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紅外焦平面探測器管理的論文
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(jì)算的基礎(chǔ)上，對影響傳熱溫差、紅外探測器溫度均勻性因素進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)開展該制冷方案的冷量傳輸特性實(shí)驗(yàn)研究。
關(guān)鍵詞：機(jī)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(xué)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(shè)備，如輻射制冷器、儲(chǔ)能式制冷器、機(jī)械制冷機(jī)等。機(jī)械制冷機(jī)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(yīng)用越來越廣泛。超長線列紅外器件與制冷機(jī)的耦合方式通常為間接耦合，即探測器與制冷機(jī)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(dòng)對探測器的影響，且制冷機(jī)與探測器的設(shè)計(jì)位置也比較靈活，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)制冷。但由于在超長線列的焦平面系統(tǒng)中，冷平臺(tái)的尺寸很大，單冷源多點(diǎn)制冷可能會(huì)造成探測單元間溫度不均。當(dāng)探測器單元間溫度有差異時(shí)，單元間將產(chǎn)生D*和D(,T)的差異，從而在圖像上產(chǎn)生由響應(yīng)單元溫差引起的空間非均勻性，導(dǎo)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(guān)重要的。同時(shí)，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(fù)載之間的溫差，從而使制冷機(jī)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(jī)耦合系統(tǒng)采用間接耦合方式，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)有兩個(gè)波段，每個(gè)波段探測器的工作溫度為100K，由一臺(tái)斯特林制冷機(jī)制冷，試驗(yàn)時(shí)也可由液氮杜瓦代替。探測器冷平臺(tái)尺寸約為200×40，制冷機(jī)冷頭通過柔性冷鏈連接與之相連。為了實(shí)現(xiàn)探測器溫度均勻性的目標(biāo)，每個(gè)冷平臺(tái)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(gòu)成。經(jīng)測試得到，該冷鏈具有很高的熱導(dǎo)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(xué)目標(biāo)是在斯特林制冷機(jī)提供6W@95K的制冷量時(shí)，探測器冷平臺(tái)的溫度達(dá)到100K，冷箱的寄生漏熱達(dá)到使用要求。
由于需要進(jìn)行多點(diǎn)制冷，柔性冷鏈兩端的空間位置關(guān)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(jì)算確定不同冷鏈的厚度，進(jìn)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(dǎo)率；
a—冷鏈寬度;
b—組成冷鏈的銅片厚度；
由于耦合系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且存在很多不確定因素，要建立一個(gè)精確的熱力學(xué)模型來研究冷平臺(tái)的溫度均勻性是比較費(fèi)力的，因此需要對模型進(jìn)行簡化。如圖2所示，
圖2探測器冷平臺(tái)熱分析模型示意圖
冷平臺(tái)的得熱包括：
Qg―探測器本身產(chǎn)生的熱量
Qr－外殼的輻射漏熱
Qc－通過支撐的傳導(dǎo)漏熱
而Q0為通過冷鏈傳走的熱量，根據(jù)能量守恒可知：
Q0=Qg+Qr+Qc
Qr的數(shù)值可以根據(jù)式(2)近似計(jì)算得
(2)
式中：稱為相當(dāng)發(fā)射率；
�。�5.67W/m2K4；
T1、T2分別為外殼和冷平臺(tái)的溫度；
F1、F2分別為外殼的內(nèi)表面積與冷平臺(tái)的估算面積；
Qc可由式(3)算得：
(3)
式中：為支撐的熱導(dǎo)率；
D、d分別為支撐的粗端外經(jīng)與細(xì)端外經(jīng)；
為薄壁支撐厚度；
分別為粗端與細(xì)端溫度，可通過試驗(yàn)以往的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得到；
L為支撐高度；
假設(shè)冷平臺(tái)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(zhuǎn)移到冷平臺(tái)上，即包含于Qr中。此時(shí)冷鏈傳熱特性為線性，即(1)式是可行的。
同時(shí)假設(shè)Qr+Qc為等效冷平臺(tái)體積熱而作用于整個(gè)冷平臺(tái)上，而Qg由于是探測器所耗散的熱，故作用于冷平臺(tái)的表面。
冷平臺(tái)上冷鏈的布置點(diǎn)均勻分布于中間線上，當(dāng)用6W@95K斯特領(lǐng)制冷機(jī)制冷時(shí)，其溫度理論值應(yīng)該為設(shè)計(jì)溫度100K。
根據(jù)上述模型通過數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果如圖3所示。
圖3探測器冷平臺(tái)的溫度場
從計(jì)算結(jié)果中可以看出冷平臺(tái)的溫度均勻性較好。
3冷量傳輸試驗(yàn)
3.1試驗(yàn)臺(tái)
為了測試系統(tǒng)從冷指到冷平臺(tái)的傳熱特性以及冷平臺(tái)溫度均勻性，我們搭建了如圖4所示的試驗(yàn)平臺(tái)。由液氮杜瓦代替斯特林制冷機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。冷箱內(nèi)部的關(guān)鍵部位上共布置了27個(gè)Pt100電阻溫度傳感器，每個(gè)Pt電阻通過三點(diǎn)法標(biāo)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(gè)探測器冷平臺(tái)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(yàn)臺(tái)
1－液氮杜瓦；2－冷箱底板；
3－箱體罩；4－數(shù)據(jù)采集引線
3.2試驗(yàn)步驟
實(shí)驗(yàn)時(shí)，先對系統(tǒng)抽真空，同時(shí)對液氮杜瓦內(nèi)的活性炭加熱，以使其盡量放氣，直至真空升至5×10－6Pa。這個(gè)過程進(jìn)行了約2小時(shí)。
然后啟動(dòng)溫度自動(dòng)采集系統(tǒng)，將液氮灌入液氮杜瓦中，此時(shí)可以記錄冷箱內(nèi)部各點(diǎn)溫度變化的過程。試驗(yàn)剛開始時(shí)，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(nèi)部部件溫度的降低，液氮蒸發(fā)量逐漸變小，約3小時(shí)后管口僅有少量霧氣。約4小時(shí)后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
隨后接通加熱電源，給冷平臺(tái)加熱1W，經(jīng)過約1.5小時(shí)后達(dá)到穩(wěn)定。
隨后將加熱量變?yōu)?.7W，約1小時(shí)后，達(dá)到穩(wěn)定。
3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
中波冷平臺(tái)中心點(diǎn)、液氮杜瓦冷頭及冷平臺(tái)鈦合金支撐的上下端在無加熱時(shí)的降溫曲線如圖5所示�？梢园l(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)經(jīng)過約4小時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
圖5降溫曲線圖
中波、短波冷平臺(tái)上各測溫點(diǎn)在無加熱、加熱0.7W、加熱1W時(shí)的溫度分別如圖6、圖7所示，圖中橫坐標(biāo)的數(shù)值表示溫度傳感器的編號(hào)。
圖6中波冷平臺(tái)各測溫點(diǎn)溫度
圖7短波冷平臺(tái)各測溫點(diǎn)溫度
各工況下冷平臺(tái)平均溫度、液氮杜瓦冷頭溫度如表1所示。
表1冷平臺(tái)與冷頭溫度匯總工況中波冷平臺(tái)平均溫度(K)短波冷平臺(tái)平均溫度(K)冷頭(K)中波冷平臺(tái)與冷頭T(K)短波冷平臺(tái)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(tái)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?yàn)橹胁ɡ淦脚_(tái)上無加熱，其溫升速度不及液氮杜瓦冷頭；而短波冷平臺(tái)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(tái)溫差與加熱量關(guān)系曲線
經(jīng)過計(jì)算得，冷箱的總寄生漏熱約為2.7W，則在本實(shí)驗(yàn)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(shè)系統(tǒng)總熱導(dǎo)K=Q/T,則中波傳熱機(jī)構(gòu)平均總熱導(dǎo)Km＝0.27W/K，短波傳熱機(jī)構(gòu)平均總熱導(dǎo)Ks＝0.21W/K。
排除個(gè)別奇異點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到的溫度均勻性與理論計(jì)算的結(jié)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(tái)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(tái)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(gè)體差異原因，造成這種傳感器個(gè)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(jié)論
本文介紹了一種超長線列紅外焦平面與空間機(jī)械制冷機(jī)的耦合方式，并對樣機(jī)進(jìn)行了傳熱性能實(shí)驗(yàn)。性能曲線顯示了該方式能有效地傳輸冷量。同時(shí)分析了影響溫度均勻性的因素。關(guān)于耦合系統(tǒng)的空間力學(xué)適應(yīng)性研究也將在不久的將來積極地進(jìn)行。
參考文獻(xiàn)
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