航天热平衡试验用太阳模拟器:光学积分器设计与均匀性提升方法

航天热平衡实验里,光源均匀性一偏,温度场数据跟着偏。 自然光受天气季节影响太大,验证只能交给太阳光模拟器。航天器热平衡测试太阳模拟器的要求比普通照明 要严格 :试验要把航天器放在接近在轨的光照状态,测温度分布与涂层老化。

太阳模拟系统考核看三个硬指标:辐照面尺寸、均匀性、太阳常数倍数 。大面积太阳模拟器要做到辐照均匀、不均匀性压在几个百分点内,光学积分器几乎是必选项。紫创测控 LuminBox大面积太阳模拟器 ,通过全光谱LED阵列、多通道控制以及光学匀光设计,可用于需要稳定太阳辐照环境的实验。

太阳模拟器积分器工作原理

积分器结构示意图

太阳光模拟器的积分器由场镜组和投影镜组两组透镜阵列构成,元素镜一一对应且同光轴,每一对组成一个光通道。光源经聚光镜会聚后形成对称的辐照分布,被场镜分割成多份,分别成像到对应的投影镜上,最终投射到工作面。

太阳模拟器提高光照均匀性

积分器场镜及投影镜图

场镜把光源出瞳成像到投影镜附近,投影镜再把各路小光斑投到同一工作面;每路通道都携带光源强度分布的相同一份,叠加后局部亮暗被平均掉,均匀照明就是这么来的。

中型太阳模拟器积分器设计案例

参考文献中给出 31 通道方案。LightTools 仿真给出 Φ2000 mm 辐照面不均匀性 ±4% ;****实测 ±3.75%,最高辐照度 1.39 个太阳常数。****这套太阳模拟系统的太阳辐照模拟能力常被同行用作对照。

结构设计与热设计关键参数

太阳模拟器示意图

****太阳光模拟器里,光路再合理,热管不住一样出问题。****氙灯是高功率热源,积分器镜框吸收大量能量,温升形变会迅速拉低均匀性。热设计必须与光学设计同步。

大面积太阳模拟器设计方法上,机械部分多采用对称式支撑,让热应力分布均匀,避免局部过热把光轴顶偏。支撑筒外盘冷却水管,镜框开水槽冷却,元素镜用氮气冷却。光轴不跑,均匀照明才保得住。

起点是流量公式 Lc = Q/(cp·ρ·ΔT) :给定热负荷 Q 和允许温差 ΔT,就能反推流量;再用 Re = μd/ν 判断流态。氙灯太阳光模拟器热负荷高,水冷做得复杂;换成 LED,热管理压力小得多。

光学仿真与实验结果验证

太阳模拟器模型

太阳模拟系统研发中,太阳辐照模拟能在投料前把光路跑一遍,用来定光学积分器的通道数、曲率和间距。实测结果为:Φ2000 mm 辐照区域; ±3.75% 辐照不均匀性; 1.39 太阳常数最大输出能力。

太阳辐照模拟的评价体系 IEC 60904-9、ASTM E927 把光谱匹配、辐照均匀性和稳定性放在一起考核。航天热平衡实验更看重均匀照明和长期稳定性。

太阳光模拟器选型要回到试验本身:先明确需要多大的均匀面、多高的辐照倍数。

AM0太阳模拟器中的光学系统设计

AM0太阳模拟器对光谱匹配要求更高 ,航天太阳模拟器的难点大多在这里。氙灯光谱连续、瞬时能量高,但热负荷大、寿命短;LED 发热低、寿命长,维护成本明显下降。要把 AM0 谱型拟合到位,得用多通道 LED 分区配比,这反过来对太阳模拟器积分器的混光能力提出更高要求。

把光学积分器和 LED 配合起来:积分器解决均匀性,LED 缓解热管理压力,两者配合后太阳模拟系统长期运行更稳定。

太阳模拟器在航天试验中应用

航天热平衡实验覆盖的场景很广:立方星热平衡、光学载荷热试验、材料加速老化 ,都需要大面积光源。航天太阳模拟器的积分器决定均匀性,光源类型决定复杂度和成本。

传统高功率氙灯瞬时能量足,代价是换灯频繁、热管理负担重;LED 加光学积分器的组合在寿命和维护上更占优。航天热平衡实验最怕数据不可复现,太阳模拟系统的选型先看光谱连续性和峰值功率要求。

大面积高均匀太阳辐照的核心,是积分器的多通道混光能力加上匹配的热设计。****Φ2000 mm、±3.75%、1.39 太阳常数这组结果说明这条路走得通。****做类似系统时,先用仿真把通道数和冷却参数定下来,再验证热变形的影响。

Luminbox 全光谱大面积LED太阳模拟器

Luminbox 全光谱大面积LED太阳模拟器以A+AA+综合性能 ,实现辐照均匀 、光谱精准 与运行稳定的三重突破,通过权威认证,为材料测试 提供高可靠、标准化的全光谱光照解决方案,推动精密光学实验迈向更高精度与可重复性。

Luminbox 全光谱大面积LED太阳模拟器

  1. A+级光谱匹配:300-1200 nm全覆盖,误差≤1%(IEC标准)。
  2. 高均匀辐照:45cm×45cm区域不均匀度仅1.8%(A级)。
  3. 超稳运行:20分钟波动≤0.5%(A+级)。
  4. 权威认证:国家计量院校准,国际标准合规。
  5. 工业级设计:适配光伏、材料、光催化等多场景。

Luminbox凭借对光谱匹配度 、辐照均匀性 等核心指标的极致追求,已构建起覆盖LED/氙灯/卤素灯全技术路线的产品矩阵,技术持续创新、关键性能指标表现出色,为客户提供了优质的产品和全场景太阳光环境模拟解决方案。

原文参考:《中型太阳模拟器积分器设计》

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