大型太阳模拟器研制技术综述

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1、第29卷第2期航天器环境工程2012年4月SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING173大型太阳模拟器研制技术综述杨林华（北京卫星环境工程研究所，北京100094）摘要：文章简要介绍了国外典型的大型太阳模拟器及其技术指标，并对其研制过程中的相关技术问题进行了较为全面的总结，包括光源的选择及点燃方式、光学系统的选用与设计、光学系统的装校、太阳模拟器性能测量以及冷却等，为我国研制KM6太阳模拟器提供了技术借鉴与参考。文章最后讨论了KM6太阳模拟器的总体设计方案，提出拟采用中等功率的氙灯作为光源，并将氙灯的点燃方式从垂直点燃改成水平点燃，避免了由于平面反射镜的存

2、在而导致15%的能量损失。关键词：太阳模拟器；光学系统；准直镜；氙灯；光学积分器中图分类号：V416.5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2012)02-0173-06DOI：10.3969/j.issn.1673-1379.2012.02.0120引言大专项工程的开展，结构外形复杂的航天器越来越多，特别是探月工程三期任务中的多个探测器，太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准利用太阳模拟器进行热平衡试验的优势越来越明直性、均匀性和光谱特性，具有较高的空间外热显，使用太阳模拟器进行热试验的需求不断增强。流模拟精度。太阳模拟器主要用于航天器的热平因此，研制大型太阳模拟器，提

3、升我国研发保障衡试验、热控涂层特性试验和材料老化试验，特能力势在必行。由于大型太阳模拟器结构复杂、别适用于外形复杂、伸展在外空间的大型天线和研制技术难度大、研制周期长，涉及光、机、电探测器的热平衡试验，能够有效地验证航天器的等多学科、多领域，有必要开展相关技术的跟踪热设计。另外，太阳模拟器可以利用光屏模拟空研究。本文将对大型太阳模拟器研制过程中的相间瞬变外热流，以开展瞬变热流试验；还可以借关技术问题进行研究，并在此基础上提出我国大助于运动模拟器模拟不同太阳入射角辐照下的热型太阳模拟器研制的技术方案。平衡试验，具有良好的适应性。各国际航天大国及组织均建有大型太阳模拟[1]器，如：美

4、国JPLSS15B太阳模拟器，有效辐照面达到φ4600mm，其不均匀度为4%；欧洲ESTEC[2]大型太阳模拟器（如图1所示），有效辐照体积为φ6050mm×6000mm，辐照面不均匀度为4%；[3]日本筑波空间中心大型太阳模拟器，辐照体积为φ6000mm×6000mm，面不均匀度为5%。此图1ESTEC大型太阳模拟器外，俄罗斯、德国IABG、法国INTESPACE和印Fig.1ESTEClargesolarsimulator[4]度也建有大型太阳模拟器，在新型航天器的研1关键技术研究制中发挥着重要作用。随着我国载人航天工程、探月工程等国家重太阳模拟器是光、机、电一体化的多系统构

5、————————————收稿日期：2011-09-06；修回日期：2012-01-11基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：杨林华（1962—），女，研究员，主要从事模拟空间环境下空间光学遥感器辐射定标技术、太阳辐照环境模拟技术研究工作。联系电话：（010）68745209。174航天器环境工程第29卷成设备，由光机系统、光学测量系统、光学装校面易受热变形而影响太阳模拟器光束的光谱特系统、冷却系统、电源与控制系统等组成。性；同时，反射镜表面还将有15%的能量损失。大型太阳模拟器采用倾斜点燃氙灯时（如图1.1光源及灯室4所示），氙灯与水平面所成的倾角约在0°～20°1.1.1光源

6、选择之间，这样可省去折光平面反射镜，从而避免了太阳模拟器光源主要有碳弧灯、汞氙灯和短15%的能量损失。弧氙灯等，其中短弧氙灯具有色温高、亮度大、氙灯点燃时灯弧处于熔融状态，因此倾斜点容易点燃、其光谱分布与太阳光谱相似等优点，燃的氙灯灯弧会受地球重力影响而产生弧飘，从是理想的太阳模拟器光源。大型太阳模拟器普遍选而影响太阳模拟器的稳定性。为此，北京卫星环用大功率氙灯，例如美国JPLSS15B使用了37只境工程研究所的KFTA太阳模拟器曾设计了磁场20kW的氙灯，ESTEC太阳模拟器选用了19只稳弧技术，但在实际使用中灯弧的稳定性很好，20kW（可换成25kW或32kW）的氙灯，我国磁

7、场稳弧技术并未被启用，太阳模拟器的稳定性KM4太阳模拟器使用了13只25kW短弧氙灯。就已达到±0.5%的高水平。使用大功率氙灯可减少其使用数量，有助于简化灯室结构；但是氙灯的阴极、阳极需要采用高压水冷却，致使氙灯单元结构非常复杂（见图2）。高压水流动使水管振动产生的应力和密封法兰热胀冷缩产生的应力作用于氙灯的泡壳，易使其发生炸裂。2004年，北京卫星环境工程研究所在进行25kW氙灯点燃试验时，氙灯电源关闭时并未发现异常，但氙灯泡壳在恢复到常温后出现了裂纹。分析认为这是由于冷却密