ВЫРАВНИВАНИЕ ПОЛЯ ОСВЕЩЕННОСТИ ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ КОНИЧЕСКОГО РЕФЛЕКТОРА

Полный текст

Введение. В области освоения космического про- странства на сегодняшний день актуальным остается вопрос адекватного моделирования условий космиче- ского полета для испытаний космических аппаратов (КА) и отдельных их систем на Земле. Воздействие космического пространства на КА является комплекс- ным и многофакторным, что обусловливает необхо- димость предварительных наземных испытаний мате- риалов и отдельных компонентов КА в условиях, максимально приближенных к полетным. В настоя- щее время эта задача успешно решается и реализуется в специализированных камерах с имитаторами сол- нечного излучения (ИСИ) и рядом других устройств. Однако остро стоит проблема снижения стоимости разработки и эксплуатации солнечных имитаторов для испытаний солнечных батарей (СБ) с сохранени- ем достаточного уровня точности воспроизведения основных параметров излучения: плотности, спектра, степени параллельности потока излучения [1-3]. Соз- дание таких приборов является чрезвычайно слож- ным, затратным и энергоемким процессом, требует квалифицированного обслуживания, поэтому на прак- тике при создании ИСИ находят разумный компро- мисс между точностью воспроизведения основных параметров и стоимостью установки. Важнейшим аспектом при создании ИСИ является получение одновременно коллимированного и одно- родного потока излучения. Эта сложная инженерная и техническая задача традиционно решается путем смешивания пучков лучей различными способами в сложных системах, содержащих спрямляющие лин- зы и зеркала [4-8]. Однако такой способ получения равномерного потока излучения затратен и, как пра- вило, вызывает громоздкость конструкций ИСИ. Целью данной статьи является представление результатов исследования в области создания ИСИ, сочетающего достаточный уровень точности воспро- изведения необходимых параметров солнечного излучения, простоту конструкции и низкую стоимость создания и эксплуатации установки. Создание и испытание модели. После изучения современного состояния развития области разработки ИСИ был сделан вывод о целесообразности примене- ния импульсных ксеноновых ламп в качестве источ- ника излучения в ИСИ [9]. Использование данного типа ламп позволяет воспроизводить солнечное излу- чение с достаточной степенью приближения по спек- тру и плотности излучения. Малорасходящийся поток излучения можно полу- чить с помощью осесимметричных зеркал различной конфигурации (параболических, параболоцилиндри- ческих, конических), в фокусах которых находятся достаточно мощные источники излучения. В лаборатории кафедры нетрадиционных источни- ков энергии и космической техники Национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского «ХАИ» был разработан опытный образец [10] импульс- ного имитатора солнечного излучения, предназначен- ный для измерения параметров ФЭП. Его оптическая система состоит из протяженного импульсного источника излучения (импульсная ксеноновая лампа типа ХОР-15 фирмы Philips [11]: мощность в устано- вившемся режиме работы - 1500 Вт; длина - 395 мм, диаметр - 12 мм), смонтированного в корпус с пара- болоцилиндрическим концентратором излучения (серийный стробоскоп Acme BF-1500NA [12]) вдоль фокусной линии концентратора (рис. 1). Рабочее поле прямоугольной формы размерами 0,8×0,8 м (площа- дью 0,64 м2) отдалено от источника излучения на рас- стояние 0,3 м. Данный имитатор подробно описан в работе [13]. Экспериментальные исследования вышеописанной установки показали соответствие характеристик потока излучения, производимого имитатором, необ- ходимым параметрам потока солнечного излучения по спектру и плотности излучения в достаточной сте- пени (±2,5 %) [13]. Рис. 1. Внешний вид оптической системы SRS Fig. 1. The look of SRS optical system Однако исследование распределения потока излу- чения ИСИ по поверхности рабочего поля показало высокую степень неравномерности такого распреде- ления. Данная неоднородность поля распределения принципиальна для потока, отраженного от парабо- лоцилиндрического рефлектора в выбранной оптиче- ской схеме. В таком ИСИ необходимо решить про- блему обеспечения равномерного распределения све- тового потока в области рабочего поля. Для поиска и апробации эффективных способов устранения вышеуказанной неравномерности распре- деления плотности излучения в исследуемом ИСИ необходимо использовать адекватную цифровую мо- дель установки, так как физическая эксперименталь- ная отработка в данном случае является весьма доро- гостоящей. Для исследования солнечного имитатора была вы- брана САD-система TracePro 6.0, предназначенная для трехмерного моделирования и оптического анализа. В данной среде была создана трехмерная модель оптической схемы лабораторной установки ИСИ (рис. 2) и проведена экспериментальная проверка ее соответствия физическому прототипу. Было проведено срав- нение характеристик потока излучения, полученных с лабораторной установки ИСИ и его трехмерной мо- дели. Результаты эксперимента подтвердили возмож- ность исследования характеристик ИСИ с помощью построенной модели [13]. Такой вывод позволил про- ведение дальнейшего использования 3D-модели для усовершенствования импульсного имитатора. Способы выравнивания распределения светово- го потока в рабочей области ИСИ. После создания трехмерной модели установки как адекватного инст- румента для исследования свойств ИСИ было прове- дено дальнейшее преобразование модели. Теоретиче- ски необходимый угол коллимации потока излучения ИСИ можно получить при использовании однозер- кальной осевой оптической схемы на основе кониче- ского зеркала с углом раскрытия 90º и протяженным импульсным источником излучения, совмещенным по осям. Трехмерная модель исследуемого ИСИ была преобразована и приведена в соответствие с описанной схемой с коническим рефлектором (рис. 3), а далее протестирована в среде моделирования TracePro 6.0. Рис. 2. Трехмерная модель лабораторной установки SRS: 1 - источник излучения; 2 - параболоцилиндрический рефлектор; 3 - рабочее поле Fig. 2. The 3d model of the laboratory SRS installation: 1 - radiation source; 2 - paracylinder reflector; 3 - operating field Рис. 3. Трехмерная модель имитатора солнечного излучения с коническим рефлектором (угол раскрытия 90°): 1 - источник излучения; 2 - конический рефлектор; 3 - рабочее поле Fig. 3. The 3d SRS model with a conical reflector (with opening angle 90º): 1 - radiation source; 2 - paracylinder reflector; 3 - operating field Было подтверждено, что данная схема обеспечивает поворот основного пучка, нормального к излучающей поверхности лампы, в направлении, параллельном оси излучателя, после одного отражения и обеспечивает необходимую параллельность светового потока. Воз- никающая при этом принципиальная неравномер- ность распределения плотности отраженного потока в области рабочего поля [14] должна быть преодолена. Преодоление данной неравномерности в комплек- се с преимуществами выбранного источника излуче- ния и оптической схемы позволит создать установку со сравнительно низкой себестоимостью и стоимо- стью эксплуатации и в относительно простой конст- рукцией, одновременно удовлетворяя требуемому уровню параметров светового потока, создаваемого имитатором. Для выравнивания распределения плотности пото- ка излучения в рабочем поле было предложено два принципиально новых способа: - искусственная расфокусировка источника излу- чения и конического отражателя [14]; - градиентное тонирование поверхности источни- ка излучения либо конического отражателя [15]. Способ искусственной расфокусировки заклю- чается в отклонении конического отражателя от оси излучателя на определенный угол относительно оси ординат таким образом, что рабочее поле ИСИ оста- ется перпендикулярным продольной оси источника излучения, а перераспределение отраженного потока излучения по рабочей области происходит из-за изме- нения угла наклона рефлектора. Для трех вариантов рабочих областей разного раз- мера, расположенных в области наибольшей интен- сивности падающего излучения, были определены углы наклона, обеспечивающие наименьшую степень неравномерности распределения потока излучения. Исследование влияния угла искусственной расфоку- сировки на равномерность освещенности рабочих зон показало, что минимальная неравномерность среди рассмотренных вариантов может быть достигнута для площадки 100×100 мм при угле расфокусировки, рав- ном 10°, и составит 8,5 %, что почти в 3 раза меньше, чем без использования искусственной расфокусиров- ки [14]. Способ градиентного тонирования поверхности источника излучения либо конического отражателя для снижения неравномерности распределения па- дающего светового потока заключается в следующем. Для рассматриваемого ИСИ определяется базовый уровень плотности светового потока, который обес- печивается по всей площади рабочей области. Излу- чение, превышающее определенный базовый уровень, «отсекается» путем нанесения градиентно-тонирован- ного покрытия в виде тонкой пленки на лампу - источник излучения либо на конический отражатель. От степени тонирования отражающей поверхности рефлектора зависит ее коэффициент отражения: чем больше степень тонировки области, тем ниже коэф- фициент отражения. Градиентное тонирование лампы- излучателя влияет на коэффициент пропускания (про- зрачность) поверхности лампы-излучателя: с увеличением степени тонировки уменьшается пропускная способность данной области поверхности лампы. Вычисление необходимых коэффициентов отра- жения для пленочного покрытия рефлектора и коэф- фициентов пропускания для покрытия излучателя позволило определить неравномерность распределе- ния плотности потока падающего излучения для двух способов нанесения покрытия для трех вариантов рабочих зон различного размера, расположенных в области наибольшей интенсивности и равномерности падающего излучения. Минимальная неравномерность среди рассмотренных вариантов рабочих областей достигнута для площадки 400×200 мм при нанесении покрытия на конический отражатель и составляет 9,8 %, что почти в 3 раза меньше, чем без нанесения гра- диентного тонирования [15]. Таким образом, сделан вывод о принципиальной применимости и эффективности предложенных спо- собов выравнивания неравномерности падающего светового потока для исследуемой оптической схемы. Заключение. Рассмотрены этапы создания и ис- следования имитатора солнечного излучения для на- земных испытаний солнечных батарей космического назначения на основе импульсной ксеноновой лампы удлиненной цилиндрической формы. Создана трех- мерная модель ИСИ, отвечающая основным требова- ниям к потоку излучения по спектральному составу, плотности излучения, коллимированности и равно- мерности распределения плотности излучения, падаю- щего на рабочую область. Предложенные способы позволяют создать соответствующий требованиям поток излучения ИСИ просто и эффективно. Конст- рукция ИСИ проста для технического исполнения, не требует значительных капитальных и эксплуатационных затрат для своего функционирования. Предполагается проведение дальнейшего экспе- риментального исследования предложенной модели имитатора солнечного излучения и его апробация в условиях лаборатории.

Об авторах

А. В. Колинчук

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт»

Email: lunya18111991@yandex.ru
Украина, 61070, г. Харьков, ул. Чкалова, 17

Список литературы

Дополнительные файлы