太阳模拟器理论及应用研究

发布时间：2020-10-21 21:08

　　 太阳模拟器是空间环境模拟的重要设备,其主要作用是提供近似于真实太阳光谱分布的、均匀稳定的可控辐射源,以满足航天器的热真空试验、卫星姿态部件的测试标定、光学遥感器的环境适应性试验、太阳能光伏发电及材料特性测试等领域的需求。太阳模拟的光学系统主要由光源系统、匀光系统和成像系统组成,其光学系统设计的合理性直接决定着系统辐照面的辐照度、均匀性、稳定性、光谱分布、辐照面大小及准直角等物理特征和几何特征,而太阳模拟器的研究过程中最关键的问题是系统的提高能量利用率和照明均匀性,这也一直以来是太阳模拟技术研究中的重点。本文围绕太阳模拟器的设计理论及研究方法展开了深入的讨论,根据太阳模拟器的发展历程,分析并总结了不同类型太阳模拟器的光学设计原理和光学结构的特点,太阳模拟器的光学系统设计中需要同时考虑光能利用率、照明均匀性及成像光束质量等因素,这就必须通过成像光学理论与非成像照明光学理论相结合的方式,以进一步提高传统太阳模拟器光学性能。文章首先阐述了非成像光学理论的基本概念,将光学扩展量引入到太阳模拟系统的能量分析过程中,通过对光源、椭球聚光镜及光学元件的光学扩展量进行了详细的分析,讨论了光学扩展量与系统能量利用率的关系,为太阳模拟器的能量利用率的计算提供了理论依据和优化方法。太阳模拟系统的照明均匀性分析是本文工作的另一个重点。本文在理解基本照明原理的基础上,通过多通道柯勒照明方式建立了太阳模拟器的均匀照明的模型,并详细分析了照明均匀性的主要影响因素,指出可以通过增加透镜数目、减少衍射效应、控制聚光镜的像差三个方面来提高辐照面的均匀性,为太阳模拟器的光学系统设计提供了有益的参考。最后,在理论研究的基础上,本文研制了准直式太阳模拟器和投影式太阳模拟器,分别详细介绍了太阳模拟器光学系统设计的过程与结果,研制光棒式光学积分器,提高了照明的均匀性,设计了三片式准直光学系统和物方远心投影光学系统,改善了传统同轴式太阳模拟器的光学性能,通过系统仿真分析和实际检测验证了光学系统设计的合理性,并分析了太阳模拟器的未来发展趋势,对于将来太阳模拟器的小型化、高效化、高性能的研究提供了借鉴,促进了空间环境模拟技术的发展,并具有非常重要的现实意义。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TH74
【部分图文】：

改善其性能指标，美国航空宇航局喷气推进实验室（Ｊｅｔ?Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ?Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）??于１９６６年完成了该太阳模拟器的光源和光学系统的技术改造，建成了?ＪＰＬＳＳ１５Ｂ??太阳模拟器，如图１－１所示，该系统采用了离轴准直式光学结构，代替原先的同??轴反射式光学系统，并且开展了大功率短弧氙灯的试验研宄，选择３７只２０ｋＷ??的氙灯作为灯室的光源，不仅减少了聚光镜数量，也提高了光源系统的效率，并??研制了直径达７ｍ的铝合金单片反射镜作为准直镜，解决了大面积准直镜的加工??与检验难度大的问题，可实现有效辐照面达到＜！＞４６００ｍｍ，同时，采用１９个元素??镜的对称式光学积分器结构，使得出射光束的均匀性和准直性都有了较大的提高，??最终辐照面不均匀度为±４％，准直角达到±１°?，辐照度也可以达到１４５３Ｗ／ｍ２。??而后，为了满足星际探测航天器的太阳辐照加速试验的需求，在１９７２年，该??太阳模拟器在原来基础上进行了技术改造

而扩大了准直镜口径，最终得到了?３０５０ｍｍＸ４５００ｍｍ的福照面积。??同一时期，欧洲太空局在广泛吸取了各国的先进技术与研制经验的基础上，??于１９８３年在ＥＳＴＥＣ空间环境设备上建成的大型太阳模拟器［ｉ３］，其结构如图１－２??所示，设计方案采用了离轴准直光学系统，使得光束水平输出，其中氙灯光源采??用倾斜点燃的方式，并可以根据不同辐照度需求来选择１９只２０ｋｗ、２５ｋｗ或３２ｋｗ??的三种不同功率的氙灯，其匀光系统采用了?５５个元素镜的对称式光学积分器，??而准直镜是通过１２１块铝合金材料的正六边形单元反射镜拼接成直径为小??７０００ｍｍ的球面反射镜。该太阳模拟器代表了当今大型太阳模拟器的先进水平，??其均匀辐照面的直径为４＞６０００ｍｍＸ５０００ｍｍ，最高辐照度达到１６２５Ｗ／ｍ２，实现??辐照面不均匀度为±４％、辐照体不均匀度为±６％，输出光谱为未经过滤光的氙??灯光谱。它不仅吸引了国际上众多的航天器进行试验，也为其他国家的大型太阳??模拟器的研制提供了借鉴。??主模拟室??…／测试平台??＾?ｍ??飞光源灯室??图１－２欧空局（ＥＳＴＥＣ）太阳模拟器??４??

?ｍｍｌ??图１－３?ＮＡＳＡ?ＧＲＣ三光源太阳模拟器??随着２０世纪９０年代末发光二极管（ＬＨ））技术的快速发展，ＬＥＤ太阳模拟??器也逐渐受到人们的关注，并应用于光伏电池的检测。由于ＬＥＤ光源的发光是??围绕特定中心波长具有较窄的光谱分布，可以使用许多不同中心波长的ＬＥＤ并??通过光谱匹配的优化算法以获得非常精确的太阳光谱。但是光强不足是ＬＥＤ太??阳模拟器设计的主要问题，因此，目前提出的大多数ＬＥＤ太阳模拟器主要是测??量小规模光伏。［１７］例如，在２０１２年美国伊利诺伊大学香槟分校（ＵＩＵＣ）的研究??人员提出了一种ＬＥＤ太阳能模拟器％设计，其涵盖了?ＡＭ１．５Ｇ太阳能光谱，并??在１００ｍｍＸ５０ｍｍ的照明范围内实现了太阳模拟器的Ｃ级均匀性，如图１－４所??不。??Ｐｏｗｅｒ??Ｏｐｅｒａｔｉｎ
【参考文献】

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本文编号：2850601