专利名称：红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置及实现方法
技术领域：
本专利涉及红外探测器杜瓦组件，具体指一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置及实现方法，它用于空间在轨工作红外探测器杜瓦组件以获得无限长的真空寿命。
背景技术：
红外探测器组件在航天红外领域有着广泛的应用。随着波长向长波扩展和探测灵敏度的提高，红外焦探测器必须在深低温下才能工作。由于机械制冷具有结构紧凑、体积小、重量轻、制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大等优点，目前该类探测器在空间应用中大多采用机械制冷方式。这样也使得其应用时大多采用杜瓦封装形成红外探测器杜瓦组件。真空寿命是杜瓦组件重要的技术指标，也就是说杜瓦内必须保持一定的真空度。由于材料固有的放气特性，随着时间的推移，杜瓦内真空度会不断下降。当真空度下降到一定程度时，残气对流换热导致杜瓦组件热负载急剧增加，当热负载增加到一定程度后，机械制冷机提供的冷量无法满足探测器深低温工作的要求时，红外探测器就无法工作在所必须的温度点，并且杜瓦内的残气会凝结在探测器表面，使得探测器的性能衰退甚至丧失，从而使得高空间分辨率红外遥感仪器瘫痪。红外探测器杜瓦组件在航天领域应用的特点场合，国内外对其在轨真空处理的报道很少。而影响红外探测器杜瓦组件的真空保持时间的因素主要如下几点1)红外探测器杜瓦组件的零部件材料及除气处理工艺；幻红外探测器杜瓦组件排气的极限真空、烘烤温度及排气时间；3)红外探测器杜瓦组件内安装吸气剂。前两点主要取决于红外探测器和杜瓦制备水平，同时也与所使用的原材料的生产和加工水平有关。而安装吸气剂来延长真空保持时间的方法，对红外探测器杜瓦组件的航天仪器的应用会带来如下问题1)在使用的过程中需要不定期的通大电流激活，这就要求红外遥感仪器系统中设置大电流电源电路和真空判断装置，增加系统的复杂度和总功耗；2)吸气剂的吸气量总是有限的，一定时间后杜瓦内真空度会下降，会导致制冷机的负载增加，这就使得提供制冷机的电源总功耗增加， 同时导致制冷机的效率降低。中国专利2009航天用红外探测器杜瓦组件高真空保持的结构及实现方法，它是红外探测器杜瓦组件在轨应用时，通过对高气密真空自锁阀瞬间通电， 让杜瓦内腔与外太空相通，得到杜瓦无限长真空寿命，但其在工程项目应用中存在红外探测器在地面试验应用时的真空保持时间不长的问题。其主要原因为如下红外探测器杜瓦组件的气密性主要决定于高气密性真空自锁阀，它是橡皮圈密封。橡皮圈密封可以得到很高的气密性，但长期使用时其存在较大的渗漏。这就需要在工程应用中定期对红外探测器杜瓦组件进行排气，这给工程应用带来许多不便。
发明内容
本专利的目的是提供一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置及实现方法，来解决传统的航天用红外探测器杜瓦组件在轨真空处理的结构及实现方法存在的红外探测器在地面试验应用时的真空保持时间不长的问题。本专利红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置如附图1所示，它主要包括 单向电磁针阀1和带三通杜瓦排气管的红外探测器件杜瓦组件2。所述的单向电磁针阀1是一种通过瞬间通电开的电磁阀，它主要由主阀体101、针轴限位压块102、针轴103、针轴发力弹簧104、辅阀体105、线圈106、辅阀盖板107、辅阀弹簧盖板108、辅阀弹簧109、辅阀限位销轴110、辅阀线圈衬套111、主阀盖板112、带气孔的针113组成。如附图1(a)所示，单向电磁针阀1在原始未通电状态时，被压紧的针轴发力弹簧104和针轴103安装在主阀体101的中间腔体中，针轴103的尾部从主阀体101 —端伸出与针轴限位压块102连接，针轴103的头部从主阀体101另一端伸出与带气孔的针113 相连；针轴103的中部开有限位槽，辅阀限位销轴110插入限位槽中防止被压紧的针轴发力弹簧104推动针轴103向左轴向移动；辅阀体105与主阀体101连接后呈“L”形结构，辅阀体105的空腔中安放线圈106，线圈106中间安放辅阀线圈衬套111，辅阀线圈衬套111的中间安放辅阀弹簧109和辅阀限位销轴110，辅阀弹簧109被压紧套在辅阀限位销轴110的后部的销轴上，保证辅阀限位销轴110的前端可靠地插入针轴103中部的限位槽。单向电磁针阀1的具体工作原理如下给线圈106瞬间通直流电时，线圈106使辅阀限位销轴Iio产生磁极性磁�。垢ǚ尬幌�110克服辅阀弹簧109压力从针轴103 中部的限位槽中弹出，没有了辅助限位销轴110的限制，针轴103在针轴发力弹簧104预紧压力的作用下，推动带气孔的针113—起向左移动；当线圈106断电后，辅助限位销轴110 的磁极性消失，但针轴103已经左移，辅助限位销轴110不能再次插入针轴103中部的限位槽中对针轴103进行限位，针轴103永久保持在左移后的位置上。所述的带三通杜瓦排气管的红外探测器件杜瓦组件2如附图1所示，它的特点是具有一个三通杜瓦排气管，三通杜瓦排气管的排气管旁路202与薄真空隔片203通过真空钎焊工艺相联，排气管旁路202与排气管201通过真空钎焊工艺相联，排气管201 —端通过真空钎焊工艺与红外探测器杜瓦组件相联，在通过一定的工序进行一次高真空排气后，对另一端的抽气端进行冷焊密封。确�：焱馓讲馄鞫磐咦榧磐咔惶迥诘恼婵兆刺５ハ虻绱耪敕�1和带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2各自安装在仪器的相应位置上，它们之间没有直接的机械连接，单向电磁针阀1上的带气孔的针113对准红外探测器件杜瓦组件2上带三通杜瓦排气管的薄真空隔片203。仪器发射在轨工作后对线圈 106瞬间通直流电，单向电磁针阀1中的针轴103上安装的带气孔的针113左移刺破薄真空隔片203，红外探测器杜瓦组件2与空间真空环境连通，从而使杜瓦组件2获得无限长的真空寿命。本装置的实现方法如下1)在三通杜瓦排气管的制备过程中，先将薄真空隔片203与排气管旁路202通过真空钎焊相联，再将排气管201与排气旁路202通过真空钎焊相联；2)在红外探测器杜瓦组件制备过程中，先将三通杜瓦排气管通过真空钎焊烧结到红外探测器杜瓦组件的外壳上后，再完成红外探测器杜瓦组件的制备；3)按单向电磁针阀1的各零件的装配顺序完成主阀体101、针轴限位压块102、针轴103、针轴发力弹簧104、辅阀体105、线圈106、辅阀盖板107、辅阀弹簧盖板108、辅阀弹簧109、辅阀限位销轴110、辅阀线圈衬套111、主阀盖板112、带气孔的针113的装配，工艺中的各连接处采用焊接，针轴限位压块102和带气孔的针113与针轴103采用螺纹方式连接装配。4)借外力使针轴103压缩针轴发力弹簧104，并运动到辅阀限位销轴110和针轴 103的限位凹槽相对应的位置，在辅阀弹簧109的预紧压力作用下，辅阀限位销轴110被压进针轴103的限位凹槽中，限制了针轴103的位置，这时针轴发力弹簧104和辅阀弹簧109 都有一定的预紧压力。5)当带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2在地面使用时，先对本专利结构中的带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2通过一定的工序进行一次高真空排气，在充分超高真空排气后对三通杜瓦排气管的抽气端进行冷焊密封，确�：焱馓讲馄鞫磐咦榧磐咔惶迥诘恼婵兆刺Ｔ诤焱馓讲馄鞫磐咦榧诘孛媸褂檬保�5年以上的真空寿命主要由杜瓦组件研制的漏率和其内吸气剂吸附量保证。6)将带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2和单向电磁针阀1，按照如附图 1(a)所示的位置固定，整个结构随红外遥感仪器进入太空后，给单向电磁针阀1的线圈106 瞬间通直流电，使辅阀限位销轴110产生磁极性磁�。硕饺绺酵�1(b)所示的状态，同时针轴103在针轴发力弹簧104预紧压力的作用下，推动带气孔的针113运动到如附图1(b) 的状态，带气孔的针113将薄真空隔片203刺破，于是红外探测器杜瓦组件杜瓦腔体与太空环境通过带气孔的针113中的气孔相连，利用太空中的真空环境对红外探测器杜瓦组件进行稳定地不断排气，使红外探测器杜瓦组件的杜瓦腔体内永远处于很高的真空状态，从而实现航天用红外探测器杜瓦组件无限长的真空寿命。本专利的优点是1)本专利的结构简单，红外探测器杜瓦组件和单向电磁针阀的制备可以单独进行，工艺不交叉，简化了工艺；2)本专利使红外探测器杜瓦组件在地面试验应用时可以获得5年以上的真空寿命，在轨时可以获得无限长真空寿命且不增加制冷机功耗，利于红外探测器杜瓦组件在轨应用的高可靠性；3)本专利使用方便，避免了红外探测器系统中设置大电流电源电路和真空判断装置，简化了系统的复杂度，增加了系统的可靠性；4)本专利的单向电磁针阀不需要长期通电消耗电能，在地面无需使用，在轨只需要瞬间通电就可以使红外探测器杜瓦组件获得无限长真空寿命；5)本专利的单向电磁针阀有效地实现了利用弹簧的预紧压力推动针轴运动，简化了系统结构并增加了系统的可靠性，降低了系统成本；6)本专利的三通杜瓦排气管在地面有很好的密封性能，在轨可以很方便地通过单向电磁针阀的作用使杜瓦腔体与太空环境连通，增加了系统的可靠性。
图1 (a)、(b)红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置示意图；图中1-单向电磁针阀；101-主阀体；102-针轴限位压块；
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103-针轴；
104-针轴发力弹簧
105-辅阀体；
106-线圈；
107-辅阀盖板；
108-辅阀弹簧盖板
109-辅阀弹簧；
110-辅阀限位销轴
111-辅阀线圈衬套
112-主阀盖板；
113-带气孔的针；
2-三通杜瓦排气管
201-排气管；
202-排气管旁路；
203-薄真空隔片。
具体实施例方式下面结合附图对本专利的具体实施方式
作进一步的详细说明实施例是某航天项目用红外探测器杜瓦组件高真空保持结构，如附图1所示，它的主要实施方法如下1、单向电磁针阀的制备1)各零部件材料的选择如下主阀体101、针轴限位压块102、针轴103、辅阀体 105、辅阀盖板107、辅阀弹簧盖板108、主阀盖板112等选用不锈钢；针轴发力弹簧104、辅阀弹簧109选用钢；带气孔的针使用淬火的45钢；辅阀限位销轴110选用衔铁；2)主阀的设计主要为各零部件的装配和针轴发力弹簧104的参数确定，针轴发力弹簧104要保证有足够的弹性势能将针轴103推动，使带气孔的针113刺穿薄真空隔片 203，使带气孔的针113上的气孔与红外探测器杜瓦组件杜瓦腔体连通。针轴发力弹簧被压缩的长度由针轴限位压块102到主阀体101的距离决定，可以通过设计验证实验来计算针轴发力弹簧104的弹性系数，固定三通杜瓦排气管，使针轴整体(包括针轴103、针轴限位压块102、带气孔的针11 以不同的速度勻速撞击薄真空隔片，得到可以刚好能使带气孔
的针113刺入薄真空隔片的那个速度v，根据能量守恒公式E = imv2 =|kx2 (m为针轴整体
的质量，χ为弹簧被压缩的长度，k为弹簧的弹性系数)，可以计算出所针轴发力弹簧104所需要的最小弹性系数，为了保证系统的可靠性，实际选择弹性系数比这最小弹性系数大得多的弹簧。本实施例最后确定的参数如下针轴质量m = 60g，针轴发力弹簧弹性系数k = 600N/m，针轴发力弹簧预压缩量χ = 0.01m，薄真空隔片厚度为Imm等。3)辅阀的设计主要为线圈的设计，线圈的电学参数的确定是要求线圈通电后使辅阀限位销轴Iio克服辅阀弹簧109的压力运动到相应位置。本实施例最后确定的线圈参数为工作电压D(^8V、电阻为17. 8 Ω、脉宽200ms、间隔Is ；
2、带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件的制备1)各零部件材料均采用真空退火的无氧铜；2)先将薄真空隔片203与排气管旁路202通过真空钎焊相联，再将排气管201与排气管旁路202通过真空钎焊相联；3)在红外探测器杜瓦组件制备过程中，先将三通杜瓦排气管通过真空钎焊烧结到红外探测器杜瓦组件的外壳上后，再完成红外探测器杜瓦组件的制备。3、本专利的结构装配步骤和连接如下a)先将针轴发力弹簧104装配在主阀体101内，然后将针轴103装配在主阀体内， 将针轴限位压块102通过螺纹联接在针轴103的尾部，完成主阀的部分装配；b)将辅阀体105焊接在主阀体101相应位置，依次装配进入线圈106、辅阀线圈衬套111、辅阀限位销轴110、辅阀弹簧盖板108、辅阀弹簧109，最后装配辅阀盖板107，并焊接固定，这时辅阀弹簧有一定的预紧压力；c)将针轴103向压缩针轴发力弹簧104方向运动，直到针轴103的限位凹槽运动到辅阀限位销轴110下方，由辅阀弹簧109预紧压力的作用，辅阀限位销轴110被压进针轴 103的限位凹槽，并对针轴103产生限位作用；d)将主阀盖板112装配并焊接固定，最后将带气孔的针113通过螺纹联接在针轴 103的头部，完成了单向电磁针阀1的装配；e)带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2的装配和单向电磁针阀1的装配可以单独进行，工艺不交叉。先将薄真空隔片203与排气管旁路202通过真空钎焊相联，再将排气管201与排气旁路202通过真空钎焊相联，制备好三通杜瓦排气管；f)在红外探测器杜瓦组件制备过程中，先将三通杜瓦排气管通过真空钎焊烧结到红外探测器杜瓦组件的外壳上后，再完成红外探测器杜瓦组件的制备。g)当带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2在地面使用时，先对本专利结构中的带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2通过一定的工序进行一次超高真空排气， 在充分排气后对三通杜瓦排气管的抽气端进行冷焊密封，确�：焱馓讲馄鞫磐咦榧磐咔惶迥诘恼婵兆刺�。在红外探测器杜瓦组件在地面使用时，5年以上的真空寿命主要由杜瓦组件研制的漏率和其内吸气剂吸附量保证。h)当带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件2随红外遥感仪器进入太空后，给单向电磁针阀1的线圈106通瞬间直流电，使辅阀限位销轴110产生磁极性磁�。硕稣胫�103的限位凹槽，同时针轴103在针轴发力弹簧104预紧压力的作用下，推动带气孔的针 113运动，带气孔的针113将薄真空隔片203刺破，于是红外探测器杜瓦组件杜瓦腔体与太空环境通过带气孔的针113中的气孔相连，利用太空中的真空环境对红外探测器杜瓦组件进行稳定地不断排气，使红外探测器杜瓦组件的杜瓦腔体内永远处于很高的真空状态，从而实现航天用红外探测器杜瓦组件无限长的真空寿命。以上就完成了航天用红外探测器杜瓦组件在轨真空处理的装置装配及实现，获得航天用红外探测器杜瓦组件无限长的真空寿命。
权利要求
1.一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，它由单向电磁针阀(1)和带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件(2)组成，其特征在于A.所述的带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件( 的排气管旁路(20 与薄真空隔片(20 通过真空钎焊工艺相联，排气管旁路O02)与排气管O01)通过真空钎焊工艺相联，排气管O01) —端通过真空钎焊工艺与红外探测器杜瓦组件相联，在通过一定的工序进行一次高真空排气后，对另一端的抽气端进行冷焊密封；B.所述的单向电磁针阀(1))由主阀体(101)、针轴限位压块(102)、针轴(103)、针轴发力弹簧(104)、辅阀体(105)、线圈(106)、辅阀盖板(107)、辅阀弹簧盖板(108)、辅阀弹簧(109)、辅阀限位销轴(110)、辅阀线圈衬套(111)、主阀盖板(112)、带气孔的针(113)组成；单向电磁针阀(1)在初始未通电状态时，被压紧的针轴发力弹簧(104)和针轴(103)安装在主阀体(101)的中间腔体中，针轴(103)的尾部从主阀体(101) —端伸出与针轴限位压块(102)连接，针轴(103)的头部从主阀体(101)另一端伸出与带气孔的针(113)相连； 针轴(103)的中部开有限位槽，辅阀限位销轴(110)插入限位槽中防止被压紧的针轴发力弹簧(104)推动针轴(103)向左轴向移动；辅阀体(105)与主阀体(101)连接后呈“L”形结构，辅阀体(105)的空腔中安放线圈(106)，线圈(106)中间安放辅阀线圈衬套(111)，辅阀线圈衬套(111)的中间安放辅阀弹簧(109)和辅阀限位销轴(110)，辅阀弹簧(109)被压紧套在辅阀限位销轴(110)的后部的销轴上，保证辅阀限位销轴(110)的前端可靠地插入针轴(103)中部的限位槽；C.单向电磁针阀(1)和带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件(2)各自安装在仪器的相应位置上，它们之间没有直接的机械连接，单向电磁针阀(1)上的带气孔的针(113) 对准红外探测器件杜瓦组件(2)上带三通杜瓦排气管的薄真空隔片(203)；D.仪器发射在轨工作后对线圈106瞬间通直流电，通电的线圈(106)使辅阀限位销轴 (110)产生磁极性磁�。垢ǚ尬幌�(110)克服辅阀弹簧(109)压力从针轴(103)中部的限位槽中弹出，没有了辅助限位销轴(110)的限制，针轴(103)在针轴发力弹簧(104) 预紧压力的作用下，推动带气孔的针(11 一起向左移动刺破薄真空隔片003)，红外探测器杜瓦组件2与空间真空环境连通；当线圈(106)断电后，辅助限位销轴(110)的磁极性消失，但针轴(103)已经左移，辅助限位销轴(110)不能再次插入针轴(10 中部的限位槽中对针轴(10 进行限位，针轴(10 永久保持在左移后的位置上。
2.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，其特征在于所述的排气管001)、排气管旁路002)、薄真空隔片(203)采用经真空退火的无氧铜。
3.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，其特征在于所述的辅阀限位销轴(110)采用衔铁材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，其特征在于所述的带气孔的针(113)采用淬火的45钢制成。
5.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，其特征在于所述的针轴发力弹簧(104)、辅阀弹簧(109)采用钢材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置，其特征在于所述的主阀体(101)、针轴限位压块(102)、针轴(103)、辅阀体(105)、辅阀盖板(107)、 辅阀弹簧盖板(108)、主阀盖板(11 采用不锈钢材料制成。
7. —种如权利要求1所述装置的实现方法，其特征在于包括以下步骤1)在三通杜瓦排气管的制备过程中，先将薄真空隔片(20 与排气管旁路(20 通过真空钎焊相联，再将排气管O01)与排气旁路(202)通过真空钎焊相联；2)在红外探测器杜瓦组件制备过程中，先将三通杜瓦排气管通过真空钎焊烧结到红外探测器杜瓦组件的外壳上后，再完成红外探测器杜瓦组件的制备；3)按单向电磁针阀(1)的各零件的装配顺序完成主阀体(101)、针轴限位压块(102)、 针轴(103)、针轴发力弹簧(104)、辅阀体(105)、线圈(106)、辅阀盖板(107)、辅阀弹簧盖板 (108)、辅阀弹簧(109)、辅阀限位销轴(110)、辅阀线圈衬套(111)、主阀盖板(112)、带气孔的针(11 的装配，工艺中的各连接处采用焊接，针轴限位压块(10 和带气孔的针(113) 与针轴(10 采用螺纹方式连接装配；4)施外力使针轴(103)压缩针轴发力弹簧(104)，并移动到辅阀限位销轴(110)和针轴(103)的限位槽相对应的位置，在辅阀弹簧(109)的预紧压力作用下，辅阀限位销轴 (110)被压进针轴(103)的限位槽中，限制了针轴(103)的位置，这时针轴发力弹簧(104) 和辅阀弹簧(109)都有预紧压力；5)当带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件(2)在地面使用时，先对本专利结构中的带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件( 通过一定的工序进行一次高真空排气，在充分超高真空排气后对三通杜瓦排气管的抽气端进行冷焊密封，确�：焱馓讲馄鞫磐咦榧磐咔惶迥诘恼婵兆刺�6)将带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件(2)和单向电磁针阀(1)安装固定，整个结构随红外遥感仪器进入太空后，给单向电磁针阀(1)的线圈(106)瞬间通直流电，带气孔的针(113)将薄真空隔片(203)刺破，红外探测器杜瓦组件杜瓦腔体与太空环境通过带气孔的针(113)中的气孔相连，利用太空中的真空环境对红外探测器杜瓦组件进行稳定地不断排气，使红外探测器杜瓦组件的杜瓦腔体内永远处于高真空状态。
全文摘要
本发明公开了一种红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置及实现方法。红外探测器杜瓦组件空间在轨真空处理装置由单向电磁针阀和带三通杜瓦排气管的红外探测器杜瓦组件组成。本发明在单向电磁针阀和三通杜瓦排气管等方面引入特定的结构和实现方法，来实现了红外探测器杜瓦组件地面使用时获得5年以上的真空寿命，在轨时可以获得无限长真空寿命且不增加制冷机功耗，从而有利于红外探测器杜瓦组件在轨应用的高可靠性。本发明同样适用于其它航天用真空腔体在轨真空处理的结构和实现方法。
文档编号G01J5/02GK102353456SQ201110252360
公开日2012年2月15日 申请日期2011年8月30日 优先权日2011年8月30日
发明者夏王, 孙闻, 曹岚, 王小坤, 王煜宇, 马学亮 申请人:中国科学院上海技术物理研究所
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