大型太陽模擬器研制技術綜述

楊林華

（北京衛星環境工程研究所，北京 100094）

0 引言

太陽模擬器能夠較準確地模擬太陽輻照的準直性、均勻性和光譜特性，具有較高的空間外熱流模擬精度。太陽模擬器主要用于航天器的熱平衡試驗、熱控涂層特性試驗和材料老化試驗，特別適用于外形復雜、伸展在外空間的大型天線和探測器的熱平衡試驗，能夠有效地驗證航天器的熱設計。另外，太陽模擬器可以利用光屏模擬空間瞬變外熱流，以開展瞬變熱流試驗；還可以借助于運動模擬器模擬不同太陽入射角輻照下的熱平衡試驗，具有良好的適應性。

各國際航天大國及組織均建有大型太陽模擬器，如：美國JPLSS15B太陽模擬器[1]，有效輻照面達到φ4 600 mm，其不均勻度為4%；歐洲ESTEC大型太陽模擬器（如圖1所示）[2]，有效輻照體積為φ6 050 mm×6 000 mm，輻照面不均勻度為4%；日本筑波空間中心大型太陽模擬器[3]，輻照體積為φ6 000 mm×6 000 mm，面不均勻度為5%。此外，俄羅斯、德國IABG、法國INTESPACE和印度也建有大型太陽模擬器[4]，在新型航天器的研制中發揮著重要作用。

隨著我國載人航天工程、探月工程等國家重大專項工程的開展，結構外形復雜的航天器越來越多，特別是探月工程三期任務中的多個探測器，利用太陽模擬器進行熱平衡試驗的優勢越來越明顯，使用太陽模擬器進行熱試驗的需求不斷增強。因此，研制大型太陽模擬器，提升我國研發保障能力勢在必行。由于大型太陽模擬器結構復雜、研制技術難度大、研制周期長，涉及光、機、電等多學科、多領域，有必要開展相關技術的跟蹤研究。本文將對大型太陽模擬器研制過程中的相關技術問題進行研究，并在此基礎上提出我國大型太陽模擬器研制的技術方案。

圖1 ESTEC大型太陽模擬器Fig. 1 ESTEC large solar simulator

1 關鍵技術研究

太陽模擬器是光、機、電一體化的多系統構成設備，由光機系統、光學測量系統、光學裝校系統、冷卻系統、電源與控制系統等組成。

1.1 光源及燈室

1.1.1 光源選擇

太陽模擬器光源主要有碳弧燈、汞氙燈和短弧氙燈等，其中短弧氙燈具有色溫高、亮度大、容易點燃、其光譜分布與太陽光譜相似等優點，是理想的太陽模擬器光源。大型太陽模擬器普遍選用大功率氙燈，例如美國JPLSS15B使用了37只20 kW的氙燈， ESTEC太陽模擬器選用了19只20 kW（可換成25 kW或32 kW）的氙燈，我國KM4太陽模擬器使用了13只25 kW短弧氙燈。使用大功率氙燈可減少其使用數量，有助于簡化燈室結構；但是氙燈的陰極、陽極需要采用高壓水冷卻，致使氙燈單元結構非常復雜（見圖2）。高壓水流動使水管振動產生的應力和密封法蘭熱脹冷縮產生的應力作用于氙燈的泡殼，易使其發生炸裂。2004年，北京衛星環境工程研究所在進行25 kW氙燈點燃試驗時，氙燈電源關閉時并未發現異常，但氙燈泡殼在恢復到常溫后出現了裂紋。分析認為這是由于冷卻密封法蘭熱脹冷縮產生的應力作用到氙燈泡殼所致。

圖2 大功率氙燈單元Fig. 2 High power xenon lamp unit

近幾年，國內研制的大、中型太陽模擬器多選用5～10 kW的中等功率氙燈。其原因是可采用風冷卻方式，可以降低太陽模擬器的使用風險。1.1.2 氙燈點燃方式

氙燈處于垂直狀態點燃時（如圖3所示），燈弧穩定且安全，因此是理想的點燈狀態。若要得到水平輸出光束，則需要增加平面反射鏡來改變光的方向。由于反射鏡處在較強的輻照位置，鏡面易受熱變形而影響太陽模擬器光束的光譜特性；同時，反射鏡表面還將有15%的能量損失。

大型太陽模擬器采用傾斜點燃氙燈時（如圖4所示），氙燈與水平面所成的傾角約在0°～20°之間，這樣可省去折光平面反射鏡，從而避免了15%的能量損失。

氙燈點燃時燈弧處于熔融狀態，因此傾斜點燃的氙燈燈弧會受地球重力影響而產生弧飄，從而影響太陽模擬器的穩定性。為此，北京衛星環境工程研究所的KFTA太陽模擬器曾設計了磁場穩弧技術，但在實際使用中燈弧的穩定性很好，磁場穩弧技術并未被啟用，太陽模擬器的穩定性就已達到±0.5%的高水平。

圖3 垂直點燃氙燈Fig. 3 Vertical ignition of xenon lamp

圖4 傾斜點燃氙燈Fig. 4 Inclined ignition of xenon lamp

1.1.3 大功率短弧氙燈的點燃

短弧氙燈為高壓氙氣體放電光源，它由鎢陽極、鈰鎢（或釷鎢）陰極和石英泡殼組成。當氙燈在高頻高壓激發點燃時，陰極發射電子激發氙氣電離，產生強烈的弧光放電[5]。大功率氙燈的電源為小電壓大電流，而觸發電壓高于點燃后維持工作的電壓，如25 kW氙燈工作時的電壓/電流為60 V/450 A，而觸發電壓為20～30 kV的高壓，因此需要研制由高頻變壓器組成的觸發器。因此，氙燈周圍器件必須采取絕緣防護措施，以避免高壓擊穿。同時，為了保證太陽模擬器的穩定性，氙燈電源的電流穩定性要求優于±0.05%。

1.2 光學系統

進行太陽模擬器光學系統設計時，主要從兩方面考慮：一是提高試驗輻照體積的輻照均勻性；二是提高氙燈光能的利用率[6]，并不把消除系統像差、提高成像質量作為主要目的。在輻照面積、準直角和焦距等確定后，依據拉氏不變量優化聚光系統、光學積分器和準直鏡參數。目前的太陽模擬器大多采用無遮擋、可得到優質光束性能參數的離軸準直系統（如圖5所示）。準直型太陽模擬器由氙燈、聚光系統、光學積分器和準直系統等組成，如對光譜有特殊要求時還需增加濾光片。其工作原理為氙燈發出的光經由聚光鏡會聚并發射到光學積分器場鏡，形成所要求的輻照度分布，該分布經投影鏡對稱分割后，均勻疊加在準直鏡焦面上[6]，再經準直鏡投射到試驗輻照面上，形成均勻的輻照體積。

圖5 離軸準直光學系統Fig. 5 Off-axis collimation system

1.2.1 準直鏡

準直鏡是準直型太陽模擬器的關鍵組件，其作用是產生平行光束，并保證沿光軸方向在一定深度內的輻照均勻性。準直鏡焦點與積分器投影鏡重合。準直鏡設計時不對像差進行嚴格校正，而是以滿足輻照度和輻照體積均勻性為前提，應選擇合理的相對孔徑（D/f）值。對于大型太陽模擬器，為降低加工成本和加工難度，準直鏡多采用球面反射鏡；大口徑的準直鏡則采用多個小口徑金屬球面反射鏡拼接而成。因此，眾多單元加工過程中檢驗、裝校成為研制工作中的關鍵控制點。

準直鏡口徑D0由公式

確定，式中：D為均勻輻照面直徑，mm；L為準直鏡到均勻輻照面的距離，mm；θ為準直角，°。

需要注意的是，在進行離軸式準直系統設計時，應將試驗體積設計在可避免試件表面二次反射的區域內。

1.2.2 光學積分器

太陽模擬器光學系統不同于一般的照明系統，無法采用被照面和聚光系統出瞳相重合或共軛的照明方法，只能由光學積分器獲得均勻照明。光學積分器一般為對稱式，其工作原理如圖6所示，由場鏡和投影鏡構成，場鏡和投影鏡由許多元素透鏡組成。投影鏡位于聚光鏡第二焦面處，聚光鏡的出瞳位于場鏡準直鏡Ⅰ的焦面上。投影鏡組相應光學通道的透鏡和準直透鏡Ⅱ將場鏡元素透鏡的像重疊在準直透鏡Ⅱ的焦面上，實現光瞳重合。被分割的像補償疊加，以改善輻照均勻性。在進行積分器設計時，孔徑利用率是影響光能利用效率的重要指標。光學積分器處于光密度大、溫度高的位置，使得元素鏡與場鏡、投影鏡之間的粘貼工藝難度很大。小型太陽模擬器采用光膠工藝可滿足使用要求；而大型太陽模擬器光學積分器所承受的能量密度更大，僅采用光膠工藝在使用一段時間后會出現元素鏡與場鏡、投影鏡分離的現象。因此，大型太陽模擬器光學積分器元素鏡與場鏡、投影鏡之間的固定應通過機械固定結構實現，以保證積分器的正常工作。

圖6 對稱式光學積分器工作原理示意Fig. 6 Principle of symmetric optical integrator

1.3 聚光系統

基于短弧氙燈發光的軸對稱性，由于橢球反射鏡具有高效率的聚光效果及2個焦點的物理特性，使其成為太陽模擬器理想的光源聚光鏡。聚光鏡的聚光工作原理見圖 7，其外形尺寸由下列公式計算獲得。式中：R0為頂點曲率半徑，R0=2f1f2/(f1+f2)；e為離心率，e=(f1-f2)/(f1+f2)；f2為第二焦距，f2=M0f1；f1為第一焦距；M0為近軸成像倍率；u為孔徑角。

圖7 聚光鏡外形尺寸示意Fig. 7 Principle of the collection mirror

當選定f1，f2和u值時，即可求出橢球聚光鏡方程，其光利用率ke可由公式

計算獲得，式中：um、uc分別為第一焦點發射到聚光鏡大開口、小開口邊緣的光線與聚光鏡對稱軸的夾角；(um-uc)為聚光鏡會聚角；I(u)為氙燈在u角度方向上的發光強度。

1.4 光學系統裝校

光學系統裝校是大型太陽模擬器研制過程中的重要環節之一。它通過氙燈離焦、積分器調節和準直鏡旋轉等手段，將各光學元件按照光學系統的結構參數進行安裝、調試，使太陽模擬器的性能參數達到最佳技術狀態[7]。大型太陽模擬器光學裝校的技術難點在于：一是光學組件數量眾多，如俄羅斯大型太陽模擬器由12套離軸準直鏡部件拼接而成，可獲得6 000 mm×22 000 mm的巨大輻照面，每一套準直鏡部件又由49塊單元鏡拼接組成，因此共有588塊單元鏡組成；二是涉及空間區域廣，涵蓋容器內外；三是裝校周期長，除了準直鏡的裝校，還有燈室、積分器及光學窗口的裝校，而大型太陽模擬器的燈室為多燈系統，其裝校十分困難。

受裝?，F場的約束，研制巨大口徑的平光管或采用標準平反鏡的自校準方法都是不現實的，而根據球面反射鏡球心無像差的特性，以球心自校準每塊準直鏡單元的裝校方法簡單易行，可以保證精度。例如，ESTEC太陽模擬器采用該方法裝校（如圖8所示）時，在準直鏡的球心位置放置能夠旋轉的激光準直儀，向每一塊準直單元鏡發射激光束，并調整單元鏡使反射光沿原路返回，逐一調整全部反射鏡單元后，再將準直鏡整體旋轉14.5°，即裝校完畢。

圖8 ESTEC太陽模擬器準直鏡裝校方法示意Fig. 8 Pinciple of assembly and adjustment for the collimator of ESTECsolar simulator

如果準直鏡在結構上無法旋轉，則利用平行光入射到準直鏡后會聚于焦點的原理進行裝校，用相互平行的激光束代替平行光，放置在準直鏡的前方，根據會聚光斑逐塊調節單元鏡。

在大型太陽模擬器的光學裝校過程中，建立光學裝校基準并保持穩定是確保裝校精度的關鍵。

1.5 性能參數測量

太陽模擬器主要性能參數包括均勻輻照試驗體積、輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩定度、準直角及光譜匹配等。性能參數測量在大氣環境下、太陽模擬器啟動30 min穩定后進行。不論太陽模擬器大小，測量方法基本相同。

大型太陽模擬器的均勻性測試儀安裝在真空容器內，且一般要求在30 min內完成測量，故均勻性測試儀的設計難度較大。均勻性測量一般采用相對測量的方法，探測器選用太陽能電池片。為消除探測器的溫度效應，需要對其進行溫度控制。探測器在被測面上的掃描一般按照極坐標或直角坐標所確定的軌跡進行。在極坐標系下，探測器以被測面的中心為坐標原點，呈放射狀地逐個圓環掃描采集圓形輻照面內的有效數據，但采樣間隔不均勻，靠近中心的測點較密集，遠離中心的測點較稀疏，因而影響了對整個輻照面內均勻性的評價精度。在直角坐標系中，探測器沿直線在x、y方向等間隔掃描，獲得被測面內均勻的數據分布。但對于圓形輻照面，在x、y方向掃描會獲得輻照面以外的數據，而這些數據需要通過軟件系統加以剔除。等間隔采樣能更準確地反映輻照面的均勻特性，因此實際測量中多選用直角坐標系的二維掃描方式。

1.6 冷卻

大型太陽模擬器光學系統光利用效率k由公式

計算，式中：1k為氙燈電光轉換效率；2k為聚光鏡收集效率；3k為聚光鏡反射率；4k為光學積分器孔徑利用率；5k為光學積分器的裝配效率；6k為投影鏡、場鏡和窗口鏡透過率；7k為準直鏡反射率；8k為準直鏡裝配效率。

氙燈發射的光經過光學系統后，只有約20%到達輻照面，大量的光能在傳輸中損失。損失的光能將以熱的形式嚴重影響氙燈及光機系統的工作，因此，冷卻系統是太陽模擬器的重要組成部分。氙燈的陰/陽極采用高壓水冷或風冷，氙燈泡殼采用風冷，聚光鏡、光學積分器和窗口鏡一般采用低壓水冷。

2 KM6太陽模擬器方案設想

KM6太陽模擬器配置在KM6大型空間環模設備上，在KM6主容器建設時，即初步確定了太陽模擬器的總體方案，并依據該方案建設了太陽模擬器用輔容器以及光錐。KM6太陽模擬器的均勻輻照體積為φ5 000 mm ×4 000 mm，輻照度可達到1.3個太陽常數，到達試驗區的輻照光線為水平方向。根據技術指標要求，KM6太陽模擬器最初采用垂直點燈方案，由運動模擬器、光機系統、光學測量與裝校系統、冷卻系統和電源與控制系統等組成。其光學系統為先進的離軸準直光學系統，由燈室、平面反射鏡、光學積分器、真空密封窗口鏡和準直鏡組成。光源為25 kW水冷短弧氙燈，燈室由19個聚光鏡單元組成。燈室放置在KM6試驗室的地下室，經 45°平面反射鏡將輸出光線改變為水平方向，如圖9所示。

圖9 垂直點燃氙燈方案Fig. 9 Vertical ignition of xenon lamp

然而隨著近年來氙燈技術的發展，國內大、中型太陽模擬器研制中一般選用中等功率（5～10 kW）的氙燈，例如：北京航天長征飛行器研究所在研的輻照面為φ5 000 mm的大型太陽模擬器，采用25只10 kW氙燈作為光源；上海衛星工程研究所研制的輻照面為φ1 000 mm的中型太陽模擬器，采用3只10 kW氙燈作為光源；北京衛星環境工程研究所研制的輻照面為φ600 mm的中型太陽模擬器，采用1只10 kW氙燈作為光源。目前所使用的 10 kW 氙燈中性能最好的是德國OSRAN的氙燈，其性能穩定，采用了去臭氧技術措施，節省了太陽模擬器的除臭系統，被廣泛使用。另外，10 kW的氙燈已實現國產化。

基于上述情況，北京衛星環境工程研究所在啟動 KM6太陽模擬器研制時，對原總體方案進行了深入研究和優化，方案優化的重點在燈室。根據KFTA太陽模擬器成功采用水平點燃10 kW氙燈所取得的經驗，KM6太陽模擬器擬選用OSRAN 10 kW氙燈作為光源，并采用水平點燃氙燈方案，可省去折光平面反射鏡，從而避免15%的能量損失，如圖10所示。

圖10 水平點燃氙燈方案Fig. 10 Horizontal ignition of xenon lamp

由于KM6太陽模擬器的建設必須與KM6主容器建設時預留的接口及安裝空間相配合，而方案改變后需要在試驗室一層預留較大的空間來放置燈室，周圍的氦制冷系統能否搬遷、基建能否改造等各方面因素還需結合光學系統的參數進行深入的可行性研究。

3 結束語

大型太陽模擬器研制中的輻照度計算、均勻性計算和測控技術等也是重要研究內容，本文因篇幅所限不作論述。北京衛星環境工程研究所經過 KM6太陽模擬器研制的先期技術攻關，已掌握了太陽模擬器的相關技術；同時，經過 KFTA等多個中小型太陽模擬器的研制，積累了豐富經驗。盡管大型太陽模擬器結構復雜、技術難度大，但國內的技術儲備和科技水平已經具備研制大型太陽模擬器的實力，開展 KM6大型太陽模擬器研制的時機已成熟。

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