輻射制冷器用纖維支撐系統的工程化研究

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，根據輻射傳熱原理，通過結構的特殊設計，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起來，保證輻射制冷器結構完整性和紅外相機光學準直要求，同時又要最小化級間的傳導漏熱。

隨著航天技術的不斷發展，對紅外遙感儀器的探測性能指標不斷提高，致使探測器元數增加，探測波段不斷延伸，輻射制冷器的制冷量和制冷溫度指標不斷地刷新歷史記錄。探測器元數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械性能提出了更加苛刻的要求，輻射制冷器的級間支撐導熱造成的熱負載是各級熱負載的重要組成部分，降低級間支撐的傳導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星發射和軌道上各種復雜力學環境條件的考驗，級間支撐必須具有足夠的剛度和機械強度，確保探測器焦平面的位置精度。因此，級間支撐系統設計已成為星載輻射制冷器熱設計和總體結構設計的關鍵［2］。

隨著復合材料的不斷發展和成熟，越來越多的級間支撐采用了復合材料，目前中國已成功應用的級間支撐大多是環氧樹脂與某類纖維復合成帶狀或筒狀［2］。支撐帶或支撐筒的力學和熱學性能依賴于纖維和環氧樹脂的配比、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度也存在較大的差異。國外在超絕熱的低溫系統中，已轉向直接用高分子纖維懸吊的技術，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，在冷鏈周圍就是1 K溫區的箱體，所以在mK溫區和1 K溫區之間良好的絕熱是設備順利運行的關鍵。在此系統中采用了Keval纖維繩懸掛處于mK溫區的冷鏈，與周圍1 K的箱體進行隔熱安裝。表1給出了探測器部分的熱負載數據，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

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

表1 mK級溫區熱負載Table 1 Power loading on millikelvin stage

2 纖維支撐系統的優化設計

2.1 結構優化設計

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一般為軸對稱結構件，其優化設計的主要任務就是合理布置纖維繩的周向張角和軸向張角，使系統的剛度達最大。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，周向纖維繩數量也是結構剛性的影響因素。同時結合實際吊裝的可實現性，經優化設計后的纖維支撐系統結構如圖2所示，上下兩組各6根纖維繩，形成穩定的結構。

圖2 新纖維支撐系統三維圖Fig.2 3-D model of new fiber support system

2.2 纖維繩接頭組件的設計

纖維繩一般具有很高的抗拉強度和拉伸彈性模量，但抗壓性能幾乎為零，并且對于承受剪切力的能力較弱。因此在拉伸結構設計中盡量避免纖維受剪切力作用，本文選擇了成束的進口芳綸纖維原絲，在纖維繩制作及其與金屬接頭膠接上經過反復試驗，形成了成熟的制作工藝規范，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，充分發揮纖維自身優異的抗拉強度和拉伸彈性模量。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 系統準靜態分析和模態分析結果

3.1 模型的建立

采用實體建模后導入Ansys軟件進行網格劃分和力學分析。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節部分簡化處理。劃分網格時，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行局部網格加密。整個模型共劃分191 058個網格節點，其中加密后的單根纖維繩有7 040個網格節點。圖4為纖維支撐系統的網格劃分情況(圖中隱藏了冷塊配重塊部分)。

圖4 纖維支撐系統網格劃分Fig.4 Meshing of fiber support system

3.2 準靜態分析

根據試驗要求，對纖維支撐系統進行簡化和建模，劃分有限元網格。分別沿X、Y、Z方向施加8 g的慣性力，計算系統3個軸向的準靜態響應，輸出關鍵部位(包括12根纖維、一級殼體、杜瓦外殼)的位移和應力。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個方向準靜態分析結果。

表2 X、Y、Z各向準靜態過載分析結果Table 2 Results of static analysis

3.3 纖維預緊力計算

由于纖維材料只能受拉不能受壓，所以在使用時，必須將纖維繩進行預緊才能使用，預緊力須大于纖維繩在準靜態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緊力公式Fmin=2［σS］cos(θ/2)，其中 σ 為最大壓應力，S為纖維繩截面積。

3.4 模態分析

模擬纖維支撐系統的結構因發射時，力學環境可能引發的振動模態，對其整體結構強度、共振頻率和模態振型進行分析。結果見圖5，纖維支撐系統的第一階頻率為151.6 Hz，表現為杜瓦上下振動。分析結果表明，此結構大大提高了杜瓦系統的抗振性能，滿足工程應用的要求。

圖5 系統模態分析結果Fig.5 Result of modal analysis

4 振動試驗及結果分析

在衛星發射過程中，組件的抗振性能十分重要。通過對纖維支撐系統進行振動試驗，以確保在相應的力學環境下，系統不會被破壞。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三軸向進行振動試驗，結果總結如下:

(1)在正弦掃描振動的過程中，系統在100 Hz范圍內，未出現共振點;

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

(3)試驗結果表面該系統具有較好的剛性，結構穩定。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定的低溫平臺。

5 結論

主要針對新型輻射制冷器的級間纖維支撐系統做了吊裝結構的優化設計。通過Ansys有限元分析軟件，對系統進行準靜態過載分析和模態分析，得出的預緊力滿足力學環境要求，并通過振動試驗驗證了該優化設計的合理性，可以轉入實際的工程應用中。

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設計［J］.低溫工程，2000(2):18-23.

3 Adam L Woodcraft，Fred 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的設計和分析［J］.低溫工程，2007(2):15-20.

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