一种高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构的制作方法

本发明属于空间相机大面阵红外焦面制冷技术领域，尤其涉及一种高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构。

背景技术：

空间红外相机为了获取好的成像质量，红外面阵探测器需要工作在深低温环境(80k以下)，因此需要对探测器进行制冷，并对其进行杜瓦封装，使其形成杜瓦组件。目前脉冲管制冷机由于其寿命长、结构简单、机械振动小、制冷效率高等技术优势，已经替代辐射制冷剂成为空间红外相机面阵探测器制冷的首选。脉冲管制冷机，其由压缩机、膨胀机、热端、脉冲管、回热器、冷指等结构组成，其中热端、脉冲管、回热器、冷指与探测器进行杜瓦封装形成杜瓦组件，脉冲管一端连接热端，另外一端连接冷指，为提高轴向热阻，脉冲管为薄壁结构，为保证结构的气密性，脉冲管与热端、脉冲管与冷指均采用焊接，红外面阵探测器通过低热阻结构件与冷指连接，冷指为探测器提供低温环境。

为了尽量减小红外面阵探测器与冷指之间的热阻，冷指需要具有面积大、导热性能好的特点，因此冷指材料选用导热性能好的铜，且为实体结构。目前红外探测器多采用拼接方式实现大面阵焦面要求，尺寸为几十毫米，甚至上百毫米，冷指作为探测器热传导结构，其结构尺寸和重量均不容忽视，仅靠与脉冲管的薄壁焊接连接，无法承受卫星发射阶段的振动，其焊接处容易出现裂缝，会使制冷机性能下降、不稳定、乃至最终无法正常工作，因此需要增加冷指与杜瓦组件之间的支撑结构，提高整体结构的刚度，但增加的支撑结构需要具有高热阻的特点，以减小杜瓦组件的漏热率。

传统杜瓦冷指支撑结构采用金属支撑柱将冷指与杜瓦连接，此种结构型式的冷指一端与脉冲管焊接固定，另一端采用金属支撑柱与杜瓦结构连接，二者均为硬连接，容易过约束，存在较大的装配应力，且冷指为低温结构，杜瓦为常温结构，金属支撑柱连接二者会增加漏热。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构，利用玻璃纤维束的优点实现冷指高刚度支撑、同时实现冷指沿脉冲管轴向的刚度解耦，解决冷指过约束的结构变形问题，提高结构热阻，大大减小了冷指的漏热率。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构，包括：冷指、杜瓦、脉冲管、热端、玻璃纤维束和滚轮装置；其中，所述冷指和所述热端分别焊接在所述脉冲管的两端；所述热端温度在-30℃至-20℃之间，所述冷指的温度在80k以下；所述杜瓦焊接在热端上，所述杜瓦套于所述脉冲管的外表面；所述滚轮装置设置于所述杜瓦上，所述玻璃纤维束通过所述滚轮装置将所述冷指和所述杜瓦相连接。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述冷指的背部设置有纤维束接口，所述玻璃纤维束穿过纤维束接口并通过所述滚轮装置将所述冷指和所述杜瓦相连接。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述杜瓦的环槽设置有八个滚轮装置，八个滚轮装置均匀设置于环槽的外周；其中，八个滚轮装置为第一滚轮装置、第二滚轮装置、第三滚轮装置、第四滚轮装置、第五滚轮装置、第六滚轮装置、第七滚轮装置和第八滚轮装置；纤维束接口包括第一纤维束接口、第二纤维束接口、第三纤维束接口和第四纤维束接口；玻璃纤维束绕过第一滚轮装置后穿过第一纤维束接口，再绕过第四滚轮装置后再绕过第三滚轮装置，再穿过第二纤维束接口后再绕过第六滚轮装置，再绕过第五滚轮装置后再穿过第三纤维束接口，再绕过第八滚轮装置后再绕过第七滚轮装置，再穿过第四纤维束接口，再绕过第二滚轮装置。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述滚轮装置包括滚轮和滚轮轴；其中，所述滚轮轴与所述滚轮相连接。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述滚轮包括滚轮体和滚轮轴通孔；其中，所述环槽内开设有滚轮槽和滚轮轴安装孔；所述滚轮设置于滚轮槽内，滚轮轴穿过滚轮轴通孔并通过胶粘接于滚轮轴安装孔内。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述第一纤维束接口位于第一滚轮装置与第四滚轮装置连线的中点位置；所述第二纤维束接口位于第三滚轮装置与第六滚轮装置连线的中点位置；所述第三纤维束接口位于第五滚轮装置与第八滚轮装置连线的中点位置；所述第四纤维束接口位于第二滚轮装置与第七滚轮装置连线的中点位置。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述纤维束接口设置有注胶孔；其中，注胶孔用于为玻璃纤维束与冷指注胶。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述冷指背部设置有焊接面，其中，冷指与脉冲管在焊接面进行焊接。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述杜瓦上设置有观察窗口，其中，所述观察窗口用于观察玻璃纤维束穿过纤维束接口。

上述高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构中，所述杜瓦上设置有焊接内环面；其中，杜瓦与脉冲管在焊接内环面进行焊接。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)本发明的冷指支撑结构采用玻璃纤维束，既实现了冷指二维高刚度支撑，又实现了冷指沿脉冲管轴向的刚度解耦，减小脉冲管轴向定位的装配应力；

2)本发明的冷指支撑结构中，玻璃纤维束的低热导率和小截面可大大提高结构热阻，减小红外焦面组件制冷结构的整体漏热率；

3)本发明的冷指支撑结构中，玻璃纤维与冷指、杜瓦之间采用注胶装配的方式连接，解决了冷指与杜瓦过约束装配的结构变形问题，减小了冷指与杜瓦的装配应力；

4)本发明的冷指支撑结构的玻璃纤维束质量轻，减小了红外相机焦面组件的整体重量，解决了红外焦面组件制冷结构既要求抗振性能好、又要求漏热小的二者矛盾的难题。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为根据本发明的制备装置的整体示意图；

图2为根据本发明的冷指的结构示意图；

图3为根据本发明的杜瓦的结构示意图；

图4为根据本发明的滚轮的结构示意图；

图5为根据本发明的玻璃纤维束的连接示意图；

图6为根据本发明的玻璃纤维束与滚轮的连接示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1为根据本发明的制备装置的整体示意图。如图1所示，该高热阻高刚度的大面阵红外焦平面杜瓦冷指支撑结构包括：冷指1、杜瓦2、脉冲管3、热端4、玻璃纤维束5和滚轮装置；其中，

冷指1和热端4分别焊接在所述脉冲管3的两端；热端4温度在-30℃至-20℃之间，冷指1的温度在80k以下；杜瓦2焊接在热端4上，杜瓦2套于脉冲管3的外表面；滚轮装置设置于所述杜瓦2上，所述玻璃纤维束5通过滚轮装置将所述冷指1和所述杜瓦2相连接(如图6所示)。滚轮装置包括滚轮6和滚轮轴7；其中，所述滚轮轴7与所述滚轮6相连接。

滚轮6包括滚轮体61和滚轮轴通孔62；其中，所述环槽21内开设有滚轮槽24和滚轮轴安装孔25；所述滚轮6设置于滚轮槽24内，滚轮轴7穿过滚轮轴通孔62并通过胶粘接于滚轮轴安装孔25内。

根据脉冲管制冷机的结构要求，冷指1和热端4焊接在脉冲管3的两端，热端4温度在-30℃至-20℃之间，冷指1的温度在80k以下，脉冲管3作为二者的连接结构，为尽量减小冷指1和热端4之间的漏热，脉冲管3采用壁厚尽量薄的圆管结构，现有技术水平壁厚可以薄至0.2mm。杜瓦2焊接在热端4上，其温度也在-30℃至-20℃之间。

如图2所示，冷指1为纯铜圆板结构，前端为与红外面阵探测器连接的平面，背部有纤维束接口11、注胶孔12和焊接面13特征，纤维束接口11其上有一通孔，直径比玻璃纤维束5直径稍大，玻璃纤维束5连接冷指1与杜瓦2时从此通孔穿过，注胶孔12是为玻璃纤维束5与冷指1注胶而设置，冷指1与脉冲管3在焊接面13进行焊接连接。

如图5所示，杜瓦2的环槽21设置有八个滚轮装置，八个滚轮装置均匀设置于环槽21的外周；八个滚轮装置为第一滚轮装置100、第二滚轮装置200、第三滚轮装置300、第四滚轮装置400、第五滚轮装置500、第六滚轮装置600、第七滚轮装置700、第八滚轮装置800、

如图5所示，纤维束接口11包括第一纤维束接口111、第二纤维束接口112、第三纤维束接口113和第四纤维束接口114；

玻璃纤维束5绕过第一滚轮装置100后穿过第一纤维束接口111，再绕过第四滚轮装置400后再绕过第三滚轮装置300，再穿过第二纤维束接口112后再绕过第六滚轮装置600，再绕过第五滚轮装置500后再穿过第三纤维束接口113，再绕过第八滚轮装置800后再绕过第七滚轮装置700，再穿过第四纤维束接口114，再绕过第二滚轮装置200。

本实施例采用一根玻璃纤维束5即可实现冷指1与法兰2的固定支撑，各个纤维束段所施加的张力可保持一致，保证冷指1与法兰2受力均匀。当结构所处环境温度发生变化时，纤维束对冷指所造成的热变形为环向均布，保证冷指位置不会发生变化。

如图3所示，杜瓦2其上有环槽21、观察窗口22、焊接内环面23、滚轮槽24、滚轮轴安装孔25,玻璃纤维束5连接冷指1与杜瓦2时，玻璃纤维束5安装在环槽21内，环槽21内注满胶，将玻璃纤维束5粘接在杜瓦2上，环槽21所在位置平面需与冷指1上的纤维束接口11的所在位置平面重合。观察窗口22为玻璃纤维束5穿过冷指1的纤维束接口11的通孔所设置，环绕杜瓦2一周设置有多个观察窗口22。滚轮槽24为安装滚轮6所留出的空间，玻璃纤维束5在连接冷指1和杜瓦2的过程中，有折弯角度，在折弯的位置安装滚轮6，玻璃纤维束5从滚轮6上通过，改滑动摩擦为滚动摩擦，大大减小了玻璃纤维束5所受的摩擦力，同时避免杜瓦2结构折弯处的锐角边对玻璃纤维束5的损伤。

如图4所示，滚轮6其上有滚轮体61和滚轮轴通孔62特征，滚轮轴7穿过滚轮轴通孔62将滚轮6安装至杜瓦2的滚轮槽24内，滚轮轴7通过胶粘接在杜瓦2的滚轮轴安装孔25内。

冷指1、杜瓦2、脉冲管3和热端4按照结构要求先完成焊接，将四者装配起来，然后将玻璃纤维束5按照顺序穿过冷指1的纤维束接口11、滚轮槽61和杜瓦2的环槽21，穿插过程中通过观察窗口22查看玻璃纤维束5的状态，待穿插完毕后，玻璃纤维束5两端施加一定的力载荷，使玻璃纤维束5处于拉紧状态。通过注胶孔12往纤维束接口11的通孔内注满胶，杜瓦2的环槽21内也注满胶，待胶完全固化后，拆去力载荷，修整多余的玻璃纤维束5，完成了玻璃纤维束5的工艺实施。

拉紧的玻璃纤维束5在垂直于脉冲管3轴向的平面内形成一张二维网络，实现冷指1与杜瓦2的连接，在垂直于脉冲管3轴向的平面内，玻璃纤维束5的高抗拉刚度实现了冷指1的定位支撑，限制了冷指1的振动幅度，而玻璃纤维束5的低抗弯刚度实现了冷指沿脉冲管3轴向的刚度解耦，减小了脉冲管3焊接处的应力。

按照脉冲管制冷机结构要求，冷指1、杜瓦2、脉冲管3和热端4先完成焊接成一个组件，四者的相对位置已固定好。滚轮轴7穿过滚轮轴通孔62将滚轮6安装至杜瓦2的滚轮槽24内，滚轮轴7通过胶粘接在杜瓦2的滚轮轴安装孔25内，待胶完全固化后安装玻璃纤维束5。

按照图5的顺序，将玻璃纤维束5依次穿过冷指1的纤维束接口11、滚轮槽61和杜瓦2的环槽21，穿插过程中通过观察窗口22查看玻璃纤维束5的状态，待穿插完毕后，玻璃纤维束5两端施加一定的力载荷，使玻璃纤维束5处于拉紧状态。通过注胶孔12往纤维束接口11的通孔内注满胶，杜瓦2的环槽21内也注满胶，待胶完全固化后，拆去力载荷，修整多余的玻璃纤维束5，完成了玻璃纤维束5的工艺实施。实施例中采用的胶均为低温胶dw-3。

根据本发明的基于玻璃纤维的高刚度高热阻的大面阵红外焦面冷指支撑结构，已经成功研制了重量3kg、功率3w、工作温度低至70k的红外焦面组件，由于冷指支撑结构引起的漏热仅为传统支撑结构的0.5％，且组件能承受20g的随机振动。

本实施例的玻璃纤维束的高抗拉刚度可实现冷指二维高刚度支撑，玻璃纤维束的低抗弯刚度可实现冷指沿脉冲管轴向的刚度解耦，玻璃纤维的低热导率和小截面可提高结构热阻，减小漏热，玻璃纤维与结构件之间采用注胶装配的方式连接，可解决冷指两端过约束的结构变形问题，且玻璃纤维束质量轻，这种支撑结构解决了冷指既要求抗振性能好、又要求漏热小的二者矛盾的难题，可适用于各种类型的红外面阵探测器的杜瓦冷指支撑结构。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。