《表1 材料性能对比：空间低温杜瓦瓶凯夫拉支撑结构多约束优化设计》

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《空间低温杜瓦瓶凯夫拉支撑结构多约束优化设计》

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对低温制冷技术的需求随着红外探测、低温超导、航空航天等前沿科技的发展越来越广泛。传统低温制冷技术包括机械制冷机以及低温液体贮存杜瓦瓶。其中机械制冷机由于存在振动、功耗需求较大以及低温下制冷量较小等限制，难以在一些特殊的空间场合应用，因此低温液体贮存杜瓦瓶依然是空间主流制冷技术[1]之一。在低温杜瓦瓶设计中，漏热损失是衡量其性能的重要指标，而通过支撑结构进入杜瓦瓶的热量占到了漏热损失的30%以上。除此之外，支撑结构还必须保证系统结构具有足够的力学稳定性。这就要求杜瓦瓶结构本身足够稳定，同时，所采用的支撑材料在低温下具有较高强度以及较低的热导率。而针对空间应用的低温杜瓦瓶其支撑材料还要求具有较轻的质量以降低发射成本[2]。传统低温杜瓦瓶的支撑结构多从减小漏热损失角度考虑，因而在其力学性能方面做出了一定妥协，能够基本满足地面使用要求，却难以适应航天器发射及空间复杂外部环境。而目前对于低温杜瓦瓶支撑结构的热力学性能的耦合研究涉及较少，绝大多数分析都将支撑结构的力学分析和热学性能分别进行研究。Kittel[4]对柔性绳索结构以及杆系结构的支撑采用一维简化模型进行分析，并在此基础上比较了二者的漏热损失。Bushnell[5]对火箭低温燃料贮箱采用的刚性、柔性以及被动轨道断开式管型支撑（Passive orbital disconnect struct，PODS）三种支撑的性能进行了比较分析。Hopkins[6]则以COBE卫星杜瓦瓶为背景，分别采用柔性支撑带及PODS两种支撑形式进行了结构设计，并对两种形式的力学性能及漏热损失分别进行分析，认为柔性支撑带更适合于液氦及液氢杜瓦瓶，而PODS结构更适合于液氮及液氧杜瓦瓶[3-6]。吴红[7]针对某超导磁体设计了采用柔性拉带的冷质量支撑结构，建立了相应的力学模型，在此结构上分析了其漏热损失。除此之外，还有学者针对不同的支撑形式及材料进行了较多研究[8-10]。近年来，一种新型的高分子材料对位芳纶纤维（凯夫拉），由于其极低的热导率以及优异的力学性能而在低温系统中获得了越来越多的关注。其与不锈钢材料的性能对比如表1所示。英国的詹姆·斯克拉克·麦克斯韦望远镜（JCMT）、美国SABER红外探测器组件等结构均采用了凯夫拉纤维并设计了相应的支撑形式[11]。