CN115714297A - 一种非主动温控的空间固体激光器组件 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种非主动温控的空间固体激光器组件，包括：均热壳体(2)，其与激光器上盖(3)形成密封空间，均热壳体(2)包括上支撑板(10)和下支撑板(12)，上支撑板(10)用以为激光器固定器件(14)提供安装面，激光器固定器件(14)用于安装空间固体激光器，上支撑板(10)和下支撑板(12)之间设置有微通道结构，微通道结构内设置有冷却介质(13)，以基于冷却介质(13)对空间固体激光器进行冷却，均热壳体(2)的侧壁与空间固体激光器对应的位置开设有激光出光窗口；激光器上盖(3)，封闭均热壳体(2)。本申请解决了托板放置空间固体激光器低功耗、小体积、轻质量限制下无主动温控，长期工作热管理、密封和结构精度稳定性问题，满足空间激光器长期工作可靠性要求。
Description
技术领域
本申请涉及激光器技术领域，尤其涉及一种非主动温控的空间固体激光器组件。
背景技术
空间激光器长期工作可靠性设计考虑因素包括光学稳定性、热管理、真空密封和耐辐照设计。光学结构稳定性是空间固体激光器长期工作的前提，为保证必要的机械和热载荷尺寸稳定精度，通常选取金属基材作为壳体材料，又由于航天器件，对体积、质量和功耗有非常强的约束和限制，因此拥有良好的比强度、比密度、比模量材料和结构，实现轻质量、小体积、低功耗是激光器壳体设计的要求和目标。
热管理是空间固体激光器长期工作设计必须考虑内容，空间激光器由于工作平台为卫星或者其他航天器，能源供给仅靠太阳能帆板电池或其它蓄电设备，功率大小受到极大约束；加上空间环境为真空环境，地面常用的风扇对流等散热方式无法在空间应用，只能依靠传导和辐射进行；固体激光器作为温度敏感光电设备，通常放置于有一定环控条件的卫星或航天器舱内，由于舱内环控和空间尺寸条件有限，对空间激光器的功耗以及热源传递安装位置有较强的限制和约束要求。
空间激光雷达激光器通常由一系列激光器组成，每种激光器的功能用途、发热热量、控温精度各不相同，但均要满足激光雷达激光器不间断的连续工作要求，可靠工作寿命长达数年。发热量大、控温精度要求高的激光器优先放置于靠近舱内冷却通道的位置，其它则降级放置于其它位置，比如上层托板或者托架，散热条件往往更加苛刻，热交换功率仅允许数瓦。
空间激光器的可靠性和激光器的温度控制息息相关，激光器可靠性很大程度上取决于散热，有效地降低激光器基体内部以及激光器基体与器件之间的热阻，采取合理的热管理措施和温度控制是激光器空间工程应用的关键。
发明内容
本申请实施例提供一种非主动温控的空间固体激光器组件，用以解决托板放置空间固体激光器低功耗、小体积、轻质量限制下无主动温控，长期工作热管理、密封和结构精度稳定性问题，满足空间激光器长期工作可靠性要求。
本申请实施例提供一种非主动温控的空间固体激光器组件，包括：
均热壳体2，其与激光器上盖3形成密封空间，所述均热壳体2包括上支撑板10和下支撑板12，所述上支撑板10用以为激光器固定器件14提供安装面，所述激光器固定器件14用于安装空间固体激光器，所述上支撑板10和所述下支撑板12之间设置有微通道结构，所述微通道结构内设置有冷却介质13，以基于所述冷却介质13对空间固体激光器进行冷却，所述均热壳体2的侧壁与所述空间固体激光器对应的位置开设有激光出光窗口；
激光器上盖3，封闭所述均热壳体2。
可选的，所述上支撑板10和所述下支撑板12之间设置有多根柱状构件，以基于多根柱状结构形成微通道结构；
所述冷却介质13为工业纯水，所述微通道结构内按照一定比例加入有工业纯水，并抽至预设真空值，以控制所述工业纯水的沸点在10℃～20℃范围。
可选的，多根柱状构件为圆柱状构件。
可选的，所述激光出光窗口包括顺序设置的密封内圈15、密封窗片16以及密封外圈17。
可选的，所述均热壳体2上设置有与所述激光器上盖3适配的第一消应力槽8；
所述上支撑板10、所述下支撑板12的端部与所述均热壳体2的侧壁之间设置有第二消应力槽9。
可选的，所述激光器上盖3与所述均热壳体2之间还设置有密封圈4。
可选的，还包括托板1，用于为所述均热壳体2提供安装面，所述托板1与所述均热壳体2之间设置有第三消应力槽19。
可选的，所述均热壳体2、所述激光器上盖3、所述上支撑板10和所述下支撑板12均采用钛合金材料制成。
本申请实施例通过上支撑板、下支撑板之间设置微通道结构，并配合其他结构设计，由此解决了托板放置空间固体激光器低功耗、小体积、轻质量限制下无主动温控，长期工作热管理、密封和结构精度稳定性问题，满足空间激光器长期工作可靠性要求。
上述说明仅是本申请技术方案的概述，为了能够更清楚了解本申请的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本申请的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本申请的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本申请的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本申请实施例的空间固体激光器组件的整体结构示例；
图2为本申请实施例的空间固体激光器组件的B处放大结构示例；
图3为本申请实施例的空间固体激光器组件的S形消应力口结构示例；
图4为本申请实施例的空间固体激光器组件的C处放大结构示例；
图5为本申请实施例的空间固体激光器组件A处放大结构示例。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本申请实施例提供一种非主动温控的空间固体激光器组件，如图1所示，包括：
均热壳体2，其与激光器上盖3形成密封空间，所述均热壳体2包括上支撑板10和下支撑板12，所述上支撑板10用以为激光器固定器件14提供安装面，所述激光器固定器件14用于安装空间固体激光器，所述上支撑板10和所述下支撑板12之间设置有微通道结构，所述微通道结构内设置有冷却介质13，以基于所述冷却介质13对空间固体激光器进行冷却，所述均热壳体2的侧壁与所述空间固体激光器对应的位置开设有激光出光窗口。
激光器上盖3，封闭所述均热壳体2。如图2所示，在一些具体示例中，所述激光器上盖3与所述均热壳体2之间还设置有密封圈4，可以通过密封螺钉5与密封圈4、第一密封胶封口6、第二密封胶封口7实现密封。
如图1所示，在一些实施例中还包括托板1，用于为所述均热壳体2提供安装面，所述托板1与所述均热壳体2之间设置有第三消应力槽19。具体的，空间激光固体激光器可以安装于一金属托板或支架上，从而节省空间和提高集成度。一些具体示例中，托板或支架的厚度设计为较薄且不提供温控条件，一般交换热量小于数瓦。安装在托板上的激光器只能依靠自身传导和热容加快热量传递和匀化，从而降低壳体温度，提高工作稳定性。
如图3所示，还设置有激光器固定S形消应力口20，通过设置S形消应力口20一方面确保安装强度的同时，另一方面消除安装应力对激光器散热面型精度的影响。
在一些实施例中，所述均热壳体2、所述激光器上盖3、所述上支撑板10和所述下支撑板12均采用钛合金材料制成，采用钛合金材料可以综合铝、铜和钢的优点实现强约束体积质量下的强度优选值，满足卫星空间小体积轻质量需求。
本申请实施例通过在下支撑板之间设置微通道结构，并配合其他结构设计，由此解决了托板放置空间固体激光器低功耗、小体积、轻质量限制下无主动温控，长期工作热管理、密封和结构精度稳定性问题，满足空间激光器长期工作可靠性要求。
在一些实施例中，所述上支撑板10和所述下支撑板12之间设置有多根柱状构件，以基于多根柱状结构形成微通道结构。所述冷却介质13为工业纯水，所述微通道结构内按照一定比例加入有工业纯水，并抽至预设真空值，以控制所述工业纯水的沸点在10℃～20℃范围。在一些实施例中，多根柱状构件为圆柱状构件，也可以是其他柱状，具体可以根据实际需要设置。如图1、图4所示，均热壳体2包括上下支撑板和若干与上下支撑板连接一体的圆柱构件。上下支撑板和圆柱均可以采用钛合金基材TC4，圆柱起到加固和导热作用。一些具体示例中上下支撑板厚度均为3mm，圆柱直径1mm，长度4mm。
在一些具体示例中，按照一定比例加入工业纯水，利用抽气装置将内部空气抽出使之接近真空状态，通过抽真空实现将纯水沸点减低至（10℃～20℃）。
在具体实施例中，当激光器发热器件将热量传导至壳体上板时，腔内的工业纯水达到沸点产生汽化。吸收热量在腔体内迅速膨胀，汽化后的水蒸气很快充满整个腔体，当接触到冷区域时，产生凝结，由此释放所吸收热，凝结后液体通过微通道结构毛细现象回到热源处，由此循环周而复始。
在具体实施例中，壳体变形温度为150℃，当温度低于150℃时，腔内压力小于空气压力，等于150℃时，内外压力平衡，150℃以上膨胀，依靠钛合金壳体强度避免变形。
在一些具体示例中，上下支撑板分体加工，分体加工后，采用搅拌摩擦焊实现上基板和下基板的连接，搅拌磨擦焊相比其他焊接比如钎焊、电子束焊接、扩散焊接等方式机械强度好，无外添加焊料，可保持激光器壳体的材料纯度。对于本实施例水冷板焊接参数为：接预留压边不小于1.5mm，焊缝深度大于板厚，焊接顺序为由里向外均匀焊接，由里向外焊接进给距离不下于半个搅拌摩擦焊头。
在一些具体示例中，初焊分三次焊接，每次焊接后进行时效处理。预焊焊速保持50～100mm/min，真空炉时效保温6～8h；中焊焊速保持40～80mm/min,真空炉时效保温4～6h；终焊焊速保持30～60mm/min，真空炉时效保温6～8h。分阶段多次低应力初焊可部分降低激光器壳体焊接应力，三次焊接后由于焊接应力会发生不同程度变形翘曲，应进行稳定性焊接、时效和校正，以进一步消除焊接应力。
在一些具体示例中，稳定性焊接为在初焊后采用搅拌摩擦头在激光器壳体下基板背面由里向外空焊3次，焊速保持30～60mm/min，真空炉时效保温6～8h，从而消除单面焊接应力引起的翘曲变形，焊接由里向外有助于消除稳定焊接引起的自身形变。
在一些具体示例中，实施例时效次数为4～6次，时效温度不高于130℃，保温6～8h，每次时效后，翻转零件内外表面进行一次半精加工，加工量为0.1～0.3mm，直至水冷板满足面形精度要求。最后进行最后一次上下表面精加工，加工量为0.02～0.05mm，完成零件成型。
在实施例中，激光器上盖3选择和壳体一样为钛合金材料，确保同种材料热胀冷缩变形一致，以及相互长期接触金属电位一致，不发生电化学腐蚀。
在实施例中，上盖和激光器壳体连接采取密布螺钉方式，螺钉间距、上盖接触法兰厚度匹配计算漏率，本实施例中，螺钉间距16mm，上盖10mm，安装螺钉台阶厚度5mm，锁紧螺钉由里向外，从中间往四周逐步交叉锁紧，螺纹孔为盲孔（离外壁大于2mm）。
在一些具体示例中，密封圈4采取双层“O”型圈密封方式，密封圈4的材料为氟橡胶7114，实现规避和消除激光器常用硅胶圈所带来的激光污染。双层“O”型圈中间采取抽真空方式以消除真空环境下双层密封圈间空气和外界压差，此措施可进一步提高可靠性。
在一些具体示例中，所述激光出光窗口包括顺序设置的密封内圈15、密封窗片16以及密封外圈17，还可以设置激光出光窗口密封压圈18。如图1、图5所示，一些具体示例中出光窗口采用石英玻璃双密封圈方式实现激光输出和密封，第一道密封通过窗片直接接触和压接激光器壳体窗片安装面密封槽实现，第二道密封通过激光出光窗口密封压圈45°倒角压接接触石英窗片实现。
在一些具体示例中，所述均热壳体2上设置有与所述激光器上盖3适配的第一消应力槽8，所述上支撑板10、所述下支撑板12的端部与所述均热壳体2的侧壁之间设置有第二消应力槽9。具体的，在激光器壳体(均热壳体2)安装底面四周设计消应力槽以进一步消除安装应力对激光器腔内调整架影响，通过设计消应力槽可提高激光器光学器件安装稳定性和一致性，一些示例中消应力槽宽度2mm，深度5mm。在激光器壳体底面和托板安装面之间添加导热硅脂以减小接触热阻，增强传热效率。在各密封位置采用涂胶（胶2151）进行密封强化处理。
本申请的空间固体激光器组件采取钛合金一体均热底座设计、多层密封可靠封装技术，解决了空间固体激光器低功耗、小体积、轻质量强约束边界条件下无主动温控，长期工作热管理、密封和结构精度稳定性问题。此结构和工艺简单牢靠、重量轻便，既满足空间固体激光器结构精度稳定要求，又适应空间低功耗热控亟需，基础结构牢靠、拓展性强，易于推广，可广泛应用于各类空间及其它空间激光器领域。本发明所设计的空间固体激光器壳体结构已在实际工程应用中证明了其有效性。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本申请的保护之内。
Claims (8)
1.一种非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，包括：
均热壳体(2)，其与激光器上盖(3)形成密封空间，所述均热壳体(2)包括上支撑板(10)和下支撑板(12)，所述上支撑板(10)用以为激光器固定器件(14)提供安装面，所述激光器固定器件(14)用于安装空间固体激光器，所述上支撑板(10)和所述下支撑板(12)之间设置有微通道结构，所述微通道结构内设置有冷却介质(13)，以基于所述冷却介质(13)对空间固体激光器进行冷却，所述均热壳体(2)的侧壁与所述空间固体激光器对应的位置开设有激光出光窗口；
激光器上盖(3)，封闭所述均热壳体(2)。
2.如权利要求1所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，所述上支撑板(10)和所述下支撑板(12)之间设置有多根柱状构件，以基于多根柱状结构形成微通道结构；
所述冷却介质(13)为工业纯水，所述微通道结构内按照一定比例加入有工业纯水，并抽至预设真空值，以控制所述工业纯水的沸点在10℃～20℃范围。
3.如权利要求2所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，多根柱状构件为圆柱状构件。
4.如权利要求2所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，所述激光出光窗口包括顺序设置的密封内圈(15)、密封窗片(16)以及密封外圈(17)。
5.如权利要求1所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，所述均热壳体(2)上设置有与所述激光器上盖(3)适配的第一消应力槽(8)；
所述上支撑板(10)、所述下支撑板(12)的端部与所述均热壳体(2)的侧壁之间设置有第二消应力槽(9)。
6.如权利要求1所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，所述激光器上盖(3)与所述均热壳体(2)之间还设置有密封圈(4)。
7.如权利要求1所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，还包括托板(1)，用于为所述均热壳体(2)提供安装面，所述托板(1)与所述均热壳体(2)之间设置有第三消应力槽(19)。
8.如权利要求7所述的非主动温控的空间固体激光器组件，其特征在于，所述均热壳体(2)、所述激光器上盖(3)、所述上支撑板(10)和所述下支撑板(12)均采用钛合金材料制成。
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