紅外及微波定標試驗用空間環模設備研制

景加榮，姜 健，陳劍霞

（1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海衛星工程研究所，上海 200240）

0 引言

星載遙感儀器發射前必須在地面進行輻射定標試驗，確定遙感儀器在工作溫度范圍內的輸出信號與標準輻射源、儀器內參考輻射量之間的函數關系，用于將衛星飛行過程中獲取的目標信息通過反演得到目標的光譜發射特性和光譜輻射特性[1]。

為了滿足星載光學遙感儀器紅外定標試驗和星載微波遙感儀器微波真空定標試驗的需求，上海衛星工程研究所于2009年研制成一套紅外及微波定標試驗用空間環模設備。用該設備對微波遙感儀器進行的微波真空定標試驗在國內尚屬首次。該設備主要包括真空容器、真空抽氣系統、液氮系統、冷屏及制冷系統、數據采集及試驗管理5大系統，其中紅外定標用冷屏制冷方式和微波真空定標定標源的真空低溫可拆卸連接結構是整個設備研制的關鍵[2]。

1 主要設計指標

6）系統極限真空度優于1×10-5Pa。

2 真空及液氮系統組成

2.1 真空容器

真空容器包括容器筒體和熱沉[3]。筒體為臥式結構，材料為0Cr18Ni9，有效尺寸為φ2.9 m×5.2 m，總容積為42 m3。容器內部設計安裝兩根平行導軌，用于試驗產品的進出放置，導軌兩側設可拆卸踏板。

筒體熱沉亦為臥式結構，有效尺寸為φ2.5 m×5.2 m。熱沉管材選用0Cr18Ni9。在筒體熱沉內部局部設計外伸銅翅片結構（如圖1所示），用于定標試驗時定標源冷卻銅帶的連接，這點與普通熱真空試驗設備的熱沉設計有明顯區別。一般熱沉設計時，在支管上對稱焊接兩片紫銅翅片；而該設備熱沉局部在傳統設計的基礎上，在支管上額外多焊接一片紫銅翅片，與原有兩片翅片垂直，翅片長度約為原有翅片的1/3。

在設備用于微波真空定標時，冷屏不需要啟動工作，成為了一塊熱源背景，影響試驗的精度。因此，在冷屏下方設計安裝一塊內部通液氮的小熱沉對其進行遮擋，從而滿足試驗的冷背景溫度要求。在紅外定標試驗中需要冷屏時，再將該可拆卸小熱沉拆除移出。小熱沉的液氮進出管采用可拆卸真空低溫密封設計。

設備主要設計指標如下：

1）真空容器有效尺寸為φ2.9 m×5.2 m；

2）熱沉有效尺寸為φ2.5 m×5.2 m；

3）20 K冷屏有效尺寸為1 m×1 m；

4）冷屏最大制冷量為80 W（20 K）；

5）冷屏最低溫度＜20 K；

圖 1 熱沉結構Fig.1 The structure of the heat sink

2.2 真空抽氣系統

真空抽氣系統粗抽機組由滑閥泵和羅茨泵組成，主抽泵采用真空低溫泵。在熱沉通液氮、冷屏工作后，系統真空度優于1×10-5Pa。

2.3 液氮系統

液氮系統主要包括：液氮儲槽，低溫管路、閥門及測量儀表等。液氮系統采用開式沸騰循環，為熱沉、低溫泵等提供液氮，系統可靠性高、操作簡便。

3 冷屏及制冷系統

3.1 概述

星載紅外遙感儀器在空間飛行時，要求在低于105 K的溫度條件下工作，依靠始終朝著冷黑空間的輻射制冷器輻射制冷。根據計算分析，在地面進行紅外輻射定標試驗時，為了使冷屏溫度與在軌工作時輻射器二級冷塊平衡溫度之差小于1 K，冷屏的溫度應低于20 K，冷屏的表面比輻射率應大于0.98。

以前空間環境模擬定標設備中的20 K冷屏一般采用氦氣透平膨脹制冷系統來冷卻[4]，其優點是制冷量大。但該系統流程復雜、膨脹機轉速高、占地面積大，一般為非標設備，投資費用亦非常昂貴，且建造周期長、操作維護復雜。此外，氦氣制冷冷屏內部設計有氣體流道，以供由氦氣透平膨脹制冷系統產生的低溫氦氣通過來制冷，因而對焊縫漏率的要求非常高；并且冷屏工作溫差很大（300～15 K），可能發生變形冷漏，進而影響試驗真空度。

針對氣氦制冷的特點和不足，本文的冷屏設計采用了新型制冷方式，即G-M制冷機系統直接傳導冷卻冷屏。由于單臺G-M制冷機制冷量較小，因此采用5臺制冷機組合以提高制冷功率。

3.2 方案設計

冷屏分為主冷屏和冷屏遮擋板兩部分。主冷屏尺寸為1 m×1 m，由基板和表面蜂窩組成。為防止冷屏周圍環境對冷屏的側輻射，在冷屏遮擋板四周加側擋板。

冷屏、安裝板及連接體等采用無油設計，且在進入真空容器安裝前用丙酮、酒精清洗干凈。制冷機通過安裝板安裝在真空容器頂部，結構設計考慮隔振，確保制冷機工作連接穩定牢固。低溫工作時，安裝板與制冷機之間、以及安裝板與真空容器之間具有良好的密封性能（漏率＜1×10-8Pa·L·s-1），有效防止安裝板與制冷機密封口處低溫漏冷結霜導致漏氣。

制冷機安裝板與真空容器法蘭真空密封連接，安裝板可以連帶制冷機整體垂直拆裝，如圖2所示。

圖 2 冷屏結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the cryo-panel

在設計冷屏時，除了注意制冷機冷頭與冷屏之間要連接牢靠，還必須保證其良好的導熱性能（可以考慮在冷頭與冷屏之間加墊銦片，以幫助導熱），保證冷屏有效的制冷量。冷屏、安裝板及連接體設計須考慮G-M制冷機將來的可拆卸性、可維修性。

3.3 設計指標

1）結構尺寸為1 m×1 m；

2）試驗溫度≤20 K；

3）制冷量≥80 W(20 K)；

4）表面比輻射率＞0.98；

5）表面溫差最大值＜3 K。

3.4 模擬熱負載調試

調試中，首先按試驗時輻射制冷器最大加熱功率50 W作為調試參考，通過程控直流電源將模擬熱負載功率加至50 W，冷屏溫度開始上升，4 h后冷屏溫度趨于平穩，溫度穩定在11～13 K。

接著，將模擬熱負載加熱功率升至70 W，冷屏溫度開始上升，2 h后冷屏溫度趨于平穩，測點溫度基本穩定在15～18 K。

最后，將模擬熱負載加熱功率升至80 W，冷屏溫度繼續上升，2 h后冷屏溫度趨于平穩，測點溫度大多在20 K以下，但是正對模擬熱負載中心部分有2個測點溫度超過20 K，如圖3所示。

圖3 帶模擬熱負載情況下冷屏溫度曲線Fig.3 Temperature curve for the cryo-panel under thermal load

由于每臺制冷機的二級冷頭制冷量都已經過單獨考核，并且冷屏的外界熱源也很清楚，所以分析認為二級冷頭與冷屏之間實際導熱能力較差，沒能充分傳遞冷頭的冷量。對此需要作進一步的分析計算和研究改進，以便在今后的工程實踐中取得更好的效果。

4 數據采集及試驗管理系統

數據采集及試驗管理系統用于試驗過程中主要運行參數的測量和設備的監控，系統組成如圖4所示。

試驗設備各分系統單獨實現測量、控制及數據顯示，同時將關鍵運行參數通過網絡發送到專門的工控機，通過大屏幕集中顯示；數據輸出實現打印和系統間數據的廣播傳送功能。

圖4 數據采集及試驗管理系統原理Fig.4 The data acquisition and test management system

5 定標源管路可拆真空低溫密封接口設計

定標試驗設備主要有兩大功能，一是紅外定標，二是微波真空定標。兩種定標試驗都需要定標源。紅外定標試驗中，定標源的冷卻降溫一般采用與液氮熱沉經過銅帶連接的方式。

由于微波真空定標試驗對源的溫度要求更高，所以其定標冷源和變溫源冷卻采用液氮直接制冷方式。這種方式有3大好處：1）液氮直接冷卻降溫可使冷定標源溫度降到80 K以下，提高定標精度，并且具有很好的穩定性；2）定標變溫源的升降溫速率較快，可以縮短試驗時間，提高試驗效率；3）通過將微波定標源與低溫供液管路的接口法蘭設計成活動可拆卸真空低溫密封結構，幾只微波定標源可以很方便地拆裝，如圖5所示。

圖 5 低溫密封結構示意圖Fig.5 The structure of cryogenic envelope

活動可拆卸真空低溫密封結構設計的關鍵是密封法蘭與緊固螺栓必須是不同材質，并且緊固螺栓材料的線膨脹率應大于法蘭材料的。因此，緊固螺栓選用黃銅材料，法蘭選用不銹鋼材料，兩種材料的熱物理性能如表1所示，以確保在低溫情況下不會因為螺栓受冷松懈而導致密封面處液氮泄漏；密封墊圈可以選用氟乙烯材料。經過調試和多次試驗表明，這種可拆卸結構的真空漏率和低溫性能完全可以滿足定標試驗的要求。

表1 不同金屬的熱物理性能Table 1 Physical properties of different metals

6 試驗設備使用情況

定標試驗設備于2009年6月建成后，已完成多次紅外定標試驗及微波真空定標試驗。2010年3月31日至4月2日，利用該設備進行了某型號紅外定標前的摸底試驗。在冷屏啟動G-M制冷機工作正常后，真空容器真空度達到1×10-5Pa。熱沉通液氮工作正常后，先后啟動冷屏的5臺G-M制冷機，3 h后冷屏溫度降至11～14 K，冷屏溫度變化曲線見圖6。

圖 6 冷屏溫度變化曲線Fig.6 Temperature curve on the cryo-panel

7 結束語

本文所述上海衛星工程研究所設計并建成的這套設備，既可用于星載遙感儀器紅外定標試驗，又可用于星載遙感儀器微波真空定標試驗。其中，紅外定標用20 K冷屏采用5臺G-M制冷機直接傳導制冷，取代了傳統的冷屏用氦氣透平膨脹流通制冷方式，節約了大量的研制經費，縮短了研制周期，但其設計難度和加工工藝要求非常高；微波真空定標冷源低溫管路采用可拆卸真空低溫密封接口設計，拆卸方便，真空低溫密封性能可靠。隨著該設備的后續應用，衛星的定標試驗水平也將得到進一步提升。

（References）

[1]黃本誠, 馬有禮.航天器空間環境試驗技術[M].北京:國防工業出版社, 2002

[2]柯受全.衛星環境工程和模擬試驗[M].北京: 宇航出版社, 1993

[3]王浚, 黃本誠, 萬大才, 等.環境模擬技術[M].北京:國防工業出版社, 1996

[4]景加榮.F3H紅外定標試驗用空間環模設備[J].航天器環境工程, 2008, 25(4)

Jing jiarong.Experimental equipment for F3H space environment simulation for calibration of remote sensing infrared instrument[J].Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(4)