專利名稱：用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于航天器真空熱試驗領域，具體涉及一種用于航天器光學系統紅外 定標試驗的冷屏結構。
背景技術：
大型空間環境模擬器可以用于航天器產品的定標試驗，通過試驗來驗證航天器產 品經受真空熱環境的能力，檢驗其設計的合理性，暴露組件的元器件和材料以及工藝的缺 陷。超低溫冷屏結構是空間環境模擬器進行定標試驗的重要設備，用于模擬太空的4K冷背 景，同時具有抽氣功能，使設備的負載真空度提高到5X 10-5 以上。在已往的冷屏結構設計中，氦制冷機與冷屏不接觸，通過流動的氦氣帶走冷屏的 熱量，使冷屏溫度達到20K。但由于氦氣在冷屏中的流動換熱，導致現有冷屏具有降溫時間 長、系統復雜的缺點。針對上述問題，有必要采用其他的換熱方式增加冷屏的換熱效果。
發明內容為解決上述問題，本實用新型的技術方案選用GM制冷機對冷屏進行制冷，靠制冷 機冷頭與冷屏的傳導達到冷環境。本發明的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構，包括若干臺GM制冷機、與GM制 冷機冷頭傳導制冷的冷屏、冷屏遮擋板、柔性補償機構和銦片，其中，若干臺GM制冷機通過 安裝法蘭設置在真空容器上，安裝法蘭上方的柔性補償機構支撐有制冷機機頭，GM制冷機 的一級冷頭通過一級冷頭法蘭與冷屏遮擋板的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板并通 過二級冷頭法蘭與冷屏機械連接，二級冷頭法蘭與冷屏之間設置有銦片，冷屏遮擋板包括 有兩側板，其縱截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防止它們直接輻射換熱。其中，柔性補償機構包括中空的支撐座，支撐座固定在安裝法蘭上，支撐座內部 設置有波紋管組件，波紋管組件一端與安裝法蘭焊接，另一端與冷頭連接的法蘭螺紋連接， 構成真空密封，在波紋管與支撐座之間設置供冷頭在橫向移動時與支撐座間成滾動摩擦的 滾珠。其中，所述若干臺GM制冷機為5臺GM制冷機。其設置方式為，四臺GM制冷機的 中心形成正方形，另一臺GM制冷機設置在正方形的中心上。優選地，中間一臺GM制冷機的 冷頭固定安裝，其余4臺GM制冷機的冷頭支撐在柔性補償機構上。其中，冷屏為一個ImXlm的整板，其下表面為蜂窩結構的表面。本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構的特點在于1、首次采用5臺GM制冷機提供冷源的制冷方式，使冷屏溫度達到20K以下，比使 用復雜的氦制冷系統成本低、可靠性高、簡化操作、提高效率；2、在制冷機冷頭和冷屏接觸面設計安裝銦片，利用銦片的良好塑性和低膨脹率解 決冷屏和冷頭間在材料冷縮至20K時的仍具有良好的導熱性；3、柔性真空密封支撐結構成功解決冷屏冷縮時對制冷機冷頭橫向剪切力的補償問題，使應用冷頭直接與冷屏傳導制冷的方案成為可能；冷屏表面采用蜂窩結構表面，獲得了高于0. 98的表面紅外發射率。
圖1是本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構示意圖；圖2是本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構中的柔性補償機構 簡圖。圖中1、GM制冷機冷頭；2、安裝法蘭；3、一級冷頭法蘭；4、柔性補償機構；5、二級 冷頭法蘭；6、冷屏遮擋板；7、冷屏；8、銦片；9、真空容器；10、熱沉；11、滾珠；12、波紋管組 件；13、支撐座。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構作詳細說 明。圖1是本實用新型的用于航天器光學系統紅外定標試驗用的超低溫冷屏結構的 示意圖。其中，用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構，包括若干臺GM制冷機、與GM制冷 機冷頭1傳導制冷的冷屏7、冷屏遮擋板6、柔性補償機構4和銦片8，其中，若干臺GM制冷 機通過安裝法蘭2設置在真空容器9上，安裝法蘭2上方的柔性補償機構4支撐有GM制冷 機機頭1，GM制冷機的一級冷頭通過一級冷頭法蘭3與冷屏遮擋板6的上表面連接，二級冷 頭穿過冷屏遮擋板并通過二級冷頭法蘭5與冷屏7機械連接，二級冷頭法蘭5與冷屏7之 間設置有銦片8，冷屏遮擋板6包括有兩側板，其縱截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防 止它們直接輻射換熱。圖2是本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構中的柔性補償機構 簡圖。其中，柔性補償機構4包括中空的支撐座13，支撐座13固定在安裝法蘭2上，支撐座 13內部設置有波紋管組件12，波紋管組件12 —端與安裝法蘭2焊接，另一端與冷頭1連接 的法蘭螺紋連接，構成真空密封，在波紋管組件12與支撐座13之間設置供冷頭在橫向移動 時與支撐座13間成滾動摩擦的滾珠11。優選地，可以采用5臺GM制冷機。其設置方式為，四臺GM制冷機的中心形成正方 形，另一臺GM制冷機設置在正方形的中心上。冷屏為一個ImX Im的整板，其下表面為蜂窩 結構的表面。采用5臺GM制冷機提供冷源的制冷方式并通過熱學模型分析合理布置5個 冷源的位置，保證整個冷屏的溫度均勻性小于I ；在制冷機冷頭和冷屏間設置銦片解決了 不同材料的螺栓連接由溫度變低產生的冷縮間隙影響傳熱的問題。冷屏從常溫下降到20K時的收縮量約為4. 8%。，按冷頭分布的位置計算每個冷頭 間的移動距離為2mm。如果中間通過5個冷頭安裝法蘭面固定的話，收縮時必然對冷頭產生 剪切，而這是冷頭所不允許的，冷頭自身特性允許的橫向切力不大于Wcg。因此設計時中間 一個冷頭固定安裝，其余4個冷頭設計了柔性補償機構，解決超低溫時產生的溫度應力。具體傳導過程為，冷屏靠G-M制冷機冷頭1與冷屏7傳導制冷，冷屏7的上表面和 G-M制冷機的二級冷頭法蘭5通過螺釘相連，冷屏的下表面為蜂窩狀，輻射制冷器散出的熱 量被冷屏下表面吸收，然后通過傳導傳給二級冷頭的法蘭面，由制冷機冷頭1帶走。冷屏遮擋板6的作用就是將冷屏和容器隔開，防止容器和冷屏直接輻射換熱，從而降低冷屏的 熱負荷，冷屏遮擋板吸收容器9和熱沉10的輻射熱，然后通過傳導傳給一級冷頭法蘭3，由 G-M制冷機帶走。其具體的安裝過程為，先將可橫向移動的柔性補償機構4安裝到容器的安裝法蘭 2上，再將制冷機冷頭1插入，與柔性補償機構4的上法蘭面密封連接，然后將安裝法蘭裝到 真空容器9上。在真空容器9內將冷屏遮擋板6分為五塊分別安裝在一級冷頭法蘭3上， 使因溫度產生的應力可以減弱到冷頭允許范圍內；冷屏7為一個整體，最后安裝到二級冷 頭法蘭5上，安裝時在連接面安裝銦片8。柔性補償機構4中波紋管組件12 —端與安裝法蘭2焊接，另一端法蘭與冷頭1螺 接，構成真空密封。支撐座13起到支撐波紋管的作用，避免在大氣壓下波紋管軸向壓縮。在 波紋管12與支撐座13之間安裝滾珠11，使冷頭在橫向移動時與支撐座13間成滾動摩擦， 減小摩擦力。圖2的本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構中的柔性補償機構 的位移所需力的估算波紋管選擇的是通徑125mm，壁厚0. 2mm,波距9mm，波高16mm，波數11波的型號。 橫向剛度值為1. Ag/mm，移動2mm需要3. 4kg。冷頭和波紋管在試驗工況下要承受的大氣壓力，那么法蘭與滾珠的滾動摩 擦力F = f · N，摩擦系數f取0. 005，計算摩擦力F為0. 625N。那么理論上橫向位移所需的力為4kg，但實際上由于加工誤差、安裝誤差等原因會 比理論值大，因此為保證可靠性、安全性。此結構同時通過試驗驗證，證明承受橫向位移產 生的推力值在冷頭能夠承受的剪切力范圍內。為保證冷屏的溫度能達到20K，并且均勻性小于3K，通過熱學模型分析在承受80W 熱負荷時的合理布局。試驗時先由真空容器9的真空系統對容器抽真空，進入量級時熱沉10充液 氮預冷，同時冷屏7也可以開GM制冷機進行預冷。熱沉10在1小時內即達到100K，冷屏7 在開機后5小時測點溫度均低于20K。盡管上文對本實用新型的具體實施方式
給予了詳細描述和說明，但是應該指明的 是，我們可以依據本實用新型的構想對上述實施方式進行各種等效改變和修改，其所產生 的功能作用仍未超出說明書及附圖所涵蓋的精神時，均應在本實用新型的保護范圍之內。
權利要求1.用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構，包括若干臺GM制冷機、與GM制冷機冷頭 (1)傳導制冷的冷屏(7)、冷屏遮擋板(6)、柔性補償機構(4)和銦片(8)，其特征在于，若干 臺GM制冷機通過安裝法蘭(2)設置在真空容器(9)上，安裝法蘭(2)上方的柔性補償機構 (4)支撐有制冷機機頭(1)，GM制冷機的一級冷頭通過一級冷頭法蘭C3)與冷屏遮擋板(6) 的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板(6)并通過二級冷頭法蘭(5)與冷屏(7)機械連 接，二級冷頭法蘭( 與冷屏(7)之間設置有銦片(8)，冷屏遮擋板(6)包括有兩側板，其縱 截面呈梯形狀以將冷屏和容器隔開，防止它們直接輻射換熱。
2.如權利要求1所述的超低溫冷屏結構，其特征在于，柔性補償機構(4)包括中空的支 撐座(13)，支撐座(1 固定在安裝法蘭( 上，支撐座(1 內部設置有波紋管組件(12)， 波紋管組件(12) —端與安裝法蘭(2)焊接，另一端與冷頭連接的法蘭螺紋連接，構成真空 密封，在波紋管組件(1 與支撐座(1 之間設置供冷頭在橫向移動時與支撐座(1 間成 滾動摩擦的滾珠(11)。
3.如權利要求1或2所述的超低溫冷屏結構，其特征在于，所述若干臺GM制冷機為5 臺GM制冷機。
4.如權利要求3所述的超低溫冷屏結構，其特征在于，5臺GM制冷機的設置方式為，四 臺GM制冷機的中心形成正方形，另一臺GM制冷機設置在正方形的中心上。
5.如權利要求4所述的超低溫冷屏結構，其特征在于，中間的一臺GM制冷機的冷頭固 定安裝，其余4臺GM制冷機的冷頭支撐在柔性補償機構上。
6.如權利要求1或2所述的超低溫冷屏結構，其特征在于，冷屏為一個ImXIm的整板， 其下表面為蜂窩結構的表面。
專利摘要本實用新型的用于大型空間模擬器的超低溫冷屏結構，包括若干臺GM制冷機、冷屏、冷屏遮擋板、柔性補償機構和銦片，若干臺GM制冷機通過安裝法蘭設置在真空容器上，安裝法蘭上方的柔性補償機構支撐有制冷機機頭，GM制冷機的一級冷頭通過一級冷頭法蘭與冷屏遮擋板的上表面連接，二級冷頭穿過冷屏遮擋板并通過二級冷頭法蘭與冷屏機械連接，二級冷頭法蘭與冷屏之間設置有銦片。超低溫冷屏采用GM制冷機提供冷源的制冷方式替代了以往使用的復雜氦制冷系統，降低了成本、提高了可靠性，簡化操作，節約時間，提高了我國的航天器部組件光學定標試驗能力。
文檔編號G01M99/00GK201867309SQ20102057466
公開日2011年6月15日 申請日期2010年10月25日 優先權日2010年10月25日
發明者于謙虛, 劉敏, 劉波濤, 單巍巍, 楊瑞紅, 童華, 董雷, 韓瀟, 龔潔 申請人:北京衛星環境工程研究所