用于真空低溫環(huán)境的熱像儀設(shè)備艙方案設(shè)計和分析

李建華，薛 蓮，南 華，劉得成，劉佳琪

（試驗物理與計算數(shù)學(xué)國家級重點實驗室，北京 100076）

用于真空低溫環(huán)境的熱像儀設(shè)備艙方案設(shè)計和分析

李建華，薛 蓮，南 華，劉得成，劉佳琪

（試驗物理與計算數(shù)學(xué)國家級重點實驗室，北京 100076）

為實現(xiàn)熱像儀在真空低溫環(huán)境下對目標(biāo)紅外輻射的測量，設(shè)計了熱像儀設(shè)備艙。該艙主要包括機械結(jié)構(gòu)與電氣系統(tǒng)，可為熱像儀提供溫度可控、壓力基本恒定的環(huán)境。其中，機械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熱像儀的結(jié)構(gòu)支撐和密封，電氣系統(tǒng)實現(xiàn)艙內(nèi)的溫度控制以及壓力監(jiān)測。文章運用有限元軟件仿真分析了溫度控制系統(tǒng)可實現(xiàn)的控溫范圍，并用試驗方法驗證了仿真分析方法的可靠性；還對設(shè)備艙的壓力變化及密封圈所需的預(yù)緊力進(jìn)行了估算。分析表明該設(shè)備艙能夠為熱像儀在真空低溫環(huán)境下提供正常的工作條件。

真空低溫環(huán)境；熱像儀；設(shè)備艙；有限元方法

0　引言

為研究目標(biāo)在空間環(huán)境下的紅外特性，一般需在地面建立空間環(huán)境模擬器以提供真空冷黑環(huán)境［1-4］，使用紅外探測儀器（如熱像儀）進(jìn)行目標(biāo)特性測試。但普通商用熱像儀對使用環(huán)境有嚴(yán)格要求，不能直接暴露在真空低溫環(huán)境中。因此，在溫度100 K、真空度10-3Pa的環(huán)境下使用熱像儀時，需設(shè)計一個設(shè)備艙，以提供一個溫度適宜、壓力相對恒定的環(huán)境，滿足熱像儀正常工作條件。

目前，對于用于真空低溫環(huán)境的紅外探測儀器的設(shè)備艙，國外已有類似報道［5］，但對具體的方案設(shè)計介紹較少。而國內(nèi)很少看到這方面的研究報道。

本文針對實際工作測試需求，開展了熱像儀設(shè)備艙方案設(shè)計與仿真分析，并對溫度控制效果、壓力變化情況進(jìn)行估算。

1　設(shè)備艙方案設(shè)計

設(shè)備艙位于空間環(huán)境模擬器內(nèi)，為其內(nèi)部的熱像儀提供機械安裝位置、電氣連接接口，以及適宜的溫度、壓力環(huán)境。因此，設(shè)備艙主要包括機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)兩部分。熱像儀的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)采集通過穿艙線纜與模擬器外的電控柜連接。

1.1機械結(jié)構(gòu)

設(shè)備艙的機械結(jié)構(gòu)由圓形容器、前蓋、后蓋3部分通過螺釘連接組成（如圖1所示），結(jié)合面有法蘭密封圈密封。圓形容器和前后蓋的材料均為不銹鋼，外部尺寸為φ360mm×620mm，內(nèi)部為φ340mm× 550mm。圓形容器的上下側(cè)壁上焊接有聯(lián)軸器，用于連接設(shè)備艙的支撐結(jié)構(gòu)。前蓋上開有透光窗口，直徑為90mm，厚度10mm，可保證熱像儀在設(shè)備艙內(nèi)全視場工作。窗口玻璃的材料為鍺，可透過波段為7～14 μm的長波紅外光，玻璃表面鍍膜，以實現(xiàn)高透過率，減少觀測窗口對熱像儀成像的影響。為避免熱像儀出現(xiàn)冷反射效應(yīng)［6］，其光軸方向與窗口玻璃表面法線方向有15°夾角。當(dāng)熱像儀用于目標(biāo)表面溫度或者輻射亮度測量時，窗口玻璃的透過率需要標(biāo)定，以剔除其對測量結(jié)果的影響。設(shè)備艙后蓋上安裝密封型穿艙接插件，用于連接設(shè)備艙內(nèi)外電纜。

圖1　熱像儀設(shè)備艙結(jié)構(gòu)示意Fig.1　Schematic diagram of the thermal camera canister

為便于熱像儀在設(shè)備艙內(nèi)拆裝，采用導(dǎo)軌托架方案（見圖2）。導(dǎo)軌安裝于圓形容器底板上，其上開有長腰形安裝孔，用于導(dǎo)軌的安裝和位置調(diào)節(jié)。托架的兩側(cè)面安裝4個滑塊，用于托架與導(dǎo)軌滑動配合。熱像儀安裝在前端的托架上，通過長腰形孔調(diào)節(jié)位置，采用沉頭螺釘自底向上緊固。托架前段設(shè)有一個限位支架，用于調(diào)整和限制托架的終止位置。

圖2　熱像儀艙內(nèi)結(jié)構(gòu)安裝示意Fig.2　Schematic diagram of structure installation inside the thermal camera canister

1.2電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要是為自身及艙內(nèi)熱像儀提供電源，接受后端控制臺的控制并保證艙內(nèi)溫度符合熱像儀工作要求；將艙內(nèi)溫度及壓力傳送至后端控制臺顯示，完成熱像儀Camlink接口的光電轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)與后端控制臺的長距離光纖通信。

電氣系統(tǒng)的組成如圖3所示。外部電源通過穿艙接插件后由電源轉(zhuǎn)換模塊負(fù)責(zé)給熱像儀、電加熱片、風(fēng)扇及環(huán)境控制器提供電源；溫度傳感器、氣壓傳感器采集艙內(nèi)溫度和壓力信號，由環(huán)境控制器自動控制電加熱片以及風(fēng)扇的工作狀態(tài)，實現(xiàn)艙內(nèi)溫度控制。為加強艙內(nèi)對流換熱效果，在艙內(nèi)設(shè)置風(fēng)扇（見圖1、圖2）以驅(qū)動艙內(nèi)空氣流動，并在出風(fēng)口設(shè)計了V形導(dǎo)流板，出口風(fēng)速≥1 m/s。

圖3　電氣系統(tǒng)組成框圖Fig.3　Components of the electronic system

2　熱控設(shè)計

設(shè)備艙內(nèi)部溫度范圍為-20～30 ℃，其外部的環(huán)境溫度在100 K左右。為此，需要在設(shè)備艙內(nèi)表面粘貼加熱片，同時布置熱敏電阻溫度傳感器，用于熱像儀溫度監(jiān)測及控制。

設(shè)備艙內(nèi)表面積約0.7 m2，假設(shè)其表面發(fā)射率0.8，設(shè)備艙表面溫度273 K，則根據(jù)斯忒藩-玻耳茲曼定律可以計算得到熱輻射為176 W。因此，設(shè)備艙加熱片的加熱功率設(shè)計為200 W，分為4路，每路功率為50 W，布置在圓形容器內(nèi)壁表面。

除加熱片安裝面外，設(shè)備艙內(nèi)、外表面均噴涂熱控黑漆，以增強輻射換熱性能。在設(shè)備艙與外部支撐面之間采用絕熱的玻璃鋼墊片。

2.1熱控設(shè)計的仿真分析

利用I-DEAS軟件建立了設(shè)備艙的有限元模型，并對模型進(jìn)行必要的簡化和假設(shè)，主要包括一些部件外形的適當(dāng)簡化，但簡化后的部件質(zhì)量不變。假設(shè)設(shè)備艙外部的環(huán)境溫度為 100 K；設(shè)備艙內(nèi)熱像儀、環(huán)境控制器均按照殼體建模，熱耗加在表面上；熱像儀總熱耗為30 W，其中散熱面為21 W，殼體9 W。

對兩種極端工況進(jìn)行了仿真分析：工況一，加熱片全關(guān)；工況二，加熱片全開。兩種工況下風(fēng)扇均打開，風(fēng)速設(shè)為1 m/s。熱像儀表面溫度分布如圖4所示?？梢?，工況一熱像儀穩(wěn)定后溫度范圍為-62.6～-52.0 ℃，工況二為21.9～32.5 ℃。因此，可以通過開/關(guān)部分或者全部加熱片實現(xiàn)設(shè)備艙內(nèi)溫度的控制。由于熱像儀表面無法粘貼加熱片，所以采用間接控溫方式，即設(shè)備艙內(nèi)表面加熱回路由熱像儀側(cè)面的熱敏電阻進(jìn)行控溫，控溫閾值為目標(biāo)值±1 ℃，也就是說，若目標(biāo)值為30 ℃，則控溫閾值為（30±1）℃。

圖4　熱像儀表面溫度分布Fig.4　Temperature distribution of the thermal camera in Case 1 and Case 2

2.2仿真分析結(jié)果的驗證

為了驗證熱分析結(jié)果的可靠性，室溫常壓環(huán)境下仿真分析采用了同樣的模型，同樣的假設(shè)條件，熱像儀四周存在自然對流，自然對流下?lián)Q熱系數(shù)約在5～10，計算中取10；輻射的發(fā)射率取0.85；空氣溫度為20 ℃；熱像儀30 W熱耗中21 W集中于散熱板，其余均勻分布于其他殼體。仿真計算得到熱平衡后熱像儀散熱板溫度為 35.5 ℃左右，殼體為32 ℃左右，具體溫度分布如圖5所示。

圖5　室溫情況下熱平衡狀態(tài)的熱像儀溫度分布Fig.5　Temperature distribution in the thermal camera at room temperature after thermal equilibrium

實測了一款FLIR公司的熱像儀，與設(shè)備艙中安裝的熱像儀為同一系列產(chǎn)品，二者外形和結(jié)構(gòu)類似。實驗室環(huán)境溫度20 ℃左右，空氣處于自然對流狀態(tài)。剛開機時與開機4 h后的熱像儀溫度實測結(jié)果見圖6，熱像儀不同部位的溫度變化見圖7。

圖6　剛開機與開機4 h后的熱像儀溫度實測結(jié)果Fig.6　Experimental results of temperature distribution in the thermal camera when the camera is just turned on and after the camera has worked 4 hours

圖7　熱像儀不同部位溫度變化曲線Fig.7　Temperature vs.time for different parts of the thermal camera

從仿真分析結(jié)果和實測結(jié)果可看出：仿真分析的熱像儀溫度范圍為29.3～35.86 ℃，實測結(jié)果為25.5～34.8 ℃。二者基本吻合，最大偏差約為4 ℃，說明該仿真分析方法可靠。設(shè)備艙的制冷和加熱都有一定的余量，有較大的調(diào)節(jié)范圍，可彌補理論分析上的誤差。

3　密封設(shè)計

設(shè)備艙放置于真空容器，為了維持設(shè)備艙內(nèi)的壓力要求，需要進(jìn)行密封設(shè)計，其總體漏率要求≤10-6Pa·L/s。

不考慮溫度波動帶來的壓力變化，容器漏率為

式中：V為設(shè)備艙的容器體積，500 L；P1和P2分別為t1和t2時刻容器內(nèi)的壓力。根據(jù)式（1）可計算出1個月工作時間容器內(nèi)壓力的變化，結(jié)果為P1-P2=5.1×10-3Pa，完全滿足所要求的壓力變化小于1個大氣壓的5%。因此，只要能夠維持設(shè)備艙漏率≤10-6Pa·L/s，就能夠滿足設(shè)備艙內(nèi)維持至少1個月恒壓的要求。當(dāng)艙內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，需要對設(shè)備艙進(jìn)行補氣。

在設(shè)備艙的后蓋上設(shè)置充氣、放氣閥門各1個。熱像儀放入設(shè)備艙后，同時打開充/放氣截止閥，用氮氣瓶向設(shè)備艙置換氮氣，以防止艙內(nèi)空氣結(jié)露。完成氣體置換后關(guān)閉充氣口，并加堵頭防止漏氣。

在設(shè)備艙的平蓋法蘭處，用多道密封圈進(jìn)行密封。密封圈采用航空丁腈橡膠，可耐-60 ℃的低溫，以避免采用普通氟橡膠可能出現(xiàn)的低溫脆裂等現(xiàn)象。該橡膠的邵氏硬度在65以上。根據(jù)S.Kobayashi和K.Yada的試驗結(jié)果，當(dāng)橡膠的硬度在邵氏硬度50以上，密封表面沒有徑向擦傷，壓縮量為15 %以上時就可以滿足漏率小于1.3×10-7Pa·L/s的密封要求［7］。

平蓋法蘭處在最大壓縮量時所需的壓緊力為［1］359

式中：f為壓力系數(shù)，取0.14；d1為密封圈截面直徑，取5.5mm；D為密封圈內(nèi)徑，取310mm；E為橡膠的彈性模量，取 4.3 MPa。代入式（2）可得Ff=3222 N。

密封圈設(shè)計為2道，為了方便計算，選擇了較大的密封圈作為計算依據(jù)，因此所需要的壓緊力為6444 N。在前后蓋法蘭上，各均布12個M10的螺釘，每個螺釘?shù)念A(yù)緊力按照2500 N計算，總的預(yù)緊力達(dá)到30 000 N，遠(yuǎn)大于所需的密封圈最大變形壓緊力，因此在大法蘭處采用橡膠密封圈的形式可以滿足漏率要求。

4　結(jié)束語

為保證熱像儀在真空低溫環(huán)境能夠正常工作，提出了一種設(shè)備艙設(shè)計方案，對其機械結(jié)構(gòu)、電氣系統(tǒng)、熱控、密封進(jìn)行了設(shè)計，描述了各設(shè)計環(huán)節(jié)所采用的技術(shù)措施。運用有限元分析方法對熱控設(shè)計的有效性進(jìn)行了分析，同時對熱分析方法的可靠性開展了試驗驗證，結(jié)果表明該仿真分析方法結(jié)果可靠，設(shè)計的熱控方案可以實現(xiàn)期望的控溫范圍。對密封設(shè)計的分析表明，該方案可以保證設(shè)備在1個月的時間內(nèi)壓力的變化小于1個大氣壓的5%的要求。

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（編輯：許京媛）

Scheme design and analysis of thermal camera canister used in vacuum and cryogenic environment

Li Jianhua， Xue Lian， Nan Hua， Liu Decheng， Liu Jiaqi
（National Key Laboratory of Science and Technology on Test Physics & Numerical Mathematics， Beijing 100076， China）

A thermal camera canister is designed to measure the infrared radiation characteristics by using the thermal camera in vacuum and cryogenic environment.This canister， which mainly consists of mechanical structures and an electronic system， can provide an environment with temperature controllable and pressure almost invariable for the camera.The mechanical structures are used for supporting the thermal camera and isolating the camera from the vacuum condition.The electronic system is used for temperature control and pressure monitoring.Finite element method is used to analyze the temperature variation range of the canister.The simulation method is verified by experiment.The pressure variations and the amounts of pre-tightening forces on the gasket ring are predicted.The results demonstrate that the design can provide a suitable environment for the thermal camera under vacuum and cryogenic conditions.

vacuum and cryogenic condition； thermal camera； canister； finite element method

V416.8

B

1673-1379（2015）06-0656-04

10.3969/j.issn.1673-1379.2015.06.018

李建華（1985—），男，博士學(xué)位，主要從事目標(biāo)光電特性測量、紅外探測等的研究工作。E-mail： lijh14@163.com。

2015-03-27；

2015-11-11

國家自然科學(xué)基金青年基金項目（編號：61401013）