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摘要：本文提出了一種雙光路超長線列紅外探測器的制冷方案，并在數(shù)值模擬和理論計算的基礎上，對影響傳熱溫差、紅外探測器溫度均勻性因素進行了分析。在此基礎上，重點開展該制冷方案的冷量傳輸特性實驗研究。

關鍵詞：機械制冷超長線列焦平面冷量傳輸

0前言

大規(guī)模超長線列掃描成像和凝視成像是航天光學遙感器的重要發(fā)展方向，它能夠大大地提高視場面積和地面分辨率。紅外探測器通常工作在低溫下,因此需要用到低溫制冷設備，如輻射制冷器、儲能式制冷器、機械制冷機等。機械制冷機體積小、冷量大、安裝方式靈活，且可靠性日益提高，因此在紅外遙感系統(tǒng)中的應用越來越廣泛。超長線列紅外器件與制冷機的耦合方式通常為間接耦合，即探測器與制冷機冷頭之間通過柔性“冷鏈”連接。這種方式可以明顯地降低冷指振動對探測器的影響，且制冷機與探測器的設計位置也比較靈活，可以實現(xiàn)多點制冷。但由于在超長線列的焦平面系統(tǒng)中，冷平臺的尺寸很大，單冷源多點制冷可能會造成探測單元間溫度不均。當探測器單元間溫度有差異時，單元間將產生D*和D(,T)的差異，從而在圖像上產生由響應單元溫差引起的空間非均勻性，導致紅外成像系統(tǒng)的性能下降。因此解決好溫度均勻性問題是至關重要的。同時，由于焦平面杜瓦（冷箱）的體積比小型的杜瓦大大增加，系統(tǒng)的漏熱量將大幅增加，因此必須有高效的傳熱部件，以降低冷源與負載之間的溫差，從而使制冷機發(fā)揮最大功效。

1耦合系統(tǒng)介紹

本文的研究對象，超長線列紅外焦平面與制冷機耦合系統(tǒng)采用間接耦合方式，其結構如圖1所示。該系統(tǒng)有兩個波段，每個波段探測器的工作溫度為100K，由一臺斯特林制冷機制冷，試驗時也可由液氮杜瓦代替。探測器冷平臺尺寸約為200×40，制冷機冷頭通過柔性冷鏈連接與之相連。為了實現(xiàn)探測器溫度均勻性的目標，每個冷平臺上都安裝了5條由SITP研制的一種新型的柔性冷鏈。其由厚度為0.05mm或0.1mm的紫銅片構成。經測試得到，該冷鏈具有很高的熱導率，且具有較大柔度。

2冷量傳輸理論分析

本耦合系統(tǒng)的熱學目標是在斯特林制冷機提供6W@95K的制冷量時，探測器冷平臺的溫度達到100K，冷箱的寄生漏熱達到使用要求。

由于需要進行多點制冷，柔性冷鏈兩端的空間位置關系和冷鏈的折彎余量決定了冷鏈的長度不都相同，因此需計算確定不同冷鏈的厚度，進而確定每條冷鏈所需銅片的數(shù)目n，如式(1)：

(1)

Q—每條冷鏈需傳輸?shù)臒崃浚?/p>

L—冷鏈的長度；

—熱導率；

a—冷鏈寬度;

b—組成冷鏈的銅片厚度；

由于耦合系統(tǒng)內部結構復雜，且存在很多不確定因素，要建立一個精確的熱力學模型來研究冷平臺的溫度均勻性是比較費力的，因此需要對模型進行簡化。如圖2所示，

圖2探測器冷平臺熱分析模型示意圖

冷平臺的得熱包括：

Qg―探測器本身產生的熱量

Qr－外殼的輻射漏熱

Qc－通過支撐的傳導漏熱

而Q0為通過冷鏈傳走的熱量，根據能量守恒可知：

Q0=Qg+Qr+Qc

Qr的數(shù)值可以根據式(2)近似計算得

(2)

式中：稱為相當發(fā)射率；

＝5.67W/m2K4；

T1、T2分別為外殼和冷平臺的溫度；

F1、F2分別為外殼的內表面積與冷平臺的估算面積；

Qc可由式(3)算得：

(3)

式中：為支撐的熱導率；

D、d分別為支撐的粗端外經與細端外經；

為薄壁支撐厚度；

分別為粗端與細端溫度，可通過試驗以往的實驗數(shù)據中得到；

L為支撐高度；

假設冷平臺的支撐部件及冷鏈從周圍通過輻射得到的熱量可以近似地轉移到冷平臺上，即包含于Qr中。此時冷鏈傳熱特性為線性，即(1)式是可行的。

同時假設Qr+Qc為等效冷平臺體積熱而作用于整個冷平臺上，而Qg由于是探測器所耗散的熱，故作用于冷平臺的表面。

冷平臺上冷鏈的布置點均勻分布于中間線上，當用6W@95K斯特領制冷機制冷時，其溫度理論值應該為設計溫度100K。

根據上述模型通過數(shù)值計算得到的結果如圖3所示。

圖3探測器冷平臺的溫度場

從計算結果中可以看出冷平臺的溫度均勻性較好。

3冷量傳輸試驗

3.1試驗臺

為了測試系統(tǒng)從冷指到冷平臺的傳熱特性以及冷平臺溫度均勻性，我們搭建了如圖4所示的試驗平臺。由液氮杜瓦代替斯特林制冷機進行試驗。冷箱內部的關鍵部位上共布置了27個Pt100電阻溫度傳感器，每個Pt電阻通過三點法標定（液氮、冰水混合物、常溫）。為減小漏熱，Pt電阻與冷箱電纜接口處用Ф0.1的錳銅絲連接。為了模擬紅外探測器的耗散熱，在一個探測器冷平臺的上安裝了4片相互串連的30×30的薄膜加熱片，以提供總量為0.7—1w的加熱量。

圖4冷量傳輸試驗臺

1－液氮杜瓦；2－冷箱底板；

3－箱體罩；4－數(shù)據采集引線

3.2試驗步驟

實驗時，先對系統(tǒng)抽真空，同時對液氮杜瓦內的活性炭加熱，以使其盡量放氣，直至真空升至5×10－6Pa。這個過程進行了約2小時。

然后啟動溫度自動采集系統(tǒng)，將液氮灌入液氮杜瓦中，此時可以記錄冷箱內部各點溫度變化的過程。試驗剛開始時，液氮蒸發(fā)量較大，液氮杜瓦管口有明顯的霧氣，隨著冷箱內部部件溫度的降低，液氮蒸發(fā)量逐漸變小，約3小時后管口僅有少量霧氣。約4小時后，系統(tǒng)達到穩(wěn)定狀態(tài)。

隨后接通加熱電源，給冷平臺加熱1W，經過約1.5小時后達到穩(wěn)定。

隨后將加熱量變?yōu)?.7W，約1小時后，達到穩(wěn)定。

3.3實驗結果和分析

中波冷平臺中心點、液氮杜瓦冷頭及冷平臺鈦合金支撐的上下端在無加熱時的降溫曲線如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)經過約4小時達到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5降溫曲線圖

中波、短波冷平臺上各測溫點在無加熱、加熱0.7W、加熱1W時的溫度分別如圖6、圖7所示，圖中橫坐標的數(shù)值表示溫度傳感器的編號。

圖6中波冷平臺各測溫點溫度

圖7短波冷平臺各測溫點溫度

各工況下冷平臺平均溫度、液氮杜瓦冷頭溫度如表1所示。

表1冷平臺與冷頭溫度匯總工況中波冷平臺平均溫度(K)短波冷平臺平均溫度(K)冷頭(K)中波冷平臺與冷頭∆T(K)短波冷平臺與冷頭∆T(K)

無加熱103.6106.698.55.18.1

加熱0.7W104.9109.499.959.5

加熱1W105.4110.6100.54.910.1

可以看出，中波冷平臺與液氮杜瓦冷頭的溫差隨著加熱量的增加而略有減少，這是因為中波冷平臺上無加熱，其溫升速度不及液氮杜瓦冷頭；而短波冷平臺與冷頭的溫差隨著加熱量的增大而增大，其趨勢如圖8所示：

圖8短波冷平臺溫差與加熱量關系曲線

經過計算得，冷箱的總寄生漏熱約為2.7W，則在本實驗中，中波得熱Qm為2.7/2=1.35W，短波得熱Qs為1.35+q(W)，其中q為不同工況下的加熱值，分別取0、0.7、1。

設系統(tǒng)總熱導K=Q/∆T,則中波傳熱機構平均總熱導Km＝0.27W/K，短波傳熱機構平均總熱導Ks＝0.21W/K。

排除個別奇異點，實驗結果得到的溫度均勻性與理論計算的結果有一定的差別，且表現(xiàn)出左右不對稱，分析其原因可能是每條冷鏈與冷平臺的接觸面積及由于螺釘?shù)木o固力不同造成接觸熱阻的不同。而同一冷平臺上各溫度傳感器在不同工況下的溫度走勢相同，可以排除溫度傳感器故障因素，但不排除溫度傳感器的個體差異原因，造成這種傳感器個體差異的原因可能是其引線的長短不完全相同，焊接不均造成的接觸電阻不同等。

4結論

本文介紹了一種超長線列紅外焦平面與空間機械制冷機的耦合方式，并對樣機進行了傳熱性能實驗。性能曲線顯示了該方式能有效地傳輸冷量。同時分析了影響溫度均勻性的因素。關于耦合系統(tǒng)的空間力學適應性研究也將在不久的將來積極地進行。

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