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一种红外探测器制冷系统的设计 0 新型制冷系统的提出及特点 在最初的红外探测器系统中，红外探测器有两个独立的气装置。外部冷冻气和弹载式冷系统分别单独供应红外探测器。这种气态分布意味着发动机的大量内部和重量指标位于关键框架中，结构复杂。 这对于性能要求极高的导引系统来说, 显然是不合适的。 本文提出的新型制冷系统是在继承定型产品工作方式的基础上, 优化了气路设计, 使其既能接收外部气源提供的高压气体对探测器实行快速制冷, 并迅速捕获目标, 又能在系统脱离载体后, 使用自身贮存的高压气体给探测器继续供气制冷 (简称“续冷”) , 维持原来的制冷效果, 以确保探测器不丢失目标。 这种设计模式使气源、 阀门及管路相对集中, 很好地解决了上述问题。 同时, 该型号在排气口设置、 电爆开瓶装置设计、 瓶体材料选择、 气路小型集成化等方面较老产品有明显的改善和提高。 1 冷系统的组成、原理和技术要求 1.1 冷系统的组成 如图1所示, 该制冷系统由充气装置1、 高压气瓶组件2、 电爆开瓶装置3、 单向阀4等组成。 1.2 寒冷装置的工作原理 红外探测器制冷系统的制冷过程分为外部供气快速制冷和内部供气续冷两个阶段。 (1) 气体输送系统 当系统进入“战斗准备”控制时序时, 外部气源与制冷系统接通, 高压高纯氩气通过毛细管进入系统中的三通阀 (两个反向安装单向阀, 实现气体输送方向控制) , 经流向控制后输入至导引头探测器, 对其进行快速致冷。 (2) 爆破控制时序 当“探测器快速制冷达到制冷效果并捕获了目标”后, 系统进入“发射”控制时序, 系统中的电爆开瓶装置通电引爆并将高压气瓶打开, 压力为42 MPa的高纯氩气进入三通阀, 经流向控制后输入至红外探测器, 对其继续制冷, 以保证探测器长久正常工作。 1.3 主要指标 探测器制冷系统的输出特性见表1, 性能指标见表2。 2 设计和计算 2.1 弹簧垫圈和金属密封垫圈的安装 根据红外探测器的技术要求, 综合各种因素, 制冷系统的气源装置由气瓶组件和转接块组件两大部分组成, 两者之间用三个螺钉和弹簧垫圈固定连接, 并采用O型橡胶圈和金属密封垫两种措施确保二者之间的高压密封。 其中气瓶组件包括气瓶和充气装置; 转接块组件包括内置三通阀、 电爆开瓶装置及输出、 输入接头等, 设计布局如图2～3所示。 此布局最大的优点就是将电爆开瓶装置、 转接块、 三通阀集成在转接块组件之上, 在实现所有功能的前提下最大程度地减小了空间体积和重量, 而且加工工艺性良好。 2.2 设计气质附件 气瓶组件由气瓶和充气装置组成, 如图4所示, 气瓶组件的主要功能是储存高压气体, 常温20 ℃时的工作压力为42 MPa。 2.2.1 钛合金钢瓶与国铁钢瓶的密度质量比较 为了节省空间体积和重量, 气瓶采用钛合金材料, 钛合金材料在固溶时效处理后, 抗拉强度为钢制的84%, 而密度则为钢的53%, 综合比较后钛合金气瓶的质量比钢制气瓶轻30%以上, 且钛合金在抗腐蚀、 盐雾、 霉菌方面远远优于不锈钢, 其他常规性能相当, 新材料的应用大大减轻了制冷系统的重量。 气瓶由瓶尾、 瓶头、 排气嘴三个零件焊接而成, 容腔体积为160 mL, 如图5所示。 (1) 气压和体积 根据总体技术要求, 工作压力P=42 MPa, 容积160 mL。 (2) 内压监测发酵工艺系数 为了确保气瓶的安全性、 技术先进性和经济性, 根据相关标准和规范及系统总体的要求, 结合钛合金的机械性能、 制造工艺、 质控手段等综合因素, 选取气瓶的安全系数n=2.5。 (3) dcb1式 气瓶最小壁厚计算公式: s≥nPD2σb(1)s≥nΡD2σb(1) 式中:n=2.5;P=42 MPa;D=50 mm;σb=1 000 MPa。 经计算, 得s=2.6 mm,d=D-2s=44.8 mm。 (4) 气的密度 查密度、 压力、 温度曲线, 可知在20 ℃, 42 MPa条件下, 氩气的密度约为630 g/L。 充气量G氩气=ρV=630×0.16=100.8 g。 (5) 瓶装瓶量 根据设计参数计算出充气前气瓶的重量为G瓶≈330 g; 气瓶组件:G总=G瓶+G充气阀+G氩气≈440 g。 2.2.2 瓶尾、件组成 充气装置具体结构见图6。 充气装置由充气嘴、 O型密封圈、 弹簧、 密封锥四个零件及瓶尾组成。 充气时, 先用专用接头及O型圈与充气嘴连接, 拧松充气嘴, 密封锥在弹簧推力作用下上移, 气瓶口打开, 然后通过专用配气台进行充气, 当压力达到额定值后, 即拧紧充气嘴, 密封锥下移, 利用锥面与气瓶的硬接触实现密封, 充气完成。 2.3 连接块组件设计 转接块组件由转接块、 电爆开瓶装置、 三通阀和输入、 输出接头五部分组成, 转接块组件结构如图7