光學(xué)鏡頭性能測試用深低溫降溫系統(tǒng)設(shè)計及驗證

劉寶瑞，何紹棟，李立廣，隋 請，張春瑞，肖 越

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

0 引言

為了滿足某光學(xué)遙感器光學(xué)鏡頭面形測試和穩(wěn)定性測試需求，需要研制一套深低溫降溫系統(tǒng)，在現(xiàn)有環(huán)境模擬試驗設(shè)備所具備的真空（壓力≤1×10-4Pa）、冷黑（溫度≤100 K）環(huán)境基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展，實現(xiàn)30 K 的深低溫冷黑背景[1-3]。

真空環(huán)境下傳熱方式以熱輻射和熱傳導(dǎo)為主。由于遙感器光學(xué)鏡頭組件的特殊性，熱傳導(dǎo)方式不僅易造成其光潔表面污染，且很難保證整個產(chǎn)品的溫度均勻性，故通過深低溫背景環(huán)境熱輻射方式來達(dá)到產(chǎn)品測試所需的工況溫度是最有效的方法[4-5]。目前實現(xiàn)深低溫背景環(huán)境多采用氦流程系統(tǒng)，存在系統(tǒng)復(fù)雜、研制周期長及研制經(jīng)費(fèi)高等問題。

本文設(shè)計一種用于遙感器光學(xué)鏡頭降溫的深低溫降溫系統(tǒng)，采用成熟的機(jī)械降溫式GM 制冷機(jī)技術(shù)建立30 K 深低溫背景環(huán)境，從而實現(xiàn)光學(xué)鏡頭(60±1) K 的溫控指標(biāo)。機(jī)械降溫的原理主要是連續(xù)進(jìn)行西蒙膨脹絕熱放氣降溫，由壓縮系統(tǒng)提供穩(wěn)定的高壓氣源，膨脹系統(tǒng)產(chǎn)生冷量。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)應(yīng)能夠在真空低溫環(huán)境下實現(xiàn)產(chǎn)品溫度控制：工作環(huán)境的真空度優(yōu)于1×10-3Pa、溫度≤100 K；

控溫范圍60～300 K，60 K、160 K、200 K 時的溫度均勻性均優(yōu)于±1 K，平均升/降溫速率≥10 K/h，控溫精度優(yōu)于±1 K，溫度穩(wěn)定度優(yōu)于1 K/h。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

深低溫降溫系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1 所示，GM 制冷機(jī)冷頭安裝在真空容器法蘭上，通過導(dǎo)熱柱（導(dǎo)冷銅柱）和冷鏈（銅導(dǎo)熱索）將制冷機(jī)冷頭與深低溫背景艙（冷屏）連接。為了提高傳導(dǎo)效率，加快升/降溫速率，在各連接處采用銦片進(jìn)行導(dǎo)熱安裝[6]。

圖1 深低溫降溫系統(tǒng)設(shè)計示意Fig.1 Schematic of deep cryogenic cooling system design

1 系統(tǒng)組成及指標(biāo)

1.1 系統(tǒng)組成

深低溫降溫系統(tǒng)由深低溫背景艙、冷鏈、導(dǎo)熱柱、GM 制冷機(jī)、加熱器、溫度傳感器、溫控儀等組成，背景艙主要提供冷黑環(huán)境，冷鏈用于冷熱傳導(dǎo)，導(dǎo)熱柱用于制冷機(jī)與冷鏈的連接，加熱器用于快速升溫，溫度傳感器用于實時監(jiān)測溫度變化，溫控儀作為控制儀表實現(xiàn)外部軟件溫度控制。

2.2 工作流程

根據(jù)試驗?zāi)繕?biāo)搭建試驗驗證流程如圖2 所示。

圖2 低溫鏡頭驗證試驗流程Fig.2 Verication test procedure of cryogenic lens

深低溫降溫系統(tǒng)搭建完成后，環(huán)境模擬試驗設(shè)備建立真空環(huán)境，真空度達(dá)到10-2Pa 后熱沉加注液氮建立液氮冷背景環(huán)境，液氮的極限制冷能力在100 K 左右，要到達(dá)更低的溫度就需要啟動制冷機(jī)。通過前期液氮預(yù)冷，在冷背景溫度＜150 K 后，啟動GM 制冷機(jī)開始建立深低溫背景環(huán)境，當(dāng)產(chǎn)品溫度達(dá)到目標(biāo)溫度±5 K 時，啟動溫控儀對深低溫背景艙進(jìn)行控溫，通過控制加熱器和制冷機(jī)的冷熱配合，使產(chǎn)品達(dá)到試驗所需工況目標(biāo)溫度[4]。

2.3 制冷系統(tǒng)設(shè)計

制冷系統(tǒng)應(yīng)用于真空環(huán)境，主要材料為無氧銅，傳熱方式以熱輻射和熱傳導(dǎo)為主[4,7]。系統(tǒng)熱負(fù)荷主要來自于系統(tǒng)預(yù)冷的熱負(fù)荷和輻射漏熱。深低溫背景艙內(nèi)側(cè)噴涂航天特種黑漆，表面發(fā)射率為0.9，以最低控溫需求60 K 進(jìn)行計算。制冷系統(tǒng)主要構(gòu)件的尺寸如表1 所示。

表1 制冷系統(tǒng)主要構(gòu)件尺寸Table 1 Dimensions of the main components of refrigeration system

1）系統(tǒng)預(yù)冷熱負(fù)荷為

式中：Cp為無氧銅材料比熱容，390 J/(kg·K)；ms為系統(tǒng)總質(zhì)量，80 kg；ΔT為深低溫背景艙與熱沉溫度差，193 K；t為升降溫時間，36 000 s。計算得到系統(tǒng)預(yù)冷熱負(fù)荷Q1=167.2 W。

2）系統(tǒng)輻射漏熱為

式中：A1為系統(tǒng)外表面積，3 m2；A2為熱沉內(nèi)表面積，取無窮大；ε1為系統(tǒng)面對熱沉一面的吸收系數(shù)，0.9；ε2為熱沉內(nèi)表面的吸收系數(shù)，0.9；T1為深低溫背景艙溫度，60 K；T2為熱沉壁溫度，100 K。則計算得到背景艙溫度為60 K 時的系統(tǒng)輻射漏熱Q2=14.4 W。

得到所需制冷量為Q1+Q2=181.6 W，根據(jù)計算分析，選用CH110 系列制冷機(jī)可滿足設(shè)計需求[8]。GM 制冷機(jī)制冷量如圖3 所示。

圖3 GM 制冷機(jī)制冷量Fig.3 Refrigerating capacity of GM refrigerator

2.4 制冷結(jié)構(gòu)設(shè)計

光學(xué)鏡頭為透鏡，在其兩側(cè)各設(shè)置1 個壁厚2 mm、外徑287 mm、長700 mm 的銅質(zhì)圓筒狀深低溫背景艙對鏡頭輻射制冷，冷源來自2 臺GM 機(jī)械制冷機(jī)。銅柱與深低溫背景艙之間通過4 根長1 m、直徑50 mm 的銅冷鏈連接，每個深低溫背景艙各連接2 根冷鏈，沿周向均勻布置。支撐鏡頭的鏡框主體材料為鈦合金，支架材料為銦鋼。

2.5 加熱設(shè)計

在2 個深低溫背景艙上分別布置加熱回路進(jìn)行加熱控溫。加熱器直徑6 mm、長20 mm，額定電阻25 Ω，額定功率25 W；采用30 mm×25 mm×10 mm 的銅塊進(jìn)行封裝，下表面加工成與深低溫背景艙緊密貼合的弧面，控溫?zé)崦舨贾迷诠鈱W(xué)鏡頭側(cè)面?？販啬繕?biāo)為60 K、160 K 和200 K 時，加熱回路的控溫閾值分別設(shè)置為[59.5 K, 60.5 K]、[159.8K,160.2 K]和[199.8 K, 200.2 K]。

3 系統(tǒng)仿真及模擬試驗

3.1 仿真分析

低溫鏡頭工作于100 K 真空罐內(nèi)，控溫目標(biāo)為160 K/200 K 時，通過罐壁100 K 熱沉輻射即可將鏡頭降溫至目標(biāo)溫度，但是降溫速率較小。經(jīng)仿真分析，如圖4 所示，需要超過60 h 才能將鏡頭降溫至目標(biāo)溫度，無法滿足遙感型號的科研任務(wù)需求?？販啬繕?biāo)為60 K 時，罐壁100 K 熱沉輻射無法將鏡頭溫度降至目標(biāo)溫度，須在鏡頭周圍設(shè)置深低溫背景艙，采用機(jī)械式制冷機(jī)對背景艙進(jìn)行輔助制冷，并在背景艙上設(shè)置加熱回路進(jìn)行控溫；通過控制背景艙的溫度實現(xiàn)對光學(xué)鏡頭的間接控溫，保證鏡頭控溫指標(biāo)及升降溫要求。由于鏡頭口徑較大，為滿足±1 K 的控溫精度和溫度穩(wěn)定度要求，需要對系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計及驗證。

圖4 無深低溫降溫系統(tǒng)時鏡頭降溫曲線Fig.4 Lens cooling curve without deep cryogenic cooling system

使用Thermal Desktop 軟件建立降溫系統(tǒng)熱分析模型時對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外形復(fù)雜的部件進(jìn)行了適當(dāng)簡化，如去掉圓角及不影響傳熱路徑的螺釘?shù)龋豢紤]內(nèi)部對輻射遮擋和導(dǎo)熱影響微弱的零部件[9-11]。簡化后的降溫系統(tǒng)熱分析模型如圖5 所示，并按照不同控溫目標(biāo)（工況）進(jìn)行仿真分析。

圖5 降溫系統(tǒng)熱分析模型Fig.5 Thermal analysis model of cooling system

1）鏡頭控溫60 K，鏡片為反射鏡，鏡片表面發(fā)射率設(shè)置為0.05 的工況。圖6(a)顯示，鏡頭溫度在59.9～60.70 K 之間，能夠?qū)崿F(xiàn)(60±1) K 的控溫要求；圖6(b)顯示，鏡頭從290 K 降溫至60 K 大約需要80 000 s，約22.2 h；圖6(c)顯示，鏡頭在1 h 內(nèi)的最大溫度波動凈值約為0.8 K，滿足1 K/h 的溫度穩(wěn)定度要求。

圖6 鏡頭控溫目標(biāo)為60 K 時的分析結(jié)果Fig.6 Analysis results of lens at temperature control target of 60 K

2）鏡頭控溫160 K，鏡片為透鏡，鏡片表面發(fā)射率設(shè)置為0.7 的工況。圖7(a)顯示，鏡頭溫度在59.9～60.70 K 之間，能夠?qū)崿F(xiàn)(60±1) K 的控溫要求；圖7(b)顯示，鏡頭從290 K 降溫至60 K 大約需要80 000 s，約22.2 h；圖7(c)顯示，鏡頭在1 h 內(nèi)的最大溫度波動凈值約為0.8 K，滿足1 K/h 的溫度穩(wěn)定度要求。

圖7 鏡頭控溫目標(biāo)為160 K 時的分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of lens at temperature control target of 160 K

3）鏡頭控溫200 K，鏡片為透鏡，鏡片表面發(fā)射率設(shè)為0.7 的工況。圖8(a)顯示，鏡頭溫度在199.7～200 K 之間，能夠?qū)崿F(xiàn)(200±1) K 的控溫要求；圖8(b)顯示，鏡頭從290 K 降溫至200 K 大約需要35 000 s，約9.7 h；圖8(c)顯示，鏡頭在1 h 內(nèi)的最大溫度波動凈值約為0.3 K，滿足1 K/h 的溫度穩(wěn)定度要求。

圖8 鏡頭控溫目標(biāo)為200 K 時的分析結(jié)果Fig.8 Analysis results of lens at temperature control target of 200 K

3.2 模擬試驗

仿真結(jié)果初步說明制冷系統(tǒng)能滿足對光學(xué)鏡頭的降溫需求。下面根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，進(jìn)行試驗驗證。通過試驗數(shù)據(jù)比對，提取數(shù)據(jù)曲線可以得出實際試驗結(jié)果，如圖9、圖10 所示?？梢钥吹?，測點(diǎn)1 和測點(diǎn)2 的溫差在±1 K 以內(nèi)，試驗形成的曲線狀態(tài)基本重合。試驗結(jié)果顯示，在真空熱試驗過程中，本文所設(shè)計的深低溫降溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)(60±1) K、(160±1) K、(200±1) K 的控溫目標(biāo)，為低溫鏡頭的試驗驗證提供了較好的控溫方式。

圖9 深低溫背景艙降溫曲線Fig.9 Cooling curve of deep cryogenic background chamber

圖10 光學(xué)鏡頭控溫曲線Fig.10 Temperature control curve of optical lens

4 結(jié)束語

本文成功實現(xiàn)了遙感器光學(xué)鏡頭深低溫環(huán)境的地面試驗驗證，表明所設(shè)計的深低溫降溫系統(tǒng)能夠滿足光學(xué)鏡頭性能測試需求。其中，背景艙與鏡頭的非接觸設(shè)計避免了背景艙高低溫變形對鏡頭的影響；冷鏈設(shè)計避免了剛性連接產(chǎn)生的冷熱應(yīng)力，提高了連接的安全性；銦鋼支架的設(shè)計減少了熱損失，提高了系統(tǒng)控溫精度。

驗證試驗結(jié)果表明，降溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式設(shè)計合理，機(jī)械式制冷機(jī)的選取滿足降溫需求，光學(xué)鏡頭的控溫精度、溫度均勻度、溫度穩(wěn)定度均符合指標(biāo)要求，為后續(xù)型號的低溫光學(xué)鏡頭地面驗證提供了有力保障，同時提高了相關(guān)設(shè)備的研發(fā)能力。