辐射制冷器用纤维支撑系统的工程化研究

　　1 引 言

　　空间辐射制冷是利用宇宙空间自然的高真空、深低温( 约 4 K) 和黑热沉等有利条件，根据辐射传热原理，通过结构的特殊设计，使其不断向空间辐射热量，同时尽可能多地屏蔽外部热流，以达到被动制冷的目的[1]。两级制冷的辐射制冷器一般由外壳、中间级( 亦称一级) 、制冷级( 亦称二级) 和级间支撑等几部分组成，其中级间支撑的主要作用是将辐射制冷器外壳与一级之间、一级与二级之间有效地连结起来，保证辐射制冷器结构完整性和红外相机光学准直要求，同时又要最小化级间的传导漏热。

　　随着航天技术的不断发展，对红外遥感仪器的探测性能指标不断提高，致使探测器元数增加，探测波段不断延伸，辐射制冷器的制冷量和制冷温度指标不断地刷新历史记录。探测器元数增加不仅增加了对制冷量的需求，而且也加大了制冷级组件的尺寸和重量。这就对辐射制冷器级间支撑的绝热和机械性能提出了更加苛刻的要求，辐射制冷器的级间支撑导热造成的热负载是各级热负载的重要组成部分，降低级间支撑的传导漏热是有效提高辐射制冷器制冷性能的主要措施。但同时又要能够承受卫星发射和轨道上各种复杂力学环境条件的考验，级间支撑必须具有足够的刚度和机械强度，确保探测器焦平面的位置精度。因此，级间支撑系统设计已成为星载辐射制冷器热设计和总体结构设计的关键[2]。

　　随着复合材料的不断发展和成熟，越来越多的级间支撑采用了复合材料，目前中国已成功应用的级间支撑大多是环氧树脂与某类纤维复合成带状或筒状[2]。支撑带或支撑筒的力学和热学性能依赖于纤维和环氧树脂的配比、成型工艺以及成型时的固化温度、时间、压力等，即使同批次成型的支撑带或支撑筒，它们的弹性模量和抗拉强度也存在较大的差异。国外在超绝热的低温系统中，已转向直接用高分子纤维悬吊的技术，将低温组件悬吊在高温体上。英国的詹姆斯·克拉克·麦克斯韦望远镜( JCMT)[3]中，SCUBA-2 视场亚毫米波成像观测仪，采用的焦平面探测器要求工作在 mK 级温度，超低的制冷温度，形成了复杂的制冷探测器组件如图 1 所示。用于将冷量传输至探测器阵列的冷链处在 mK 级温区，在冷链周围就是 1 K 温区的箱体，所以在 mK 温区和 1 K 温区之间良好的绝热是设备顺利运行的关键。在此系统中采用了 Keval 纤维绳悬挂处于 mK 温区的冷链，与周围 1 K 的箱体进行隔热安装。表 1 给出了探测器部分的热负载数据，由此可见 Kevlar 漏热仅占总热量的 2%，是理想的隔热支撑材料。

　　上海技术物理研究所是国内辐射制冷器主要研究单位。在传统的复合材料带状和杯状隔热支撑上已取得了成熟的工程应用经验，在此基础上，对纤维支撑进行了初步探索，已取得了一些应用经验[4]，如纤维的预紧、纤维的胶接工艺、整体吊装工艺等。但在工程化应用中，还存在一阶固有频率低的问题，本文总结了对此所做的工程化研究，并将应用于未来新型辐射制冷器中。