太陽模擬器理論及應(yīng)用研究
來源：北京時代科諾科技有限公司
2025年01月25日 08:56
太陽模擬器是空間環(huán)境模擬的重要設(shè)備,其主要作用是提供近似于真實(shí)太陽光譜分布的、均勻穩(wěn)定的可控輻射源,以滿足航天器的熱真空試驗(yàn)、衛(wèi)星姿態(tài)部件的測試標(biāo)定、光學(xué)遙感器的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、太陽能光伏發(fā)電及材料特性測試等領(lǐng)域的需求。太陽模擬的光學(xué)系統(tǒng)主要由光源系統(tǒng)、勻光系統(tǒng)和成像系統(tǒng)組成,其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的合理性直接決定著系統(tǒng)輻照面的輻照度、均勻性、穩(wěn)定性、光譜分布、輻照面大小及準(zhǔn)直角等物理特征和幾何特征,而太陽模擬器的研究過程中最關(guān)鍵的問題是系統(tǒng)的提高能量利用率和照明均勻性,這也一直以來是太陽模擬技術(shù)研究中的重點(diǎn)。本文圍繞太陽模擬器的設(shè)計理論及研究方法展開了深入的討論,根據(jù)太陽模擬器的發(fā)展歷程,分析并總結(jié)了不同類型太陽模擬器的光學(xué)設(shè)計原理和光學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計中需要同時考慮光能利用率、照明均勻性及成像光束質(zhì)量等因素,這就必須通過成像光學(xué)理論與非成像照明光學(xué)理論相結(jié)合的方式,以進(jìn)一步提高傳統(tǒng)太陽模擬器光學(xué)性能。文章首先闡述了非成像光學(xué)理論的基本概念,將光學(xué)擴(kuò)展量引入到太陽模擬系統(tǒng)的能量分析過程中,通過對光源、橢球聚光鏡及光學(xué)元件的光學(xué)擴(kuò)展量進(jìn)行了詳細(xì)的分析,討論了光學(xué)擴(kuò)展量與系統(tǒng)能量利用率的關(guān)系,為太陽模擬器的能量利用率的計算提供了理論依據(jù)和優(yōu)化方法。太陽模擬系統(tǒng)的照明均勻性分析是本文工作的另一個重點(diǎn)。本文在理解基本照明原理的基礎(chǔ)上,通過多通道柯勒照明方式建立了太陽模擬器的均勻照明的模型,并詳細(xì)分析了照明均勻性的主要影響因素,指出可以通過增加透鏡數(shù)目、減少衍射效應(yīng)、控制聚光鏡的像差三個方面來提高輻照面的均勻性,為太陽模擬器的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供了有益的參考。最后,在理論研究的基礎(chǔ)上,本文研制了準(zhǔn)直式太陽模擬器和投影式太陽模擬器,分別詳細(xì)介紹了太陽模擬器光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的過程與結(jié)果,研制光棒式光學(xué)積分器,提高了照明的均勻性,設(shè)計了三片式準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)和物方遠(yuǎn)心投影光學(xué)系統(tǒng),改善了傳統(tǒng)同軸式太陽模擬器的光學(xué)性能,通過系統(tǒng)仿真分析和實(shí)際檢測驗(yàn)證了光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的合理性,并分析了太陽模擬器的未來發(fā)展趨勢,對于將來太陽模擬器的小型化、高效化、高性能的研究提供了借鑒,促進(jìn)了空間環(huán)境模擬技術(shù)的發(fā)展,并具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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