ANALYSIS OF LED-BASED SOLAR SIMULATOR DEVELOPMENT CAPABILITY FOR SPACECRAFT GROUND TESTING APPLICATIONS

Full Text

Введение. Комплексные термовакуумные испыта- ния являются одним из главных этапов наземной от- работки космических аппаратов (КА) и элементов их конструкции в условиях, имитирующих факторы воз- действия космического пространства. Поэтому такие испытания проводятся в термовакуумных камерах в условиях, приближенных к условиям реальной экс- плуатации КА с применением специальных стендов, систем и испытательного оборудования, в состав ко- торого обязательно входят: - система вакуумирования; - имитатор черного холодного космоса; - имитатор солнечного излучения; - источники инфракрасного излучения; - система обеспечения ориентации отрабатывае- мого КА; - система регистрации температурных параметров; - система управления тепловыми имитаторами, электрообогревателями и оборудованием КА [1]. Одним из базовых и наиболее сложных из пере- численных элементов является имитатор солнечного излучения (ИСИ), имитирующий солнечное воздейст- вие на космический аппарат при орбитальном функ- ционировании. Солнечные имитаторы создают поток непрерывного оптического излучения, основные ха- рактеристики которого должны с высокой точностью соответствовать аналогичным характеристикам излу- чения Солнца. В частности, к ИСИ для околоземной орбиты предъявляются следующие требования: - удельная мощность светового потока равна 1340-1440 Вт/м2; - неоднородность облучения до ±15 %; - непараллельность лучей до 4 угловых градусов; - спектральный диапазон, близкий к диапазону солнечного излучения в области 200-2000 нм [2]. Спектр излучения Солнца за пределами атмосфе- ры АМ0 (англ. Air Mass Zero, международный стан- дарт ASTM International E-490-00), полученный на основании многочисленных данных наземных и кос- мических исследований, близок к спектру излучения абсолютно черного тела температурой 5773 К (рис. 1). Значение световой солнечной постоянной находится в диапазоне 1321-1412 Вт/м2. Новые циклограммы в программах наземной экс- периментальной отработки предусматривают измене- ние солнечной постоянной и угла между направлени- ем на Солнце и осями КА с обеспечением в течение времени различных уровней плотности светового по- тока - от 400 до 1450 Вт/м2. По этой причине акту- ально новое требование к ИСИ - обеспечение и под- держание переменной во времени освещенности [2]. Одним из перспективных направлений для круп- ногабаритных ИСИ считается создание модульных систем на основе суммирования нескольких источни- ков точечного излучения - массива охлаждаемых воз- духом газоразрядных ксеноновых ламп [3] по прин- ципу «совмещенных фокусов» [4]. На основе такого принципа созданы, например, два отечественных крупногабаритных ИСИ в составе ТБК-120 и ГВУ-600 (рис. 2), действующих в АО «Информационные спут- никовые системы» имени академика М. Ф. Решетнева». Анализ недостатков ИСИ на основе газораз- рядных ксеноновых ламп. Обладая несомненными преимуществами, такими как высокая мощность и спектральная точность, подобные ИСИ имеют ряд общих характерных недостатков, главным из которых является низкий КПД. Из электрической энергии, подводимой к источникам светового излучения, лишь около 10 % преобразуется в полезную лучистую энер- гию, падающую на облучаемую поверхность КА [2]. С одной стороны, это обусловлено низкой эффектив- ностью газоразрядных ксеноновых ламп, с другой - высокими потерями в сложной формирующей опти- ческой системе, состоящей из большого числа эле- ментов. Так, для оптической системы ИСИ ТБК-120, со- стоящей из светового щита из семи ламп с эллиптиче- скими рефлекторами, отрицательной линзы, смесите- ля и параболоидного зеркала, потери мощности свето- вого потока только в оптической системе составляют значения, представленные в таблице. Потери мощности светового потока Элементы светооптической схемы Мощность на детекторе, Вт Световой щит 1 Перед отрицательной линзой 0,538 После смесителя 0,422 На параболоидном зеркале 0,289 На планшете 0,233 Данные таблицы показывают, что основные поте- ри происходят между световым щитом и отрицатель- ной линзой, а также между смесителем и параболоид- ным зеркалом. Причиной первых потерь является ко- нечная эффективность эллиптического рефлектора, равная приблизительно 60 %. Рис. 1. Спектральный состав излучения: 1 - АМ0 за пределами атмосферы; 2 - АМ1,5 у земной поверхности; 3 - черное тело, 5773 К Fig. 1. Spectral structure of radiation: 1 - AM0 outside the atmosphere; 2 - AM1.5, ground-level; 3 - black body, 5773 K Рис. 2. ИСИ ГВУ-600: 1 - место объекта испытаний; 2 - система зеркал; 3 - оптические вводы и смесители (4 шт); 4 - газоразрядные ксеноновые лампы с рефлекторами (40 шт); 5 - световые щиты (4 шт) Fig. 2. GVU-600 solar simulator: 1 - the place of a subject to tests; 2 - the system of mirrors; 3 - optical inputs and mixers (4 pc.); 4 - gas-discharge xenon lamps with reflectors (40 pc.); 5 - light boards (4 pc.) Рис. 3. Компоновка ИСИ внутри термовакуумной камеры: 1 - термовакуумная камера; 2 - объект испытаний; 3 - источник света на основе светодиодной матрицы; 4 - термоизолирующий корпус; 5 - компоненты системы охлаждения; 6 - вторичные источники питания светодиодной матрицы Fig. 3. Configuration of the solar simulator in the thermal vacuum camera: 1 - the thermal vacuum camera; 2 - subject of testing; 3 - a light source based on a LED matrix; 4 - the heat-insulating case; 5 - cooling system components; 6 - secondary power supplies of a LED matrix Причина вторых - следствие того, что реальный источник, дуга газоразрядной лампы длиной 15-30 мм, не является точечным, расходимость за линзой не- сколько превышает числовую апертуру смесителя, и часть лучей теряется в смесителе, претерпевая полное внутреннее отражение от боковых граней элементов смесителя [5]. К недостаткам таких систем также можно отнести: - сложность, трудоемкость настройки и юстиров- ки всех элементов оптической системы, которая про- водится заново перед каждым использованием ИСИ с применением специального измерительного план- шета для оценки результатов настройки; - значительные масса, габариты и неудобство монтажа основных компонентов ИСИ и измеритель- ного планшета; - низкая надежность самых нагруженных звеньев оптической системы - оптического ввода в термова- куумную камеру и смесителя, в которых сфокусиро- ваны световые потоки от нескольких (для ГВУ-600 - до десяти) мощных световых источников; высокая плотность светового потока вызывает их усиленный нагрев; ни воздушная, ни жидкостная системы охлаж- дения не выполняют до конца своей задачи, посколь- ку нагрев происходит по всей толщине стекла, а ох- лаждение - по его поверхности; резиновые вакуумные уплотнители оптического ввода для охлаждения тем более недоступны; - малый срок службы и высокая стоимость газо- разрядных ксеноновых ламп, сложность и высокая стоимость импульсных высоковольтных источников питания. Предлагаемая схема альтернативного светоди- одного ИСИ. Очевидно, что свободный от перечис- ленных недостатков ИСИ будет обладать большей эффективностью и удобством применения. Кроме этого, экономические соображения требуют повыше- ния надежности и снижения стоимости ИСИ при сохранении приведенных выше технических характери- стик. Наиболее радикальным решением представляется построение ИСИ без газоразрядных ксеноновых ламп и необходимой для получения квазипараллельного светового потока громоздкой и сложной оптической системы. Это возможно, если изначально формиро- вать квазипараллельный световой поток в принципи- ально другом источнике света с распределенными параметрами, размеры излучающей поверхности ко- торого будут близки к требуемым размерам светового пятна. В связи с этим стоит обратить внимание на самые перспективные и динамично развивающиеся в по- следнее время источники света - высокоэффективные (сверхяркие) светодиоды. Светодиодный источник света с распределенными параметрами можно выпол- нить в этом случае в виде матрицы из большого коли- чества точечных направленных источников - свето- диодов и вторичной оптической системы, суммирую- щей их излучение в единое световое пятно. Источник света ИСИ при этом логичнее и выгод- нее всего разместить в непосредственной близости к объекту испытаний, т. е. внутри термовакуумной камеры, в виде одного или нескольких компактных модулей с небольшой массой и приемлемыми габари- тами (рис. 3). Целесообразность такого подхода давно известна [6], однако использование в качестве источников све- та газоразрядных ксеноновых ламп делает его реали- зацию трудновыполнимой: традиционная оптическая система займет значительный объем внутрикамерного пространства; отвод тепла от ламп воздушного охла- ждения за пределы термовакуумной камеры пред- ставляет сложную конструктивную задачу; в ходе длительных испытаний невозможна замена отрабо- тавших ресурс ламп; высоковольтная проводка боль- шой длины приведет к снижению надежности. Краткий сравнительный анализ газоразрядных ксеноновых и светодиодных источников света в случае применения их в ИСИ. Проведем сравни- тельный анализ газоразрядных ксеноновых и свето- диодных источников света: 1. Удельная мощность светового потока и энерго- эффективность. Эффективность последних поколений сверхярких светодиодов в видимом диапазоне, как минимум, не уступает эффективности газоразрядных ксеноновых ламп. Так, световой поток применяемой в ИСИ ГВУ-600 и ТБК-120 газоразрядной ксеноновой лампы OSRAM XBO 10000W/HS OFR составляет 500000 лм, а потребляемая мощность - 10000 Вт [7], что соответствует эффективности 50 лм/Вт. В то же время для серийно выпускаемых сверхярких свето- диодов, например, семейства XLamp XB-D белого спектра с цветовой температурой 5000-8300 К одного из ведущих производителей CREE, эффективность заявлена в пределах 114-139 лм/Вт [8]. Светодиодный источник того же производителя, предназначенный для растениеводства, на основе светодиодов XLamp MHB-B с цветовой температурой 4000 K имеет эф- фективность 136 лм/Вт, а создаваемый им световой поток достигает 24451 лм [9]. Полагая, что максимальная мощность светового потока ИСИ с учетом потерь в простой оптической системе должна составлять 2000 Вт/м2, а интегриро- ванное значение световой мощности для белого спек- тра однокристального одноваттного светодиода со световым потоком 100 лм в течение срока службы достигает 0,3-0,4 Вт [10], можно определить пример- ное количество светодиодов в матрице простейшего однополосного излучателя площадью 1 м2 в пределах 5000-6700 шт. Такая плотность легко выполнима при монтаже светодиодов в обычных SMD-корпусах и тем более при использовании многокристальной техноло- гии (англ. COB - Chip On Board). Потребляемая мощность такой светодиодной мат- рицы со световым потоком в видимом диапазоне 500000 лм составит 5000-6700 Вт, тогда как потреб- ляемая мощность газоразрядной ксеноновой лампы OSRAM XBO 10000W/HS OFR с тем же световым потоком - 10000 Вт. С учетом примерно одинаковых КПД импульсных источников питания для газораз- рядных ксеноновых ламп и драйверов для светодио- дов можно сделать вывод о большей энергоэффектив- ности светодиодных источников. Высокие потери в сложной оптической системе ИСИ на основе газораз- рядных ксеноновых ламп усиливают это преимущество. Выделение большого количества тепла от свето- диодных матриц будет влиять на температурный ре- жим внутри термовакуумной камеры. Это предпола- гает конструктивное исполнение матриц в термоизо- лированных корпусах с системой охлаждения, пере- носящей выделяемое тепло за пределы камеры. 2. Однородность светового потока. Квазипарал- лельный световой поток в ИСИ на основе ксеноновых ламп формируется с помощью сложной оптической системы из большого количества разнесенных в про- странстве компонентов от небольшого числа точеч- ных источников (например, 40 ламп при получаемом размере светового пятна 16 м2 в ИСИ ГВУ-600). Не- равномерность получаемого таким способом светового потока зависит от многих факторов, в том числе от точности расчета и изготовления оптической систе- мы, состояния и качества юстировки всех компонен- тов, квалификации обслуживающего персонала. В связи с этим можно предположить, что светоди- одная матрица с распределенными параметрами, со- стоящая из большего на несколько порядков количе- ства точечных источников и суммирующей вторичной оптической системы, должна формировать более рав- номерный квазипараллельный световой поток. Наиболее простой и рациональной представляется конструкция вторичной оптической системы, при ко- торой каждый светодиод или группа светодиодов снабжены своим оптическим элементом, фокусирую- щим световой поток в узкоугольную область. Как правило, для формирования таких распределений из точечных источников применяют TIR-элементы - оптические элементы, содержащие поверхности, ра- ботающие по принципу полного внутреннего отраже- ния (англ. TIR - Total Internal Reflection) [11; 12]. В отличие от рефлекторов, такие элементы отличают- ся большей компактностью, эффективностью, полным отсутствием боковой засветки. Используя метод компьютерного моделирования внутренней поверхности такого элемента, можно рассчитать компактный оптический элемент, форми- рующий непрерывное узкоугольное световое распре- деление любой формы, в том числе прямоугольной [13; 14]. Так, эффективность оптического элемента, рассчитанного предложенным в [13] способом (рис. 4, 5), составляет 91,8 %, а отклонение получен- ного светового распределения от равномерного не превышает 5,2 %. Рис. 4. Оптический TIR-элемент, формирующий равномерно освещенный квадрат Fig. 4. The optical TIR element forming evenly lit square Тогда световые потоки всех оптических элементов светодиодной матрицы, суммируясь на заданном диа- пазоне расстояний, образуют единое световое пятно с высокой равномерностью. Следует особо отметить, что оптическая система, выполненная в виде единого массива TIR-элементов, жестко связанных с излучателями, настройки в ходе эксплуатации не потребует. 3. Временная стабильность. Одной из особенно- стей газоразрядных ксеноновых ламп является необ- ходимость прогрева, а после прогрева - склонность к колебаниям плазмы, которые проявляются в перио- дических изменениях светового потока. Известно, что светодиоды полностью лишены подобных недостатков. 4. Надежность и долговечность. Гарантирован- ный срок службы ксеноновых газоразрядных ламп до изменения их свойств, как правило, составляет 500-1000 часов против заявляемых, как минимум, 5000-10000 часов для высокоэффективных мощных светодиодов. Срок службы светодиодов может быть значительно продлен при снижении рабочей темпера- туры кристаллов ниже допустимой производителем (как правило, +85 °С). Маломощные вторичные источники питания, при- меняемые для светодиодов, по простоте и надежности превосходят мощные импульсные источники питания газоразрядных ксеноновых ламп. 5. Безопасность. В отличие от низкого напряже- ния питания светодиодов, напряжение на электродах ксеноновых ламп достигает при запуске 35-60 кВ, представляя повышенную опасность для обслужи- вающего персонала. Озон, образующийся при работе, по токсичности относится к первому классу опасно- сти. Высокое давление газа в колбе от 35 атм. и выше требует особых мер безопасности при обращении с лампами. 6. Спектральная точность. Главным преимуществом газоразрядных ксеноновых ламп считается близость спектра их излучения к солнечному спектру (рис. 6). Спектр белых светодиодов различных цветовых температур (рис. 6, 7), наоборот, не обеспечивает тре- буемой спектральной точности и требует дополни- тельной коррекции как минимум в ультрафиолетовой (менее 400 нм), голубой (450-470 нм) и красной (620-780 нм) областях. Для повышения спектральной точности комбини- руют световой поток нескольких групп как белых, так и корректирующих монохромных светодиодов. Точ- ность дополнительно повышается при раздельном регулировании мощности каждой группы, а также с увеличением общего числа групп, что видно из сравнительных результатов имитации спектра АМ1,5 (рис. 8) в работе [15]. а б Рис. 5. Распределение освещенности, формируемое оптическим элементом, представленным на рис. 4: а - полутоновое распределение освещенности; б - профили распределения освещенности Fig. 5. The distribution of illumination formed by the optical element presented in fig. 4: a - gray-scale distribution of illumination; b - profiles of distribution of illumination Рис. 6. Зависимость энергии излучения от длины волны: 1 - светодиод белого спектра, 3500-5000 К; 2 - АМ0; 3 - короткодуговая ксеноновая лампа Fig. 6. Dependence of energy of radiation from wavelength: 1 - a light-emitting diode of a white range, 3500-5000 K; 2 - AM0; 3 - a short-arc xenon lamp Рис. 7. Зависимость энергии излучения от длины волны белых светодиодов: 1 - 5000-8300 К; 2 - 3500-5000 К; 3 - 2600-3500 К Fig. 7. Dependence of energy of radiation from the wavelength of white light-emitting diodes: 1 - 5000-8300 K; 2 - 3500-5000 K; 3 - 2600-3500 K Рис. 8. Спектральное распределение удельной мощности и соответствие суммарного излучения АМ1,5: а, б - для пяти групп светодиодов; в, г - для шестнадцати групп Fig. 8. Spectral distribution of specific power and compliance of total radiation of AM1.5: a, b - for five groups of light-emitting diodes; c, d - for sixteen groups Главным препятствием в реализации указанного способа для условий АМ0 может стать высокая стои- мость, низкая эффективность и узкая полоса излуче- ния светодиодов ультрафиолетового диапазона. В связи с этим оправданно применение вместо них традиционных ультрафиолетовых источников, на- пример, ртутных ламп среднего давления с высоким КПД. Несоответствие спектра ИСИ в инфракрасной и частично красной области (более 680 нм) при термо- вакуумных испытаниях, как правило, эффективно компенсируется имитаторами тепловых потоков (ИТП), расположенными в непосредственной близо- сти к объекту испытаний. Так, часто используемые в ИТП кварцево-галогенные лампы КГТ 220-1000 с цветовой температурой 1800-2800 К и максимумом излучения в области 1100 нм преобразуют в инфра- красное излучение до 85 % потребляемой мощности. Возможность комбинирования в ИСИ светодиод- ных источников и галогенных ламп накаливания так- же предложена в ряде работ, например, в [16]. 7. Дополнительные возможности. В отличие от ксеноновых ламп, выходная мощность светодиодов при помощи широтно-импульсной модуляции может плавно изменяться в пределах от 0 до 100 %. Таким образом, можно в максимально широких пределах управлять мощностью светового потока, а регулируя раздельно мощность каждой группы излучателей многополосного источника, настраивать спектр ИСИ. Используя несколько компактных световых модулей, расположенных в разных плоскостях относительно объекта испытаний, плавным изменением светового потока отдельных групп излучателей по принципу «бегущей волны» можно имитировать поворот объек- та относительно Солнца. Таким образом, краткий сравнительный анализ ис- точников света на основе газоразрядных ксеноновых ламп и высокоэффективных светодиодов в случае применения их в ИСИ предполагает преимущество светодиодных источников по большинству основных показателей. Примеры серийно выпускаемых образцов ИСИ наземного спектра. Стоит отметить, что уже сущест- вуют серийно выпускаемые образцы зарубежных све- тодиодных ИСИ, предназначенных для имитации из- лучения Солнца у земной поверхности по условиям АМ1,5. В частности, ИСИ Oriel VeraSol [17] произво- дителя Newport Corporation (рис. 9) на основе много- полосного излучателя обеспечивает удельную свето- вую мощность до 1000 Вт/м2 при размере светового пятна 51 × 51 мм с возможностью настройки спектра по шести полосам (рис. 10). Другой светодиодный ИСИ Ecosun Plus [18] про- изводителя Ecoprogetti (рис. 11) предназначен для испытания солнечных батарей в импульсном режиме и обеспечивает выходную мощность до 1200 Вт/м2, неоднородность светового потока не более 1 % и раз- мер светового пятна 2 × 1,2 м. Рис. 9. ИСИ спектра АМ1,5 Oriel VeraSol Fig. 9. Oriel VeraSol AM1.5 solar simulator Рис. 10. Спектральное распределение: 1, 5 - светодиодный источник Oriel VeraSol; 2 - минимальный уровень; 3 - максимальный уровень; 4 - АМ1,5 Fig. 10. Spectral distribution: 1, 5 - a LED source of Oriel VeraSol; 2 - the minimum level; 3 - the maximum level; 4 - AM1.5 Рис. 11. ИСИ спектра АМ1,5 Ecosun Plus Fig. 11. Ecosun Plus AM1.5 solar simulator Заключение. При использовании последних раз- работок в области высокоэффективных светодиодных источников представляется возможным создание комбинированного имитатора солнечного излучения спектра АМ0 для наземной отработки космических аппаратов с улучшенными эксплуатационными и тех- ническими характеристиками на основе светодиодных матриц в видимой области и традиционных излучате- лей в инфракрасной и ультрафиолетовой области с расположением комбинированного источника света в непосредственной близости к объекту испытаний внутри термовакуумной камеры. Наиболее сложной задачей при создании такого имитатора может стать разработка оптической систе- мы, суммирующей потоки отдельных светодиодов матрицы по спектру, углу и площади, а также высо- копроизводительной системы охлаждения, выводя- щей избыточное тепло термоизолированного свето- диодного источника излучения за пределы камеры.

About the authors

G. V. Dvirniy

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

A. A. Shevchuk

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”; Siberian Federal University

Email: expert-zh24@yandex.ru
52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation; 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation

V. V. Dvirniy

JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”

52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

M. V. Elfimova

Siberian Fire and Rescue Academy - branch of Saint-Petersburgh University of State Fire Service of EMERCOM of Russia

1, Severnaya Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation

G. G. Krushenko

Institute of Computational Modelling SB RAS

50/44, Akademgorodok, Krasnoyarsk, 660036, Russian Federation

References

Supplementary files