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）

0 引言

太阳模拟器能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性，具有较高的空间外热流模拟精度。太阳模拟器主要用于航天器的热平衡试验、热控涂层特性试验和材料老化试验，特别适用于外形复杂、伸展在外空间的大型天线和探测器的热平衡试验，能够有效地验证航天器的热设计。另外，太阳模拟器可以利用光屏模拟空间瞬变外热流，以开展瞬变热流试验；还可以借助于运动模拟器模拟不同太阳入射角辐照下的热平衡试验，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器，如：美国JPLSS15B太阳模拟器[1]，有效辐照面达到φ4 600 mm，其不均匀度为4%；欧洲ESTEC大型太阳模拟器（如图1所示）[2]，有效辐照体积为φ6 050 mm×6 000 mm，辐照面不均匀度为4%；日本筑波空间中心大型太阳模拟器[3]，辐照体积为φ6 000 mm×6 000 mm，面不均匀度为5%。此外，俄罗斯、德国IABG、法国INTESPACE和印度也建有大型太阳模拟器[4]，在新型航天器的研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，利用太阳模拟器进行热平衡试验的优势越来越明显，使用太阳模拟器进行热试验的需求不断增强。因此，研制大型太阳模拟器，提升我国研发保障能力势在必行。由于大型太阳模拟器结构复杂、研制技术难度大、研制周期长，涉及光、机、电等多学科、多领域，有必要开展相关技术的跟踪研究。本文将对大型太阳模拟器研制过程中的相关技术问题进行研究，并在此基础上提出我国大型太阳模拟器研制的技术方案。

图1 ESTEC大型太阳模拟器Fig. 1 ESTEC large solar simulator

1 关键技术研究

太阳模拟器是光、机、电一体化的多系统构成设备，由光机系统、光学测量系统、光学装校系统、冷却系统、电源与控制系统等组成。

1.1 光源及灯室

1.1.1 光源选择

太阳模拟器光源主要有碳弧灯、汞氙灯和短弧氙灯等，其中短弧氙灯具有色温高、亮度大、容易点燃、其光谱分布与太阳光谱相似等优点，是理想的太阳模拟器光源。大型太阳模拟器普遍选用大功率氙灯，例如美国JPLSS15B使用了37只20 kW的氙灯， ESTEC太阳模拟器选用了19只20 kW（可换成25 kW或32 kW）的氙灯，我国KM4太阳模拟器使用了13只25 kW短弧氙灯。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25 kW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封法兰热胀冷缩产生的应力作用到氙灯泡壳所致。

图2 大功率氙灯单元Fig. 2 High power xenon lamp unit

近几年，国内研制的大、中型太阳模拟器多选用5～10 kW的中等功率氙灯。其原因是可采用风冷却方式，可以降低太阳模拟器的使用风险。1.1.2 氙灯点燃方式

氙灯处于垂直状态点燃时（如图3所示），灯弧稳定且安全，因此是理想的点灯状态。若要得到水平输出光束，则需要增加平面反射镜来改变光的方向。由于反射镜处在较强的辐照位置，镜面易受热变形而影响太阳模拟器光束的光谱特性；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4所示），氙灯与水平面所成的倾角约在0°～20°之间，这样可省去折光平面反射镜，从而避免了15%的能量损失。

氙灯点燃时灯弧处于熔融状态，因此倾斜点燃的氙灯灯弧会受地球重力影响而产生弧飘，从而影响太阳模拟器的稳定性。为此，北京卫星环境工程研究所的KFTA太阳模拟器曾设计了磁场稳弧技术，但在实际使用中灯弧的稳定性很好，磁场稳弧技术并未被启用，太阳模拟器的稳定性就已达到±0.5%的高水平。

图3 垂直点燃氙灯Fig. 3 Vertical ignition of xenon lamp

图4 倾斜点燃氙灯Fig. 4 Inclined ignition of xenon lamp

1.1.3 大功率短弧氙灯的点燃

短弧氙灯为高压氙气体放电光源，它由钨阳极、铈钨（或钍钨）阴极和石英泡壳组成。当氙灯在高频高压激发点燃时，阴极发射电子激发氙气电离，产生强烈的弧光放电[5]。大功率氙灯的电源为小电压大电流，而触发电压高于点燃后维持工作的电压，如25 kW氙灯工作时的电压/电流为60 V/450 A，而触发电压为20～30 kV的高压，因此需要研制由高频变压器组成的触发器。因此，氙灯周围器件必须采取绝缘防护措施，以避免高压击穿。同时，为了保证太阳模拟器的稳定性，氙灯电源的电流稳定性要求优于±0.05%。

1.2 光学系统

进行太阳模拟器光学系统设计时，主要从两方面考虑：一是提高试验辐照体积的辐照均匀性；二是提高氙灯光能的利用率[6]，并不把消除系统像差、提高成像质量作为主要目的。在辐照面积、准直角和焦距等确定后，依据拉氏不变量优化聚光系统、光学积分器和准直镜参数。目前的太阳模拟器大多采用无遮挡、可得到优质光束性能参数的离轴准直系统（如图5所示）。准直型太阳模拟器由氙灯、聚光系统、光学积分器和准直系统等组成，如对光谱有特殊要求时还需增加滤光片。其工作原理为氙灯发出的光经由聚光镜会聚并发射到光学积分器场镜，形成所要求的辐照度分布，该分布经投影镜对称分割后，均匀叠加在准直镜焦面上[6]，再经准直镜投射到试验辐照面上，形成均匀的辐照体积。

图5 离轴准直光学系统Fig. 5 Off-axis collimation system

1.2.1 准直镜

准直镜是准直型太阳模拟器的关键组件，其作用是产生平行光束，并保证沿光轴方向在一定深度内的辐照均匀性。准直镜焦点与积分器投影镜重合。准直镜设计时不对像差进行严格校正，而是以满足辐照度和辐照体积均匀性为前提，应选择合理的相对孔径（D/f）值。对于大型太阳模拟器，为降低加工成本和加工难度，准直镜多采用球面反射镜；大口径的准直镜则采用多个小口径金属球面反射镜拼接而成。因此，众多单元加工过程中检验、装校成为研制工作中的关键控制点。

准直镜口径D0由公式

确定，式中：D为均匀辐照面直径，mm；L为准直镜到均匀辐照面的距离，mm；θ为准直角，°。

需要注意的是，在进行离轴式准直系统设计时，应将试验体积设计在可避免试件表面二次反射的区域内。

1.2.2 光学积分器

太阳模拟器光学系统不同于一般的照明系统，无法采用被照面和聚光系统出瞳相重合或共轭的照明方法，只能由光学积分器获得均匀照明。光学积分器一般为对称式，其工作原理如图6所示，由场镜和投影镜构成，场镜和投影镜由许多元素透镜组成。投影镜位于聚光镜第二焦面处，聚光镜的出瞳位于场镜准直镜Ⅰ的焦面上。投影镜组相应光学通道的透镜和准直透镜Ⅱ将场镜元素透镜的像重叠在准直透镜Ⅱ的焦面上，实现光瞳重合。被分割的像补偿叠加，以改善辐照均匀性。在进行积分器设计时，孔径利用率是影响光能利用效率的重要指标。光学积分器处于光密度大、温度高的位置，使得元素镜与场镜、投影镜之间的粘贴工艺难度很大。小型太阳模拟器采用光胶工艺可满足使用要求；而大型太阳模拟器光学积分器所承受的能量密度更大，仅采用光胶工艺在使用一段时间后会出现元素镜与场镜、投影镜分离的现象。因此，大型太阳模拟器光学积分器元素镜与场镜、投影镜之间的固定应通过机械固定结构实现，以保证积分器的正常工作。

图6 对称式光学积分器工作原理示意Fig. 6 Principle of symmetric optical integrator

1.3 聚光系统

基于短弧氙灯发光的轴对称性，由于椭球反射镜具有高效率的聚光效果及2个焦点的物理特性，使其成为太阳模拟器理想的光源聚光镜。聚光镜的聚光工作原理见图 7，其外形尺寸由下列公式计算获得。式中：R0为顶点曲率半径，R0=2f1f2/(f1+f2)；e为离心率，e=(f1-f2)/(f1+f2)；f2为第二焦距，f2=M0f1；f1为第一焦距；M0为近轴成像倍率；u为孔径角。

图7 聚光镜外形尺寸示意Fig. 7 Principle of the collection mirror

当选定f1，f2和u值时，即可求出椭球聚光镜方程，其光利用率ke可由公式

计算获得，式中：um、uc分别为第一焦点发射到聚光镜大开口、小开口边缘的光线与聚光镜对称轴的夹角；(um-uc)为聚光镜会聚角；I(u)为氙灯在u角度方向上的发光强度。

1.4 光学系统装校

光学系统装校是大型太阳模拟器研制过程中的重要环节之一。它通过氙灯离焦、积分器调节和准直镜旋转等手段，将各光学元件按照光学系统的结构参数进行安装、调试，使太阳模拟器的性能参数达到最佳技术状态[7]。大型太阳模拟器光学装校的技术难点在于：一是光学组件数量众多，如俄罗斯大型太阳模拟器由12套离轴准直镜部件拼接而成，可获得6 000 mm×22 000 mm的巨大辐照面，每一套准直镜部件又由49块单元镜拼接组成，因此共有588块单元镜组成；二是涉及空间区域广，涵盖容器内外；三是装校周期长，除了准直镜的装校，还有灯室、积分器及光学窗口的装校，而大型太阳模拟器的灯室为多灯系统，其装校十分困难。

受装校现场的约束，研制巨大口径的平光管或采用标准平反镜的自校准方法都是不现实的，而根据球面反射镜球心无像差的特性，以球心自校准每块准直镜单元的装校方法简单易行，可以保证精度。例如，ESTEC太阳模拟器采用该方法装校（如图8所示）时，在准直镜的球心位置放置能够旋转的激光准直仪，向每一块准直单元镜发射激光束，并调整单元镜使反射光沿原路返回，逐一调整全部反射镜单元后，再将准直镜整体旋转14.5°，即装校完毕。

图8 ESTEC太阳模拟器准直镜装校方法示意Fig. 8 Pinciple of assembly and adjustment for the collimator of ESTECsolar simulator

如果准直镜在结构上无法旋转，则利用平行光入射到准直镜后会聚于焦点的原理进行装校，用相互平行的激光束代替平行光，放置在准直镜的前方，根据会聚光斑逐块调节单元镜。

在大型太阳模拟器的光学装校过程中，建立光学装校基准并保持稳定是确保装校精度的关键。

1.5 性能参数测量

太阳模拟器主要性能参数包括均匀辐照试验体积、辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度、准直角及光谱匹配等。性能参数测量在大气环境下、太阳模拟器启动30 min稳定后进行。不论太阳模拟器大小，测量方法基本相同。

大型太阳模拟器的均匀性测试仪安装在真空容器内，且一般要求在30 min内完成测量，故均匀性测试仪的设计难度较大。均匀性测量一般采用相对测量的方法，探测器选用太阳能电池片。为消除探测器的温度效应，需要对其进行温度控制。探测器在被测面上的扫描一般按照极坐标或直角坐标所确定的轨迹进行。在极坐标系下，探测器以被测面的中心为坐标原点，呈放射状地逐个圆环扫描采集圆形辐照面内的有效数据，但采样间隔不均匀，靠近中心的测点较密集，远离中心的测点较稀疏，因而影响了对整个辐照面内均匀性的评价精度。在直角坐标系中，探测器沿直线在x、y方向等间隔扫描，获得被测面内均匀的数据分布。但对于圆形辐照面，在x、y方向扫描会获得辐照面以外的数据，而这些数据需要通过软件系统加以剔除。等间隔采样能更准确地反映辐照面的均匀特性，因此实际测量中多选用直角坐标系的二维扫描方式。

1.6 冷却

大型太阳模拟器光学系统光利用效率k由公式

计算，式中：1k为氙灯电光转换效率；2k为聚光镜收集效率；3k为聚光镜反射率；4k为光学积分器孔径利用率；5k为光学积分器的装配效率；6k为投影镜、场镜和窗口镜透过率；7k为准直镜反射率；8k为准直镜装配效率。

氙灯发射的光经过光学系统后，只有约20%到达辐照面，大量的光能在传输中损失。损失的光能将以热的形式严重影响氙灯及光机系统的工作，因此，冷却系统是太阳模拟器的重要组成部分。氙灯的阴/阳极采用高压水冷或风冷，氙灯泡壳采用风冷，聚光镜、光学积分器和窗口镜一般采用低压水冷。

2 KM6太阳模拟器方案设想

KM6太阳模拟器配置在KM6大型空间环模设备上，在KM6主容器建设时，即初步确定了太阳模拟器的总体方案，并依据该方案建设了太阳模拟器用辅容器以及光锥。KM6太阳模拟器的均匀辐照体积为φ5 000 mm ×4 000 mm，辐照度可达到1.3个太阳常数，到达试验区的辐照光线为水平方向。根据技术指标要求，KM6太阳模拟器最初采用垂直点灯方案，由运动模拟器、光机系统、光学测量与装校系统、冷却系统和电源与控制系统等组成。其光学系统为先进的离轴准直光学系统，由灯室、平面反射镜、光学积分器、真空密封窗口镜和准直镜组成。光源为25 kW水冷短弧氙灯，灯室由19个聚光镜单元组成。灯室放置在KM6试验室的地下室，经 45°平面反射镜将输出光线改变为水平方向，如图9所示。

图9 垂直点燃氙灯方案Fig. 9 Vertical ignition of xenon lamp

然而随着近年来氙灯技术的发展，国内大、中型太阳模拟器研制中一般选用中等功率（5～10 kW）的氙灯，例如：北京航天长征飞行器研究所在研的辐照面为φ5 000 mm的大型太阳模拟器，采用25只10 kW氙灯作为光源；上海卫星工程研究所研制的辐照面为φ1 000 mm的中型太阳模拟器，采用3只10 kW氙灯作为光源；北京卫星环境工程研究所研制的辐照面为φ600 mm的中型太阳模拟器，采用1只10 kW氙灯作为光源。目前所使用的 10 kW 氙灯中性能最好的是德国OSRAN的氙灯，其性能稳定，采用了去臭氧技术措施，节省了太阳模拟器的除臭系统，被广泛使用。另外，10 kW的氙灯已实现国产化。

基于上述情况，北京卫星环境工程研究所在启动 KM6太阳模拟器研制时，对原总体方案进行了深入研究和优化，方案优化的重点在灯室。根据KFTA太阳模拟器成功采用水平点燃10 kW氙灯所取得的经验，KM6太阳模拟器拟选用OSRAN 10 kW氙灯作为光源，并采用水平点燃氙灯方案，可省去折光平面反射镜，从而避免15%的能量损失，如图10所示。

图10 水平点燃氙灯方案Fig. 10 Horizontal ignition of xenon lamp

由于KM6太阳模拟器的建设必须与KM6主容器建设时预留的接口及安装空间相配合，而方案改变后需要在试验室一层预留较大的空间来放置灯室，周围的氦制冷系统能否搬迁、基建能否改造等各方面因素还需结合光学系统的参数进行深入的可行性研究。

3 结束语

大型太阳模拟器研制中的辐照度计算、均匀性计算和测控技术等也是重要研究内容，本文因篇幅所限不作论述。北京卫星环境工程研究所经过 KM6太阳模拟器研制的先期技术攻关，已掌握了太阳模拟器的相关技术；同时，经过 KFTA等多个中小型太阳模拟器的研制，积累了丰富经验。尽管大型太阳模拟器结构复杂、技术难度大，但国内的技术储备和科技水平已经具备研制大型太阳模拟器的实力，开展 KM6大型太阳模拟器研制的时机已成熟。

（

）

[1]Eddy R. Design and construction of the JPL SS15B solar simulator[R]. JPL Internal Document, 1968-01

[2]Brinkman P W. Main characteristics of the large space simulatorat ESA/ESTEC[C]// LLS(II), 13thSSC, 1984:30-51

[3]Naukamura Y, Tomita T. 13 m diameter space simulation test facility, ESA SP 304[R], 1990-09: 107-112

[4]杨林华, 李竑松. 国外大型太阳模拟器研制技术概述[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(2): 162-167

Yang Linhua, Li Hongsong. The development of large solar simulators in the world[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(2):162-167

[5]黄本诚. 空间环境工程学[M]. 北京: 宇航出版社, 1993[6]张容, 李竑松, 向艳红, 等. FTA 太阳模拟器研制技术[J]. 航天器环境工程, 2009, 26(6): 548-553

Zhang Rong, Li Hongsong, Xiang Yanhong, et al.Development of KFTA solar simulator[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2009, 26(6): 548-553

[7]杨林华, 范宁, 史瑞良. 太阳模拟器拼接式准直镜的装校技术[J]. 航天器环境工程, 2005, 22(6): 342-345

Yang Linhua, Fan Ning, Shi Ruiliang. Adjustment method for collimating mirror of KM6 solar simulator[J]. Spacecraft Environment Engineering,2005, 22(6): 342-345