一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构

1.本发明涉及红外冷光学隔热支撑结构，具体涉及一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构。


背景技术：

2.目前，红外探测的需求日益增高，为了降低噪声，红外光学系统需要在低温环境下成像，红外冷光学技术随之快速发展。光机系统与外界环境之间的热传导是制约红外冷光学技术发展的关键因素之一。如何有效阻隔外部热量对光机系统的传导是保证光学元件温度稳定性的关键。
3.对于低温红外冷光学系统来说，内部光机系统结构复杂，为了保证低温红外冷光学系统的成像质量，对光机系统的整体温度稳定性和均匀性提出了严格的要求。通常光机系统的实际工作环境在100k，甚至更低，而测试、实验过程在室温环境下进行，温度变化超过180k。低温红外冷光学系统通常安装在真空舱体内部，通过在真空环境下制冷使光机系统达到所需的低温环境，而外部热量总会沿着低温光机系统与真空舱体的连接处传递到系统内部。
4.目前，国内外对低温红外冷光学系统主要采用隔热材料来实现对热量的阻隔。一类选用殷钢材料制作隔热支撑结构，其刚度好，导热系数低，然而殷钢的高密度特性带来的重量过大问题，在轻量化要求高的航天遥感系统中难以解决；另一类选用玻璃钢、聚酰亚胺等隔热材料制作隔热结构，其重量轻，导热系数低，但其脆性和低刚度性能无法满足支撑结构的力学性能。上述方案都无法有效阻隔光机系统与外界热传导的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于解决现有的低温红外冷光学系统在巨大温差下无法有效阻隔光机系统与外界热传导的技术问题，而提供一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构。
6.为了解决上述技术问题，本发明所提供的技术解决方案是：
7.一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，其特殊之处在于：包括冷光学单元、隔热支撑单元以及外部热结构单元；
8.所述冷光学单元包括低温光学元件以及设置在低温光学元件外部的冷光学外结构；
9.所述隔热支撑单元由多组隔热支撑机构组成，隔热支撑机构包括柔性滑块、柔性铰链、隔热衬套以及隔热垫；
10.所述隔热衬套包括隔热平台以及与隔热平台下端面固连的隔热套筒；
11.所述外部热结构单元包括热结构主体以及设置在热结构主体上并与多组隔热支撑机构对应的多个热结构连接部；
12.所述冷光学外结构与多组隔热支撑机构的连接处开设有多个套孔，用于套装在相应的隔热套筒上；
13.所述柔性铰链的冷端、隔热衬套、套装在隔热套筒上的冷光学外结构、隔热垫以及柔性滑块的冷端由上至下依次固连；
14.所述柔性铰链的热端、柔性滑块的热端、热结构连接部由上至下依次固连。
15.进一步地，所述柔性滑块包括第一柔性片、水平固连在第一柔性片两端的第一热端安装平台和第一冷端安装平台；
16.所述柔性铰链包括第二刚性体、水平固连在第二刚性体一端的第二冷端安装平台、竖直固连在第二刚性体另一端的第一刚性体、以及依次固连在第一刚性体下端的第二柔性片和第二热端安装平台；
17.所述第二冷端安装平台、隔热衬套、套装在隔热套筒上的冷光学外结构、隔热垫以及第一冷端安装平台由上至下依次固连；
18.所述第二热端安装平台、第一热端安装平台以及热结构连接部由上至下依次固连；
19.进一步地，所述隔热支撑机构还包括第一连接螺钉以及第二连接螺钉；
20.所述隔热衬套还包括贯穿隔热平台和隔热套筒开设的连接通孔；
21.所述热结构连接部上开设有螺纹孔；
22.所述第一热端安装平台、第二热端安装平台、第一冷端安装平台以及第二冷端安装平台上分别开设有第一热端安装孔、第二热端安装孔、第一冷端安装孔以及第二冷端安装孔；
23.所述第一连接螺钉通过第二冷端安装孔、连接通孔、隔热垫上的通孔以及第一冷端安装孔将第二冷端安装平台、隔热衬套、套装在隔热套筒上的冷光学外结构、隔热垫以及第一冷端安装平台由上至下依次固连；
24.所述第二连接螺钉通过第二热端安装孔、第一热端安装孔以及热结构连接部上开设的螺纹孔将第二热端安装平台、第一热端安装平台以及热结构连接部由上至下依次固连。
25.进一步地，所述第一柔性片的上端面和下端面分别开设有多个柔性槽，且上端面和下端面的柔性槽交错开设。
26.进一步地，所述第二刚性体设置为工艺圆环结构，并分别通过第一冷端柔性连接件和第二冷端柔性连接件与第一刚性体和第二冷端安装平台固连。
27.进一步地，所述第一刚性体设置为门型结构。
28.进一步地，所述多组隔热支撑机构安装在同一水平面上，其轴心与多个热结构连接部连接平面的中心以及冷光学单元的质心重合。
29.进一步地，所述多组隔热支撑机构围绕冷光学外结构均布设置或对称设置。
30.进一步地，所述隔热衬套和隔热垫的材质为玻璃钢或聚酰亚胺。
31.进一步地，所述柔性滑块和柔性铰链的材质为钛合金。
32.本发明相比于现有技术的有益效果是：
33.1、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，隔热支撑单元设置的多组隔热支撑机构，将冷光学单元与外部热结构单元隔热连接，通过隔热衬套直接阻隔外部热结构单元对冷光学单元的热传导，通过多层隔热垫二次阻隔外部热结构单元与冷光学单元之间的热传导，有效阻隔了外部热量的热传导对冷光学单元的影响。
34.2、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，柔性滑块上设置的第一柔性片和柔性铰链上设置的第二柔性片，进一步实现了冷光学单元与外部热结构单元的热隔离效果。
35.3、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，在第一柔性片的上下端面分别开设交错的柔性槽，增长了导热链路，减小了导热的横截面积。
36.4、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，第二刚性体设置为工艺圆环结构，用于第二连接螺钉的紧固，方便设备安装，同时在第二刚性体的两端分别设置第一冷端柔性连接件和第二冷端柔性连接件，这些柔性环节用于辅助隔热，提升隔热效果。
37.5、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，第一刚性体设置为门型结构，在保证热隔离及整体支撑效果的同时，减轻支撑结构的整体重量。
38.6、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，多组隔热支撑机构安装在同一水平面上，其轴心与多个热结构连接部连接平面的中心以及冷光学单元的质心重合，保证降温过程中冷光学单元可以均匀的向质心收缩。
39.7、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，隔热衬套和隔热垫采用隔热性能良好、质量较轻的玻璃钢或聚酰亚胺制作，在保证外部热结构单元与冷光学单元之间的热隔离效果的同时减轻自身的重量，实现轻量化。
40.8、本发明提供的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，柔性滑块和柔性铰链采用比刚度高，隔热性能好的钛合金制作，在保证外部热结构单元与冷光学单元之间的热隔离效果的同时为冷光学单元提供整体支撑。
附图说明
41.图1为本发明的一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构实施例的结构示意图；
42.图2为本发明实施例中隔热支撑单元的结构示意图；
43.图3为本发明实施例中柔性滑块的结构示意图；
44.图4为本发明实施例中柔性铰链的结构示意图；
45.图5为本发明实施例中隔热衬套的结构示意图。
46.具体附图标记为：
47.1-冷光学单元，11-冷光学外结构；
48.2-隔热支撑机构，21-柔性滑块，211-第一热端安装平台，212-第一热端安装孔，213-第一柔性片，214-柔性槽，215-第一冷端安装孔，216-第一冷端安装平台，22-柔性铰链，221-第二热端安装平台，222-第二柔性片，223-第一刚性体，224-第一冷端柔性连接件、225-第二刚性体，226-第二冷端柔性连接件，227-第二冷端安装平台，228-第二冷端安装孔，229-第二热端安装孔，23-第一连接螺钉，24-隔热衬套，241-隔热套筒，242-隔热平台，243-连接通孔，25-隔热垫，26-第二连接螺钉；
49.3-外部热结构单元，31-热结构主体，32-热结构连接部。
具体实施方式
50.为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
51.如图1所示，一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构，包括冷光学单元1、隔热支撑单元以及外部热结构单元3。
52.冷光学单元1包括低温光学元件以及设置在低温光学元件外部的冷光学外结构11。
53.隔热支撑单元由对称设置的4组隔热支撑机构2组成，隔热支撑机构2包括柔性滑块21、柔性铰链22、隔热衬套24、隔热垫25、第一连接螺钉23以及第二连接螺钉26。
54.柔性滑块21包括第一柔性片213、第一柔性片213上端面和下端面分别依次交错开设的多个柔性槽214、水平固连在第一柔性片213两端的第一热端安装平台211和第一冷端安装平台216。第一热端安装平台211和第一冷端安装平台216上分别开设有第一热端安装孔212和第一冷端安装孔215。
55.柔性铰链22包括第二刚性体225、通过第二冷端柔性连接件226水平固连在第二刚性体225一端的第二冷端安装平台227、通过第一冷端柔性连接件224竖直固连在第二刚性体225另一端的第一刚性体223、由上至下依次固连在第一刚性体223下端的第二柔性片222和第二热端安装平台221。其中，第一刚性体223设置为门型结构，在保证热隔离及整体支撑效果的同时，减轻支撑结构的整体重量；第二刚性体225设置为工艺圆环结构，用于第二连接螺钉的紧固，方便设备安装。第二热端安装平台221和第二冷端安装平台227上分别开设有第二热端安装孔229和第二冷端安装孔228。
56.隔热衬套24包括隔热平台242、与隔热平台242下端固连的隔热套筒241以及贯穿隔热平台242和隔热套筒241开设的连接通孔243。冷光学外结构11与4组隔热支撑机构2的连接处开设有多个套孔，用于套装在相应的隔热套筒241上。
57.外部热结构单元3包括热结构主体31以及设置在热结构主体31上并与4组隔热支撑机构2对应的4个热结构连接部32。热结构连接部32上设置有螺纹孔，用于与相应的隔热支撑机构2固定连接。
58.第一连接螺钉23通过第二冷端安装孔228、连接通孔243、隔热垫25上的安装孔以及第一冷端安装孔215将第二冷端安装平台227、隔热衬套24、套装在隔热套筒241上的冷光学外结构11、隔热垫25以及第一冷端安装平台216由上至下依次固连；第二连接螺钉26通过第二热端安装孔229、第一热端安装孔212以及热结构连接部32上的螺纹孔将第二热端安装平台221、第一热端安装平台211以及热结构连接部32由上至下依次固连。
59.其中，隔热垫25的厚度、隔热垫25的层数和柔性槽214的数量根据热传导要求和结构空间来确定，当要求比较低的热传导量时，根据具体的结构空间相应的增加隔热垫25的厚度、热垫25的层数以及柔性槽214的数量三个中的一个或者多个。
60.为了保证降温过程中冷光学单元可以均匀的向质心收缩，4组隔热支撑机构2安装在同一水平面上，其轴心与4个热结构连接部32连接平面的中心以及冷光学单元1的质心重合设置。
61.隔热衬套24和隔热垫25采用隔热性能良好、质量较轻的玻璃钢或聚酰亚胺制作，在保证外部热结构单元与冷光学单元之间的热隔离效果的同时减轻自身的重量，实现轻量
化；柔性滑块21和柔性铰链22采用比刚度高，隔热性能好的钛合金制作，在保证外部热结构单元与冷光学单元之间的热隔离效果的同时为冷光学单元提供整体支撑。
62.本实施例一种冷光学多柔性耦合轻量化隔热支撑结构的装配过程具体步骤如下：
63.1)零件加工，清洗烘烤完成；
64.2)将隔热套筒241分别套入相应的冷光学外结构11上开设的套孔内；
65.3)第一热端安装平台211上的第一热端安装孔212分别与相应的热结构连接部上的螺纹孔对齐；
66.4)将相同数量和厚度的多组隔热垫25分别放置在相应的第一冷端安装平台216上，并使隔热垫25的安装孔与第一冷端安装孔215对齐；
67.5)将第二热端安装平台221上的第二热端安装孔229与第一热端安装平台211上的第一热端安装孔212对齐；将第二冷端安装平台227放置在相应的隔热平台242上，并使第二冷端安装孔228与连接通孔243、隔热垫25的安装孔以及第一冷端安装孔215对齐；
68.6)第一连接螺钉23通过第二冷端安装孔228、连接通孔243、隔热垫25的安装孔以及第一冷端安装孔215将第二冷端安装平台227、隔热衬套24、套装在隔热套筒241上的冷光学外结构11、隔热垫25以及第一冷端安装平台216由上至下依次固连；第二连接螺钉26通过第二热端安装孔229和第一热端安装孔212以及热结构连接部32上的螺纹孔将第二热端安装平台221、第一热端安装平台211以及热结构连接部32由上至下依次固连。装配完成。
69.以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。