為滿足拼接式超大面陣型紅外探測器的空間應用需求，超大冷平臺支撐的設計需要足夠的剛度以滿足超大面陣紅外探測器組件的力學環境振動要求，同時支撐結構需要具有較高的熱阻值，減少冷平臺通過支撐的傳導漏熱量，以滿足冷平臺的高溫度均勻性要求。這些難點都對超大面陣冷平臺的支撐結構的設計提出了新的挑戰。

據麥姆斯咨詢報道，近期，中國科學院上海技術物理研究所研究團隊在《紅外與激光工程》期刊上發表了以“超大面陣紅外探測器冷平臺支撐結構研究”為主題的文章。該文章第一作者為張陽，主要從事探測器低溫封裝技術方面的研究；通訊作者為李雪研究員，主要從事新型短波紅外探測器組件以及紅外組件集成技術方面的研究。

該文章根據超大規模的面陣紅外探測器的冷平臺力學和熱學性能要求，提出了一種對稱式八桿的冷平臺支撐結構，并對支撐結構參數進行優化，利用氧化鋯陶瓷的低熱導率、高剛度等優點，解決了超大冷平臺組件的高力學性能需求和低漏熱要求的問題，設計出了可適用于各種類型的超大規模冷平臺的支撐結構。

冷平臺支撐結構設計

某航天項目的探測器焦面規模達到6 k×6 k，冷平臺面積達到40000 mm2，雖然冷平臺采用新型的陶瓷材料，但是最終的冷平臺以及冷平臺上探測器模塊、輻射屏等結構的總質量依然達到3 kg。超大規模面陣紅外探測器的冷平臺組件結構如圖1所示，主要由探測器模塊、冷平臺、支撐結構、底板等結構組成。

圖1 超大規模面陣焦平面冷平臺組件結構示意圖

隨著冷平臺面積、質量的增加，支撐結構的剛度也需要提高，因此其橫截面積不可避免地增加，但是支撐結構的兩端，一端為100 K以下溫度的冷平臺，另一端則為室溫端。兩端溫差較大，因此會產生不小的通過支撐的傳導漏熱。因此在對支撐機構進行設計時，既需要考慮組件的結構剛度，也不能忽視因此產生的漏熱量增加。基于項目的杜瓦漏熱要求，通過支撐的傳導漏熱要求在室溫條件下小于0.5 W的漏熱量。其次超大規模面陣紅外焦平面組件需要具有較高的環境適應性，根據工程經驗，冷平臺組件的力學性能要求，組件的共振頻率要求300 Hz以上，需要通過30 g的空間力學載荷測試、總均方根為9 g RMS的XYZ三個方向的隨機振動等力學環境試驗。

文中采用有限元仿真分析的方法，對不同支撐結構的冷平臺組件進行模態分析、30 g靜力學載荷分析、隨機振動分析。并根據組件的模態基頻，靜力學載荷下的最大應力，支撐結構的熱阻等，綜合評價各組件的力學性能和熱學性能。為支撐結構的參數選擇提供依據。支撐結構的初步設計如圖2所示。可優化的參數分別有支撐的高度H、寬度M、厚度N，支撐的安裝傾角θ以及支撐結構的材料。

圖2 冷平臺組件支撐結構設計圖

為增大支撐結構的熱阻，一是可以增大支撐結構的傳熱路徑L或是減小支撐結構的橫截面積A（傳熱面積），但是這會降低支撐的結構剛度，不利于組件的力學性能；二是可以選擇低導熱、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。其中熱導率為300~77 K之間的平均值。文中的仿真材料參數也采用表1的數據。

表1 杜瓦封裝材料參數

由上述分析可知，系統的固有頻率與支撐結構的長度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，支撐的導熱特性與支撐的導熱路徑L，支撐的截面積A有關。因此下文將基于有限元分析，通過改變支撐的這些參數，并對仿真結果進行對比分析，為支撐結構的參數選擇提供依據。

支撐結構參數變化對組件的影響

圖3匯總了支撐結構的四項參數對于冷平臺組件的影響。圖3（a）為材料和支撐寬厚比對于組件的影響，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個對比組。仿真分析結果如圖所示，可以發現，隨著寬厚比增大，冷平臺組件的最大靜力學應力也逐漸增大，然后趨于平穩，存在一個最大值，應力最小值為40.54 MPa，最大值為50.16 MPa，應力值增幅為23.7%。隨著寬厚比的增大，冷平臺組件的模態基頻也從546.23 Hz增加至569.8 Hz，增幅為4.3%。對于冷平臺組件的力學性能而言，組件的最大靜力學應力越小越好，模態基頻越大越好，這兩個參數隨著支撐橫截面的寬厚比增加，呈現相同的增長趨勢，但是靜力學應力的增幅較大，而組件模態基頻的增幅較小，甚至可以忽略。因此在考慮支撐的可加工性的基礎上，橫截面的選取低寬厚比的方案，對于組件的力學性能優化更好。

圖3 支撐結構寬厚比（a）、高度（b）、安裝傾角（c）、材料（d）對于組件的影響

由圖3（b）、（c）可以看出，隨著支撐安裝高度的增加，支撐結構的熱阻從196 K/W增大至337 K/W，隨著安裝支撐傾角從30°增大到60°，支撐結構的熱阻從317.47 K/W降低到183.29 K/W，這是因為在不同的安裝高度下，隨著高度增加，支撐結構的長度會增加；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，支撐結構的傳熱路徑增長，從而導致熱阻增大，使冷平臺組件的傳導漏熱減小，有利于冷平臺上各個探測器模塊的高溫度均勻性。但是在相同傾角下，隨著支撐結構的安裝高度增加，冷平臺組件的模態基頻從590 Hz降低到437 Hz，降低幅度約為25%。并且隨著支撐結構安裝高度的增加，冷平臺組件的整體結構尺寸也會隨之增加，導致最終的探測器杜瓦組件的尺寸也會變大，最終整體重量會增加。在相同的支撐高度下，冷平臺組件的模態基頻隨著支撐傾角的增大，呈現出先增大后減小的趨勢，在傾角為40°左右的位置存在一個最大值。因此，對于大規模冷平臺的支撐傾角的設計時，傾角為40°時，可以使冷平臺組件的模態基頻最大。若是需要降低組件的傳導漏熱，則可以通過減小支撐傾角的方式來實現，但是考慮組件的尺寸限制，傾角存在一個最低值。因此支撐結構的安裝高度、安裝傾角，首先需要在滿足探測器組件的空間力學要求的基礎上，綜合冷平臺組件的模態基頻、傳導漏熱、組件的輕量化設計、組件尺寸等方面考慮，優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于組件的影響，可以發現采用kovar和TC4材質支撐的冷平臺組件的模態基頻相近，而采用了氧化鋯材質支撐結構的冷平臺組件的模態基頻相較于kovar和TC4材質提高了22%。相較于kovar材料，TC4和氧化鋯材料的低溫熱導率值較低，因此這兩種材料的支撐結構的熱阻值較大，帶來的漏熱量會更小。因此不論從力學性能，還是結構熱阻來看，氧化鋯材料均要優于其他兩種材料。

圖4為不同參數組別的組件基頻、應力以及結構熱阻的綜合對比，圖中每一點代表一組不同參數的結構，X軸表示30 g靜力學載荷下的組件的最大應力，Y軸代表組件的模態基頻，Z軸代表支撐結構的熱阻值。為了達到三個指標的最佳設計值，結構的代表點須在圖中的立體框內：基頻>530 Hz、應力值<50 MPa、熱阻值>200 K/W。從圖中可以看出一共有四組結構符合要求，從中選取一組作為代表組進行實物驗證。

圖4 不同參數組別的組件基頻、應力以及結構熱阻的綜合分析圖

試驗驗證

基于以上分析結果，優選一組合適的支撐結構參數，如表2所示。并設計實際的冷平臺組件結構，對組件進行5~2 000 Hz的正弦掃頻試驗、總均方根為9 g RMS的XYZ三個方向的隨機振動試驗，并與仿真結果進行比較，用以驗證仿真方法的準確性和冷平臺組件的力學設計與力學可靠性。

表2 實際冷平臺組件的支撐結構參數

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

圖5 超大規模冷平臺組件前六階模態振型圖

力學試驗裝置如圖6所示。冷平臺組件分別進行了三個方向的掃頻測試，X、Y、Z三個方向的響應頻率分別為557、577.12、764 Hz。仿真與測試結果對比如圖7（a）所示，以試驗值為基準，可以得出三個方向的仿真結果與試驗測試值的誤差為10.6%、6.8%、15%。由于仿真時約束是在設置在底板處的固定約束，而實際測試時，并無完美的固定約束，因此仿真結果的組件基頻略微偏大。試驗結果表明，仿真模型可以有效的預測實際結構的模態頻率。

圖6 超大規模冷平臺組件振動測試過程照片

隨機振動試驗的關鍵測點的加速度響應的放大倍數的仿真與測試對比見圖7（b），分別進行了X、Y、Z三個方向的隨機振動試驗。取兩個典型測點進行仿真和測試數據的對比，結果如圖7（b）所示。以試驗測試值為基準，可以得出三個方向的隨機振動加速度響應的放大倍數的仿真數據與試驗值的誤差最大為37.8%，最小誤差為3%。X方向的隨機振動測試時，兩測點加速度響應的放大倍數分別為4.46、4.35。Y方向的隨機振動測試時，兩測點的加速度響應分別為4.94、5.16。Z方向的隨機振動測試時，兩測點的加速度響應分別為3.25、3.53。三個方向的加速度響應倍數均小于10，表明冷平臺組件在隨機載荷的激勵下，結構的可靠性能夠滿足要求。并且經仿真分析驗證，支撐結構在100 g的強沖擊響應譜作用下，三個方向的最大應力為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。

圖7 超大規模冷平臺組件仿真分析及振動試驗結果比較

結論

對超大規模面陣紅外探測器的冷平臺組件的支撐結構采用了高強度、低熱導率的新型氧化鋯材料并對結構進行優化設計，對支撐結構的參數進行了全方面的仿真對比分析，通過優化支撐結構的寬厚比、高度、傾角以及材料，對結構的各項參數進行取舍，以此平衡超大規模冷平臺組件既需要高力學可靠性，又需要低漏熱，高溫度均勻性的需求。同時，采用文中支撐結構的冷平臺組件通過了正弦振動試驗和總均方根為9 g RMS的隨機振動試驗，且試驗結果與仿真結果吻合較好，驗證了該結構的可行性。為超大規模紅外探測器組件的支撐結構設計提供了指導。

該項研究獲得了中國科學院重點部署項目（ZDRW-CN-2019-3）和中國科學院青年促進會項目（2018274）的資助和支持。

審核編輯 ：李倩