李家鹏，夏丽昆，赵江来，陈晓燕，赵 森，周 建，刘 春，刘 昆

（1.昆明物理研究所，昆明 650223；2.重庆军代局驻昆明地区军代室，昆明 650223）

0 引言

红外制导技术是当今制导武器系统的重点发展方向之一，也是我军急需的高新技术。红外制导导弹通常要求探测器在极短的时间内（几十秒甚至几秒）完成启动，要求制冷器启动时间短。节流制冷器利用高压气体的节流降温效应，最快在几秒的时间内就能将探测器冷却到工作温度，让探测器快速响应，使红外导弹快速进入工作状态，因此目前国内外大部分的红外制导武器都采用节流制冷方式[1]。

红外导引头要求节流制冷器具有快速降温、工作耗气量尽可能小的特点。目前，节流制冷器通过大耗气量实现大制冷量，以实现快速降温或者采用自调机构，在制冷器启动完成后实现低的平均工作耗气量都相对容易。但如何同时满足快速降温和低工作耗气量的双重要求是现阶段微型开式节流制冷器的难点之一。文章结合实际需要，设计了一种预冷级波纹管自调式节流制冷器，通过实验对比，该节流制冷器的启动时间比单级自调式节流制冷器快，耗气量比预冷级非自调式节流制冷器小。该节流制冷器在常温下的启动时间为12 s@90 K、15 s@80 K，同时耗气量也得到了优化，为未来快速制冷和长时间工作的节流制冷方式提供了一个途径。

1 设计思路

红外探测器被冷却部分的热负荷可以分拆成两部分：热容量热负荷（启动阶段）和热损失热负荷（工作阶段）。在制冷启动工作阶段热容量热负荷是主要部分，在制冷稳定维持工作阶段基本只存在热损失热负荷，相对来说较小。因此，理想的制冷装置应当在启动工作阶段有较大的制冷量，而稳定工作阶段制冷量减小以节省能量消耗和消除制冷量过大带来的负面影响。

自调式节流制冷器在启动工作阶段有较大的制冷量，在稳定工作阶段制冷量较小，节省制冷工质，延长制冷器工作时间[2-4]。但相比非自调制冷器，其增加了自调机构，自身热质量增加，其启动时间通常慢于同类型的非自调式制冷器，不能满足许多快速制导的需要，其原理如图1所示。

图1 自调式节流制冷器简要原理图Fig.1 Principle Layout of self regulated J-T cooler

采用预冷级的节流制冷方式，通过预冷级对制冷级进行预冷，加快节流制冷器的降温速度，满足红外制导对制冷器快速制冷的要求。但由于带预冷的节流制冷器的流量大，制冷工质消耗大，因此制冷器工作时间较短[5-6]，其原理如图2所示。

在红外用节流制冷器的制冷方式中提出一种新型的制冷方式，将预冷快速制冷方式与波纹管自调式节流制冷方式相结合，解决制冷器要求快速启动和长时间工作之间的矛盾。带有预冷级的波纹管自调式快速节流制冷器（简称预冷自调式节流制冷器），其简要原理如图3所示。

图2 预冷级节流制冷器简要原理图Fig.2 Principle Layout of J-T cooler with precooler

将预冷波纹管自调式节流制冷器与单级非自调式节流制冷器、单级自调式节流制冷器（图1所示结构中去除自调机构）和预冷非自调式节流制冷器的启动时间、耗气量进行对比分析。

2 实验模型

为了对比其他制冷器同预冷级波纹管自调式节流制冷器启动时间、耗气量等指标，除了制冷器，搭建了专门的测试平台。该实验台主要由恒压气源或固定气瓶（根据不同的测试条件选择）、压力表、气体过滤器、真空杜瓦组件、测温二极管、恒流源、流量收集工装、质量流量计、流量与温度数据采集系统构成，其中真空杜瓦组件由兵器211所生产的某型中波焦平面探测器组件作为实验的真空杜瓦，恒流源输出的精度误差为mV级，杜瓦内冷指芯片旁装有贴片式测温二级管，最大绝对误差为0.2 K。流量计采用质量流量计，测量时可自动转化为体积流量显示，精度为0.25 N·L/min。基于Labview开发的数据采集系统，采集板卡最大采样速度为ms级，完全满足节流制冷器的动态性能及参数测试要求。具体原理如图4所示。

图4 启动时间、耗气量实验平台示意图Fig.4 The schematic diagram of cool-down time and gas consumption

3 性能对比

3.1 启动时间对比

制冷器的降温时间是指制冷器将探测器组件的芯片从环境温度冷却到探测器工作温度所需的时间。降温过程中，组成热负载的成分既有被冷却杜瓦组件的热质量，也有制冷器自身的热质量，计算由式（1）可表示：

式中：Qassembly为总热质量，kJ；mj为各个组成部分的质量，kg；T0为环境温度，K；T5为制冷温度，K。制冷器工作时，其制冷量方程如式（2）：

由此，可获得节流制冷器的降温时间t的计算如式（3）：

实际工作过程中，制冷器的降温时间t由制冷器产生的制冷量Q0、杜瓦与制冷器待冷却的热质量mjcm,j(T)和杜瓦冷头换热系数k共同决定，如图5所示。

图5 降温时间的热力学公式图Fig.5 Thermodynamics expressions of cool-down time

假设制冷器的工作压力为30 MPa恒压，制冷级和预冷级采用的节流小孔大小一致，如表1所列。

教材，作为教学的基础，主要是通过教材的学习，来让学生理解英语知识的运用。教材有其选材要求和编排顺序,教学需要遵循教材但不囿于教材,可以突破教材原有的框架,通过补充、添加等方式，形成以教材为核心的丰富的材料“群”，让教学因这样的添加而变得厚实有内容。

表1 四种制冷器计算启动时间Table 1 Theoretical calculation cool-down time for four kinds of J-T coolers

通过计算可知，制冷器到达90 K和80 K的启动时间快慢顺序为预冷非自调式制冷器、预冷自调式制冷器、单级非自调制冷器、单级自调制冷器。图6是四种制冷器在氮气30 MPa恒压条件下，实验测得的启动时间，具体值如表2所列。可以看出，在90 K之前，启动时间从快到慢与计算的趋势一样，预冷非自调式最快，预冷自调式和单级非自调式次之，单级自调式最慢。但在90 K之后，非自调制冷器由于没有自调机构，回流气体的背压较大，制冷温度下降变慢，且只能降低到80 K左右温度就不再下降，自调式制冷器则由于背压较小，可以降低到75 K（昆明地区的大气压约为80 kPa）。

表2 四种制冷器实验启动时间（30 MPa）Table 2 Experiment cool-down time for four kinds of J-T coolers（30 MPa）

图6 四种制冷器实验启动时间（30 MPa）曲线Fig.6 Experiment cool-down curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa）

在红外制导实际应用中，无法保证恒压源，通常采用弹上气瓶作为制冷器的气源，气瓶内的工质压力会随工作时间延长而逐渐降低。采用0.2 L的气瓶作为实验气瓶，后面的描述如无特别说明，四种制冷器制冷级、预冷级使用的气瓶均为0.2 L，如表3所列。

表3 四种制冷器实验启动时间Table 3 Experiment cool-down time for four kinds of J-T coolers

图7为四种制冷器制冷级、预冷级均用30 MPa氮气，0.2 L气瓶，常温300 K条件下获得的启动时间对比图，具体数值如表3所列。由图7可知，在90 K之前，预冷非自调式节流制冷器启动最快，预冷自调式节流制冷器启动时间次之，单级节流制冷器启动时间相对较慢。其启动时间与30 MPa恒压条件下趋势一致。采用固定气瓶与恒压的区别主要在非自调上，固定气瓶在工作时，其内部的压力逐渐下降，因此制冷器的回流气体随压力逐渐降低，背压逐渐减小，因此工作温度随工作压力下降逐渐降低。自调式由于自调机构收缩，背压基本与当地大气压一致，因此工作温度稳定。此时影响到达最终温度的降温速度的主要因素不是制冷量，而是背压与换热系数，自调式背压下降得快，其降温速度比非自调式的也快。与30 MPa恒压相比，0.2 L气瓶里的气压逐渐下降，因此启动过程中制冷量逐渐下降，四种制冷器到达90 K的时间都比恒压条件下变慢，但到达80 K后，由于背压的原因，非自调的降温时间0.2 L气瓶比恒压的快，自调式的恒压和0.2 L均不存在背压问题，主要与制冷量有关，所以自调式到达80 K的时间也比恒压的慢。

图7 四种制冷器实验启动时间（30 MPa，0.2 L）曲线Fig.7 Experiment cool-down curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa，0.2 L）

3.2 耗气量对比

节流制冷与其他制冷方式相比，最大的优势之一是体积小，整个制冷器的尺寸一般小于Φ30 mm×40 mm。但节流制冷方式需要消耗制冷工质，制冷器的耗气量决定了制冷器的工作时间，即红外制导导引头的作战时间和飞行距离，决定弹上气瓶的体积、质量，从而影响整弹的体积、质量等武器指标。因此制冷器的耗气量是制冷器的重要指标之一。

制冷器工作过程耗气量的需求可分为两个阶段，启动阶段和稳定工作阶段。在制冷器启动时，需要将杜瓦以及制冷器本身的热质量冷却到制冷温度，制冷量越大，降温速度越快，因此启动时需要较大的制冷量，即要求制冷器的流量比较大。当制冷温度达到工作状态后，只需要提供较小的制冷量维持热负载即可，所需的流量较小。

图8为四种制冷器采用30 MPa氮气，0.2 L气瓶，常温300 K条件下的耗气量对比图。可以看出，预冷自调式节流制冷器的总耗气量为其制冷级（自调式）和预冷级（非自调式）耗气量的总和，并基本等于单级自调式和单级非自调式制冷器的耗气量。预冷非自调式节流制冷器的总耗气量为其制冷级（非自调式）和预冷级（非自调式）耗气量的总和，并基本等于单级非自调式制冷器耗气量的两倍。预冷自调式节流制冷器总的耗气量在启动过程中也有明显的转折部分，这是因为制冷器在启动过程中，制冷级到达自调点后，制冷级耗气量急剧下降，但整个工作过程中，由于预冷自调式节流制冷器的预冷级是非自调，因此在进入稳定工作状态后，其耗气量曲线与单级非自调制冷器平行，这是因为其制冷级的耗气量自调后，耗气量均匀一致，其预冷级的耗气量随气瓶压力降低而降低。从图8可见，预冷节流制冷器总的耗气量比单级多，但比预冷非自调制冷器少。

图8 四种制冷器实验耗气量（30 MPa，0.2 L）曲线Fig.8 Experiment gas consumption curves for four kinds of J-T coolers（30 MPa，0.2 L）

4 结论

瞄准红外制导用节流制冷器，提出一种新型的制冷方式，将预冷方式与波纹管自调方式相结合，解决了制冷器快速启动和工作时长之间的矛盾。

通过采用预冷级对制冷级进行预冷，加快制冷器的降温速度，满足红外制导对制冷器快速制冷的要求。在完成启动后，为了延长制冷器的工作时间，预冷级停止工作，制冷级的自调机构对制冷器制冷工质进行调节，降低制冷工质的消耗，延长制冷器的工作时间。将二者结合起来，在快速降温与工作时间之间寻找一个结合点，既能满足制冷器快速降温，又能满足制冷器长时间工作。

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[5]李家鹏，陈晓屏，陈军.微型节流制冷器启动时间理论分析[J].红外与激光工程，2009，38（1）：27-30.

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