专利名称：用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构的制作方法
技术领域：
本实用新型属于航天器真空热试验领域，具体涉及一种用于航天器光学系统红外 定标试验的冷屏结构。
背景技术：
大型空间环境模拟器可以用于航天器产品的定标试验，通过试验来验证航天器产 品经受真空热环境的能力，检验其设计的合理性，暴露组件的元器件和材料以及工艺的缺 陷。超低温冷屏结构是空间环境模拟器进行定标试验的重要设备，用于模拟太空的4K冷背 景，同时具有抽气功能，使设备的负载真空度提高到5X 10-5 以上。在已往的冷屏结构设计中，氦制冷机与冷屏不接触，通过流动的氦气带走冷屏的 热量，使冷屏温度达到20K。但由于氦气在冷屏中的流动换热，导致现有冷屏具有降温时间 长、系统复杂的缺点。针对上述问题，有必要采用其他的换热方式增加冷屏的换热效果。
发明内容为解决上述问题，本实用新型的技术方案选用GM制冷机对冷屏进行制冷，靠制冷 机冷头与冷屏的传导达到冷环境。本发明的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构，包括若干台GM制冷机、与GM制 冷机冷头传导制冷的冷屏、冷屏遮挡板、柔性补偿机构和铟片，其中，若干台GM制冷机通过 安装法兰设置在真空容器上，安装法兰上方的柔性补偿机构支撑有制冷机机头，GM制冷机 的一级冷头通过一级冷头法兰与冷屏遮挡板的上表面连接，二级冷头穿过冷屏遮挡板并通 过二级冷头法兰与冷屏机械连接，二级冷头法兰与冷屏之间设置有铟片，冷屏遮挡板包括 有两侧板，其纵截面呈梯形状以将冷屏和容器隔开，防止它们直接辐射换热。其中，柔性补偿机构包括中空的支撑座，支撑座固定在安装法兰上，支撑座内部 设置有波纹管组件，波纹管组件一端与安装法兰焊接，另一端与冷头连接的法兰螺纹连接， 构成真空密封，在波纹管与支撑座之间设置供冷头在横向移动时与支撑座间成滚动摩擦的 滚珠。其中，所述若干台GM制冷机为5台GM制冷机。其设置方式为，四台GM制冷机的 中心形成正方形，另一台GM制冷机设置在正方形的中心上。优选地，中间一台GM制冷机的 冷头固定安装，其余4台GM制冷机的冷头支撑在柔性补偿机构上。其中，冷屏为一个ImXlm的整板，其下表面为蜂窝结构的表面。本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构的特点在于1、首次采用5台GM制冷机提供冷源的制冷方式，使冷屏温度达到20K以下，比使 用复杂的氦制冷系统成本低、可靠性高、简化操作、提高效率；2、在制冷机冷头和冷屏接触面设计安装铟片，利用铟片的良好塑性和低膨胀率解 决冷屏和冷头间在材料冷缩至20K时的仍具有良好的导热性；3、柔性真空密封支撑结构成功解决冷屏冷缩时对制冷机冷头横向剪切力的补偿问题，使应用冷头直接与冷屏传导制冷的方案成为可能；冷屏表面采用蜂窝结构表面，获得了高于0. 98的表面红外发射率。
图1是本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构示意图；图2是本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构中的柔性补偿机构 简图。图中1、GM制冷机冷头；2、安装法兰；3、一级冷头法兰；4、柔性补偿机构；5、二级 冷头法兰；6、冷屏遮挡板；7、冷屏；8、铟片；9、真空容器；10、热沉；11、滚珠；12、波纹管组 件；13、支撑座。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构作详细说 明。图1是本实用新型的用于航天器光学系统红外定标试验用的超低温冷屏结构的 示意图。其中，用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构，包括若干台GM制冷机、与GM制冷 机冷头1传导制冷的冷屏7、冷屏遮挡板6、柔性补偿机构4和铟片8，其中，若干台GM制冷 机通过安装法兰2设置在真空容器9上，安装法兰2上方的柔性补偿机构4支撑有GM制冷 机机头1，GM制冷机的一级冷头通过一级冷头法兰3与冷屏遮挡板6的上表面连接，二级冷 头穿过冷屏遮挡板并通过二级冷头法兰5与冷屏7机械连接，二级冷头法兰5与冷屏7之 间设置有铟片8，冷屏遮挡板6包括有两侧板，其纵截面呈梯形状以将冷屏和容器隔开，防 止它们直接辐射换热。图2是本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构中的柔性补偿机构 简图。其中，柔性补偿机构4包括中空的支撑座13，支撑座13固定在安装法兰2上，支撑座 13内部设置有波纹管组件12，波纹管组件12 —端与安装法兰2焊接，另一端与冷头1连接 的法兰螺纹连接，构成真空密封，在波纹管组件12与支撑座13之间设置供冷头在横向移动 时与支撑座13间成滚动摩擦的滚珠11。优选地，可以采用5台GM制冷机。其设置方式为，四台GM制冷机的中心形成正方 形，另一台GM制冷机设置在正方形的中心上。冷屏为一个ImX Im的整板，其下表面为蜂窝 结构的表面。采用5台GM制冷机提供冷源的制冷方式并通过热学模型分析合理布置5个 冷源的位置，保证整个冷屏的温度均勻性小于I ；在制冷机冷头和冷屏间设置铟片解决了 不同材料的螺栓连接由温度变低产生的冷缩间隙影响传热的问题。冷屏从常温下降到20K时的收缩量约为4. 8%。，按冷头分布的位置计算每个冷头 间的移动距离为2mm。如果中间通过5个冷头安装法兰面固定的话，收缩时必然对冷头产生 剪切，而这是冷头所不允许的，冷头自身特性允许的横向切力不大于Wcg。因此设计时中间 一个冷头固定安装，其余4个冷头设计了柔性补偿机构，解决超低温时产生的温度应力。具体传导过程为，冷屏靠G-M制冷机冷头1与冷屏7传导制冷，冷屏7的上表面和 G-M制冷机的二级冷头法兰5通过螺钉相连，冷屏的下表面为蜂窝状，辐射制冷器散出的热 量被冷屏下表面吸收，然后通过传导传给二级冷头的法兰面，由制冷机冷头1带走。冷屏遮挡板6的作用就是将冷屏和容器隔开，防止容器和冷屏直接辐射换热，从而降低冷屏的 热负荷，冷屏遮挡板吸收容器9和热沉10的辐射热，然后通过传导传给一级冷头法兰3，由 G-M制冷机带走。其具体的安装过程为，先将可横向移动的柔性补偿机构4安装到容器的安装法兰 2上，再将制冷机冷头1插入，与柔性补偿机构4的上法兰面密封连接，然后将安装法兰装到 真空容器9上。在真空容器9内将冷屏遮挡板6分为五块分别安装在一级冷头法兰3上， 使因温度产生的应力可以减弱到冷头允许范围内；冷屏7为一个整体，最后安装到二级冷 头法兰5上，安装时在连接面安装铟片8。柔性补偿机构4中波纹管组件12 —端与安装法兰2焊接，另一端法兰与冷头1螺 接，构成真空密封。支撑座13起到支撑波纹管的作用，避免在大气压下波纹管轴向压缩。在 波纹管12与支撑座13之间安装滚珠11，使冷头在横向移动时与支撑座13间成滚动摩擦， 减小摩擦力。图2的本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构中的柔性补偿机构 的位移所需力的估算波纹管选择的是通径125mm，壁厚0. 2mm,波距9mm，波高16mm，波数11波的型号。 横向刚度值为1. Ag/mm，移动2mm需要3. 4kg。冷头和波纹管在试验工况下要承受的大气压力，那么法兰与滚珠的滚动摩 擦力F = f · N，摩擦系数f取0. 005，计算摩擦力F为0. 625N。那么理论上横向位移所需的力为4kg，但实际上由于加工误差、安装误差等原因会 比理论值大，因此为保证可靠性、安全性。此结构同时通过试验验证，证明承受横向位移产 生的推力值在冷头能够承受的剪切力范围内。为保证冷屏的温度能达到20K，并且均勻性小于3K，通过热学模型分析在承受80W 热负荷时的合理布局。试验时先由真空容器9的真空系统对容器抽真空，进入量级时热沉10充液 氮预冷，同时冷屏7也可以开GM制冷机进行预冷。热沉10在1小时内即达到100K，冷屏7 在开机后5小时测点温度均低于20K。尽管上文对本实用新型的具体实施方式
给予了详细描述和说明，但是应该指明的 是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生 的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。
权利要求1.用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构，包括若干台GM制冷机、与GM制冷机冷头 (1)传导制冷的冷屏(7)、冷屏遮挡板(6)、柔性补偿机构(4)和铟片(8)，其特征在于，若干 台GM制冷机通过安装法兰(2)设置在真空容器(9)上，安装法兰(2)上方的柔性补偿机构 (4)支撑有制冷机机头(1)，GM制冷机的一级冷头通过一级冷头法兰C3)与冷屏遮挡板(6) 的上表面连接，二级冷头穿过冷屏遮挡板(6)并通过二级冷头法兰(5)与冷屏(7)机械连 接，二级冷头法兰( 与冷屏(7)之间设置有铟片(8)，冷屏遮挡板(6)包括有两侧板，其纵 截面呈梯形状以将冷屏和容器隔开，防止它们直接辐射换热。
2.如权利要求1所述的超低温冷屏结构，其特征在于，柔性补偿机构(4)包括中空的支 撑座(13)，支撑座(1 固定在安装法兰( 上，支撑座(1 内部设置有波纹管组件(12)， 波纹管组件(12) —端与安装法兰(2)焊接，另一端与冷头连接的法兰螺纹连接，构成真空 密封，在波纹管组件(1 与支撑座(1 之间设置供冷头在横向移动时与支撑座(1 间成 滚动摩擦的滚珠(11)。
3.如权利要求1或2所述的超低温冷屏结构，其特征在于，所述若干台GM制冷机为5 台GM制冷机。
4.如权利要求3所述的超低温冷屏结构，其特征在于，5台GM制冷机的设置方式为，四 台GM制冷机的中心形成正方形，另一台GM制冷机设置在正方形的中心上。
5.如权利要求4所述的超低温冷屏结构，其特征在于，中间的一台GM制冷机的冷头固 定安装，其余4台GM制冷机的冷头支撑在柔性补偿机构上。
6.如权利要求1或2所述的超低温冷屏结构，其特征在于，冷屏为一个ImXIm的整板， 其下表面为蜂窝结构的表面。
专利摘要本实用新型的用于大型空间模拟器的超低温冷屏结构，包括若干台GM制冷机、冷屏、冷屏遮挡板、柔性补偿机构和铟片，若干台GM制冷机通过安装法兰设置在真空容器上，安装法兰上方的柔性补偿机构支撑有制冷机机头，GM制冷机的一级冷头通过一级冷头法兰与冷屏遮挡板的上表面连接，二级冷头穿过冷屏遮挡板并通过二级冷头法兰与冷屏机械连接，二级冷头法兰与冷屏之间设置有铟片。超低温冷屏采用GM制冷机提供冷源的制冷方式替代了以往使用的复杂氦制冷系统，降低了成本、提高了可靠性，简化操作，节约时间，提高了我国的航天器部组件光学定标试验能力。
文档编号G01M99/00GK201867309SQ20102057466
公开日2011年6月15日 申请日期2010年10月25日 优先权日2010年10月25日
发明者于谦虚, 刘敏, 刘波涛, 单巍巍, 杨瑞红, 童华, 董雷, 韩潇, 龚洁 申请人:北京卫星环境工程研究所