上海技物所在超大面陣紅外探測(cè)器冷平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)方面取得進(jìn)展

為滿足拼接式超大面陣型紅外探測(cè)器的空間應(yīng)用需求，超大冷平臺(tái)支撐的設(shè)計(jì)需要足夠的剛度以滿足超大面陣紅外探測(cè)器組件的力學(xué)環(huán)境振動(dòng)要求，同時(shí)支撐結(jié)構(gòu)需要具有較高的熱阻值，減少冷平臺(tái)通過支撐的傳導(dǎo)漏熱量，以滿足冷平臺(tái)的高溫度均勻性要求。這些難點(diǎn)都對(duì)超大面陣?yán)淦脚_(tái)的支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)在《紅外與激光工程》期刊上發(fā)表了以“超大面陣紅外探測(cè)器冷平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)研究”為主題的文章。該文章第一作者為張陽，主要從事探測(cè)器低溫封裝技術(shù)方面的研究；通訊作者為李雪研究員，主要從事新型短波紅外探測(cè)器組件以及紅外組件集成技術(shù)方面的研究。

該文章根據(jù)超大規(guī)模的面陣紅外探測(cè)器的冷平臺(tái)力學(xué)和熱學(xué)性能要求，提出了一種對(duì)稱式八桿的冷平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，并對(duì)支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，利用氧化鋯陶瓷的低熱導(dǎo)率、高剛度等優(yōu)點(diǎn)，解決了超大冷平臺(tái)組件的高力學(xué)性能需求和低漏熱要求的問題，設(shè)計(jì)出了可適用于各種類型的超大規(guī)模冷平臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)。

冷平臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某航天項(xiàng)目的探測(cè)器焦面規(guī)模達(dá)到6 k×6 k，冷平臺(tái)面積達(dá)到40000 mm2，雖然冷平臺(tái)采用新型的陶瓷材料，但是最終的冷平臺(tái)以及冷平臺(tái)上探測(cè)器模塊、輻射屏等結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量依然達(dá)到3 kg。超大規(guī)模面陣紅外探測(cè)器的冷平臺(tái)組件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由探測(cè)器模塊、冷平臺(tái)、支撐結(jié)構(gòu)、底板等結(jié)構(gòu)組成。

圖1 超大規(guī)模面陣焦平面冷平臺(tái)組件結(jié)構(gòu)示意圖

隨著冷平臺(tái)面積、質(zhì)量的增加，支撐結(jié)構(gòu)的剛度也需要提高，因此其橫截面積不可避免地增加，但是支撐結(jié)構(gòu)的兩端，一端為100 K以下溫度的冷平臺(tái)，另一端則為室溫端。兩端溫差較大，因此會(huì)產(chǎn)生不小的通過支撐的傳導(dǎo)漏熱。因此在對(duì)支撐機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，既需要考慮組件的結(jié)構(gòu)剛度，也不能忽視因此產(chǎn)生的漏熱量增加?；陧?xiàng)目的杜瓦漏熱要求，通過支撐的傳導(dǎo)漏熱要求在室溫條件下小于0.5 W的漏熱量。其次超大規(guī)模面陣紅外焦平面組件需要具有較高的環(huán)境適應(yīng)性，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，冷平臺(tái)組件的力學(xué)性能要求，組件的共振頻率要求300 Hz以上，需要通過30 g的空間力學(xué)載荷測(cè)試、總均方根為9 g RMS的XYZ三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)等力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)。

文中采用有限元仿真分析的方法，對(duì)不同支撐結(jié)構(gòu)的冷平臺(tái)組件進(jìn)行模態(tài)分析、30 g靜力學(xué)載荷分析、隨機(jī)振動(dòng)分析。并根據(jù)組件的模態(tài)基頻，靜力學(xué)載荷下的最大應(yīng)力，支撐結(jié)構(gòu)的熱阻等，綜合評(píng)價(jià)各組件的力學(xué)性能和熱學(xué)性能。為支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)選擇提供依據(jù)。支撐結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)如圖2所示。可優(yōu)化的參數(shù)分別有支撐的高度H、寬度M、厚度N，支撐的安裝傾角θ以及支撐結(jié)構(gòu)的材料。

圖2 冷平臺(tái)組件支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為增大支撐結(jié)構(gòu)的熱阻，一是可以增大支撐結(jié)構(gòu)的傳熱路徑L或是減小支撐結(jié)構(gòu)的橫截面積A（傳熱面積），但是這會(huì)降低支撐的結(jié)構(gòu)剛度，不利于組件的力學(xué)性能；二是可以選擇低導(dǎo)熱、高剛度的材料作為支撐材料。表1為幾種常見的封裝材料和新型氧化鋯材料的性能參數(shù)。其中熱導(dǎo)率為300~77 K之間的平均值。文中的仿真材料參數(shù)也采用表1的數(shù)據(jù)。

表1 杜瓦封裝材料參數(shù)

由上述分析可知，系統(tǒng)的固有頻率與支撐結(jié)構(gòu)的長度L，寬度M和厚度N，支撐與XOY面（安裝板）的傾角θ以及支撐的高度H有關(guān)，支撐的導(dǎo)熱特性與支撐的導(dǎo)熱路徑L，支撐的截面積A有關(guān)。因此下文將基于有限元分析，通過改變支撐的這些參數(shù)，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)選擇提供依據(jù)。

支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)組件的影響

圖3匯總了支撐結(jié)構(gòu)的四項(xiàng)參數(shù)對(duì)于冷平臺(tái)組件的影響。圖3（a）為材料和支撐寬厚比對(duì)于組件的影響，控制支撐的橫截面積為7.5 mm2，寬厚比范圍為從1.875~12，選取7個(gè)對(duì)比組。仿真分析結(jié)果如圖所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著寬厚比增大，冷平臺(tái)組件的最大靜力學(xué)應(yīng)力也逐漸增大，然后趨于平穩(wěn)，存在一個(gè)最大值，應(yīng)力最小值為40.54 MPa，最大值為50.16 MPa，應(yīng)力值增幅為23.7%。隨著寬厚比的增大，冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻也從546.23 Hz增加至569.8 Hz，增幅為4.3%。對(duì)于冷平臺(tái)組件的力學(xué)性能而言，組件的最大靜力學(xué)應(yīng)力越小越好，模態(tài)基頻越大越好，這兩個(gè)參數(shù)隨著支撐橫截面的寬厚比增加，呈現(xiàn)相同的增長趨勢(shì)，但是靜力學(xué)應(yīng)力的增幅較大，而組件模態(tài)基頻的增幅較小，甚至可以忽略。因此在考慮支撐的可加工性的基礎(chǔ)上，橫截面的選取低寬厚比的方案，對(duì)于組件的力學(xué)性能優(yōu)化更好。

圖3 支撐結(jié)構(gòu)寬厚比（a）、高度（b）、安裝傾角（c）、材料（d）對(duì)于組件的影響

由圖3（b）、（c）可以看出，隨著支撐安裝高度的增加，支撐結(jié)構(gòu)的熱阻從196 K/W增大至337 K/W，隨著安裝支撐傾角從30°增大到60°，支撐結(jié)構(gòu)的熱阻從317.47 K/W降低到183.29 K/W，這是因?yàn)樵诓煌陌惭b高度下，隨著高度增加，支撐結(jié)構(gòu)的長度會(huì)增加；在相同的安裝高度情況下，隨之支撐傾角的減小，支撐的長度也隨之增大，支撐結(jié)構(gòu)的傳熱路徑增長，從而導(dǎo)致熱阻增大，使冷平臺(tái)組件的傳導(dǎo)漏熱減小，有利于冷平臺(tái)上各個(gè)探測(cè)器模塊的高溫度均勻性。但是在相同傾角下，隨著支撐結(jié)構(gòu)的安裝高度增加，冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻從590 Hz降低到437 Hz，降低幅度約為25%。并且隨著支撐結(jié)構(gòu)安裝高度的增加，冷平臺(tái)組件的整體結(jié)構(gòu)尺寸也會(huì)隨之增加，導(dǎo)致最終的探測(cè)器杜瓦組件的尺寸也會(huì)變大，最終整體重量會(huì)增加。在相同的支撐高度下，冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻隨著支撐傾角的增大，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在傾角為40°左右的位置存在一個(gè)最大值。因此，對(duì)于大規(guī)模冷平臺(tái)的支撐傾角的設(shè)計(jì)時(shí)，傾角為40°時(shí)，可以使冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻最大。若是需要降低組件的傳導(dǎo)漏熱，則可以通過減小支撐傾角的方式來實(shí)現(xiàn)，但是考慮組件的尺寸限制，傾角存在一個(gè)最低值。因此支撐結(jié)構(gòu)的安裝高度、安裝傾角，首先需要在滿足探測(cè)器組件的空間力學(xué)要求的基礎(chǔ)上，綜合冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻、傳導(dǎo)漏熱、組件的輕量化設(shè)計(jì)、組件尺寸等方面考慮，優(yōu)化選擇合適的安裝高度和傾角。

圖3（d）顯示了不同的材料對(duì)于組件的影響，可以發(fā)現(xiàn)采用kovar和TC4材質(zhì)支撐的冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻相近，而采用了氧化鋯材質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)的冷平臺(tái)組件的模態(tài)基頻相較于kovar和TC4材質(zhì)提高了22%。相較于kovar材料，TC4和氧化鋯材料的低溫?zé)釋?dǎo)率值較低，因此這兩種材料的支撐結(jié)構(gòu)的熱阻值較大，帶來的漏熱量會(huì)更小。因此不論從力學(xué)性能，還是結(jié)構(gòu)熱阻來看，氧化鋯材料均要優(yōu)于其他兩種材料。

圖4為不同參數(shù)組別的組件基頻、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)熱阻的綜合對(duì)比，圖中每一點(diǎn)代表一組不同參數(shù)的結(jié)構(gòu)，X軸表示30 g靜力學(xué)載荷下的組件的最大應(yīng)力，Y軸代表組件的模態(tài)基頻，Z軸代表支撐結(jié)構(gòu)的熱阻值。為了達(dá)到三個(gè)指標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)的代表點(diǎn)須在圖中的立體框內(nèi)：基頻>530 Hz、應(yīng)力值<50 MPa、熱阻值>200 K/W。從圖中可以看出一共有四組結(jié)構(gòu)符合要求，從中選取一組作為代表組進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證。

圖4 不同參數(shù)組別的組件基頻、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)熱阻的綜合分析圖

試驗(yàn)驗(yàn)證

基于以上分析結(jié)果，優(yōu)選一組合適的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表2所示。并設(shè)計(jì)實(shí)際的冷平臺(tái)組件結(jié)構(gòu)，對(duì)組件進(jìn)行5~2 000 Hz的正弦掃頻試驗(yàn)、總均方根為9 g RMS的XYZ三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行比較，用以驗(yàn)證仿真方法的準(zhǔn)確性和冷平臺(tái)組件的力學(xué)設(shè)計(jì)與力學(xué)可靠性。

表2 實(shí)際冷平臺(tái)組件的支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖5為冷平臺(tái)組件模態(tài)分析前6階振型圖。冷平臺(tái)組件的第1、2階振型沿水平面的平移振型；第3階振型為冷平臺(tái)沿Z方向平移振型；第4階表示沿Z軸旋轉(zhuǎn)振型；第5、6階表示沿水平面翻轉(zhuǎn)振型。

圖5 超大規(guī)模冷平臺(tái)組件前六階模態(tài)振型圖

力學(xué)試驗(yàn)裝置如圖6所示。冷平臺(tái)組件分別進(jìn)行了三個(gè)方向的掃頻測(cè)試，X、Y、Z三個(gè)方向的響應(yīng)頻率分別為557、577.12、764 Hz。仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比如圖7（a）所示，以試驗(yàn)值為基準(zhǔn)，可以得出三個(gè)方向的仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試值的誤差為10.6%、6.8%、15%。由于仿真時(shí)約束是在設(shè)置在底板處的固定約束，而實(shí)際測(cè)試時(shí)，并無完美的固定約束，因此仿真結(jié)果的組件基頻略微偏大。試驗(yàn)結(jié)果表明，仿真模型可以有效的預(yù)測(cè)實(shí)際結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率。

圖6 超大規(guī)模冷平臺(tái)組件振動(dòng)測(cè)試過程照片

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)的放大倍數(shù)的仿真與測(cè)試對(duì)比見圖7（b），分別進(jìn)行了X、Y、Z三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。取兩個(gè)典型測(cè)點(diǎn)進(jìn)行仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)的對(duì)比，結(jié)果如圖7（b）所示。以試驗(yàn)測(cè)試值為基準(zhǔn)，可以得出三個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)加速度響應(yīng)的放大倍數(shù)的仿真數(shù)據(jù)與試驗(yàn)值的誤差最大為37.8%，最小誤差為3%。X方向的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)加速度響應(yīng)的放大倍數(shù)分別為4.46、4.35。Y方向的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)分別為4.94、5.16。Z方向的隨機(jī)振動(dòng)測(cè)試時(shí)，兩測(cè)點(diǎn)的加速度響應(yīng)分別為3.25、3.53。三個(gè)方向的加速度響應(yīng)倍數(shù)均小于10，表明冷平臺(tái)組件在隨機(jī)載荷的激勵(lì)下，結(jié)構(gòu)的可靠性能夠滿足要求。并且經(jīng)仿真分析驗(yàn)證，支撐結(jié)構(gòu)在100 g的強(qiáng)沖擊響應(yīng)譜作用下，三個(gè)方向的最大應(yīng)力為230 MPa，而氧化鋯陶瓷的屈服極限為650 MPa，能夠通過100 g沖擊試驗(yàn)。

圖7 超大規(guī)模冷平臺(tái)組件仿真分析及振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果比較

結(jié)論

對(duì)超大規(guī)模面陣紅外探測(cè)器的冷平臺(tái)組件的支撐結(jié)構(gòu)采用了高強(qiáng)度、低熱導(dǎo)率的新型氧化鋯材料并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行了全方面的仿真對(duì)比分析，通過優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)的寬厚比、高度、傾角以及材料，對(duì)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行取舍，以此平衡超大規(guī)模冷平臺(tái)組件既需要高力學(xué)可靠性，又需要低漏熱，高溫度均勻性的需求。同時(shí)，采用文中支撐結(jié)構(gòu)的冷平臺(tái)組件通過了正弦振動(dòng)試驗(yàn)和總均方根為9 g RMS的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，且試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。為超大規(guī)模紅外探測(cè)器組件的支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

該項(xiàng)研究獲得了中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目（ZDRW-CN-2019-3）和中國科學(xué)院青年促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2018274）的資助和支持。

審核編輯 ：李倩