大口径发散式同轴太阳模拟器及其关键技术研究

发布时间：2020-04-27 21:56

【摘要】：随着空间科学技术飞速发展,太阳敏感器作为卫星姿态测量和控制系统的关键光学敏感器,其性能得到了极大提升。同时,随着观测任务的日趋多样化,卫星工作空间环境也日益复杂,特别是在进行轨道交会对接等复杂太空试验时,太阳敏感器除了会受到其他非目标天体干扰外,同时还会受到卫星本体等带来的反射杂光干扰,对太阳敏感器的精度和可靠性产生影响,甚至会造成系统失效等严重后果。因此,在轨道交会对接等半物理仿真地面试验中,对太阳敏感器工作过程中杂散光模拟的需求日益强烈。本文以国家航天需求为牵引,针对太阳敏感器地面半物理仿真模拟试验与测试需求,结合目前缺少对卫星本体等结构杂散光的模拟技术现状,开展大口径发散式同轴太阳模拟器总体设计技术、大辐照面积发散光学系统优化设计技术、运动目标跟踪调节技术、太阳模拟器控制技术以及光轴装调方法等关键技术研究,着重解决远距离大面积均匀辐照、辐照强度和辐照均匀性仿真结果与实测结果不一致及太阳模拟器装调等问题。论文的研究可为太阳敏感器提供一种先进的地面仿真试验与测试手段,对提升太阳敏感器的性能有着重要现实意义。基于太阳辐射基础理论与非成像光学理论,结合均匀照明方式与光束均化方法,优化太阳模拟器光学系统,提出了一种大辐照面积发散光学系统的设计方案。结合大辐照面积发散光学系统优化设计、运动目标跟踪调节以及太阳模拟器控制等关键技术,提出并构建了一种大口径发散式同轴太阳模拟器,实现了远距离、大面积、高均匀的持续跟踪太阳光辐照模拟。为解决太阳模拟器辐照强度和辐照均匀性仿真结果与实测结果不一致的问题,基于数值分析方法与嵌套建模思想,从轴上相对亮度分布曲线、光源模型和空间光强分布等方面深入研究了氙灯实际发光效果模拟方法。仿真与实验对比了实际发光效果建模与传统方法建模的结果,得到的结论是实际发光效果建模的仿真结果更接近于太阳模拟器的实测结果,通过实验验证了实际发光效果模拟方法的正确性。大辐照面积发散光学系统是太阳模拟器能否实现远工作距离、大辐照面积均匀辐照的关键因素。优化设计了组合聚光系统、光束整形系统以及双排复眼透镜阵列与发散投影光学系统,并利用实际发光效果建模对其进行了仿真分析,结果为大面积发散太阳模拟器工作距离20000mm处,辐照面直径为Φ1500mm,辐照不均匀度为±7.7%。根据大口径发散式同轴太阳模拟器对运动目标持续跟踪照射的功能需求,提出了一种基于统一化设计思想的运动目标跟踪调节系统设计方法,构建了方位回转调节系统与俯仰旋转调节系统,实现了大口径发散式同轴太阳模拟器的运动功能控制。设计了氙灯电源控制系统与温度控制系统,实现了大口径发散式同轴太阳模拟器出射光斑的受控调节与稳定控制,为大口径发散式同轴太阳模拟器长时间稳定工作提供了可靠的技术保障。大辐照面积发散光学系统的精确装调是保证太阳模拟器光学性能的重要环节。结合现有太阳模拟器特定组件装调技术,分析了光轴一致性误差补偿结构设计原则,确定了采用等边三角形支撑布置的设计思想,设计了短弧氙灯调节结构,提出了装调基准光轴建立、转向平面反射镜组、组合聚光系统以及光束整形系统的光轴装调方法,建立了一种大口径发散式同轴太阳模拟器光轴装调体系,保证了太阳模拟器性能指标。通过实验验证了太阳模拟器主要技术指标。实验结果表明:工作距离为20000mm处,有效光斑直径为Φ1550mm,辐照强度为1484.8W/m~2,辐照不均匀度为±9.4%,辐照不稳定度为±1.8%/h,方位角调节范围为-180o至180°,方位角度调节精度为0.35°,俯仰角调节范围为-45o至+45°,俯仰角度调节精度为0.23°。
【图文】：

太阳模拟器,美国

国外研究现状代，美国首先开始了大型太阳模拟器的研实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）射镜主镜，以及由 19 块不锈钢单元镜组林光学系统结构，配合由 131 个 2.5kW 汞，最大辐照强度为 2152W/m2，辐照面不杂，研制成本较高，而且光学性能较差，原因，JPL 于 1966 年完成了对该太阳模出了 JPLSS15B 型太阳模拟器，该太阳模径为 7ｍ单片铝合金反射镜作为准直镜， 37 只 20kW 短弧氙灯作为灯室光源，在的能量利用效率。该模拟器还采用了 19 大的提升了出射光束的均匀性和准直性，度为 1453W/m2，辐照面不均匀度为±4％器结构如图 1.1 所示。

太阳模拟器,航天器,太阳,准直镜

个太阳常数错误!未找到引用源。。满足航天器及有效载荷的热平衡试验需求，欧洲各国器的研制工作。法国宇航环境工程试验中心研制的大式准直镜技术，降低了大面积准直镜的加工难度和成技术的发展，其研制的太阳模拟器辐照面直径为Φ3/m2，辐照不均匀度为±4%，准直角为±1.5°。1983 年德用离轴式准直光学结构，辐照面直径为Φ3600mm，，照面不均匀度±4%[17]，经过后续升级改造将积分器元将准直镜单元镜数量由最初的 61 块增加至后来的的辐照面积。1983 年欧洲航天发射中心（European Spntre，ESTEC）在空间环境设备上建成了 ESTEC 太阳模学系统，使得光束得以水平照射，匀光系统采用了 5器，准直镜为由 121 块正六边形单元反射镜组成的直该太阳模拟器具备根据不同辐照强度需求选取 20kW。ESTEC 太阳模拟器如图 1.2 所示。
【学位授予单位】：长春理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V476

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