(jié)構(gòu)大大提高了杜瓦系統(tǒng)的抗振性能，滿足工程應(yīng)用的要求。

圖5 系統(tǒng)模態(tài)分析結(jié)果Fig.5 Result of modal analysis

4 振動試驗及結(jié)果分析

在衛(wèi)星發(fā)射過程中，組件的抗振性能十分重要。通過對纖維支撐系統(tǒng)進(jìn)行振動試驗，以確保在相應(yīng)的力學(xué)環(huán)境下，系統(tǒng)不會被破壞。振動條件示于表3、表4中。

表3 正弦掃描量級Table 3 Magnitude of sine sweep

表4 隨機(jī)振動量級Table 4 Magnitude of random vibration

按照以上量級，分別在X、Y、Z三軸向進(jìn)行振動試驗，結(jié)果總結(jié)如下:

(1)在正弦掃描振動的過程中，系統(tǒng)在100 Hz范圍內(nèi)，未出現(xiàn)共振點;

(2)在隨機(jī)振動的過程中，一階共振頻率發(fā)生在120 Hz左右，表現(xiàn)為沿杜瓦軸向的上下振動;

(3)試驗結(jié)果表面該系統(tǒng)具有較好的剛性，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。為研制更大冷量的輻射制冷器提供了思路和解決辦法，為紅外元器件提供一個穩(wěn)定的低溫平臺。

5 結(jié)論

主要針對新型輻射制冷器的級間纖維支撐系統(tǒng)做了吊裝結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。通過Ansys有限元分析軟件，對系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)過載分析和模態(tài)分析，得出的預(yù)緊力滿足力學(xué)環(huán)境要求，并通過振動試驗驗證了該優(yōu)化設(shè)計的合理性，可以轉(zhuǎn)入實際的工程應(yīng)用中。

1 陸 燕.近極太陽同步軌道拋物面型輻射制冷器的理論研究［J］.低溫工程，1999(4):108-114.

2 朱建炳，潘雁頻.星載輻射制冷器支撐帶系統(tǒng)設(shè)計［J］.低溫工程，2000(2):18-23.

3 Adam L Woodcraft，F(xiàn)red CGannaway.Thermal design of the SCUBA-2 instrument detector stage and enclosure［J］.Proceedings of the SPIE，5498.

4 王力平，陸 燕.新型輻射制冷器用纖維支撐系統(tǒng)的設(shè)計和分析［J］.低溫工程，2007(2):15-20.

5 朱建炳，王小軍，潘雁頻，等.模態(tài)分析在輻射制冷器設(shè)計中的應(yīng)用［C］.第七屆全國低溫與制冷工程大會會議論文集，2007:95-103.