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随着气象事业的深入发展,对作为主要探测任务的卫星红外遥感仪器的探测性能要求也越来越高。新一代的地球同步轨道气象卫星扫描辐射计拟采用32元红外探测器,要求制冷温度低,制冷量大。对于地球同步卫星,在卫星不具备春秋分调头的条件下,要采用辐射制冷器必需设置太阳屏以屏蔽太阳光的照射,大的制冷量必然导致辐射制冷器的结构尺寸增大。如何实现既能满足探测器需要的制冷性能,又具有尽可能轻的重量和良好的力学性能是设计的关键。本文在辐射制冷器原理样机的基础上,采用了有限元分析方法对结构进行优化改进,达到了工程应用目的。
对辐射制冷器中典型零件结构进行了优化设计:1)薄壁件:一级壳体,根据实际受力情况,对壳体的变形量、固有频率以及重量进行分析,根据计算的结果在壳体变形量最大的位置进行加强；2)辐射板悬臂端支撑:以简化加工和减轻重量为目标,通过改变其结构形式,支撑在达到原来固有频率的情况下,重量减轻了24％。
改进了杜瓦组件的支撑吊装形式,采用了纤维绳支撑。对纤维绳的拉伸方式、周向张角、轴向倾角做了优化设计。通过对所设计结构模型的准静态和模态分析,验证了设计方案在强度和刚度等方面满足要求。在实际结构中设计了12根纤维绳的立体拉紧结构,通过特制的吊装夹具实现各绳具有一致均匀的预紧力,进行了力学振动试验和探测器安装面位置精度测试。振动试验结果表明力学分析方法合理、支撑方式可靠和一级壳体结构稳定。采用了接触式的三坐标仪测试手段,对纤维绳支撑结构在振动和长期静置后位置稳定度跟踪测量。系统位置稳定性较高,满足光学系统使用要求,为纤维绳吊装系统的工程应用提供了可靠的实验依据。
在此基础上设计加工组装了一台辐射制冷器的工程样机,经热真空模拟试验,验证了制冷性能达到设计指标,在满足使用要求后略有富裕。试验结果为:二级最低温度为82.4K,二级制冷量为79.7mW@88.3K(冬至),66.2mW@98.3K(夏至)。