太陽模擬器理論及應用研究
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境模擬的重要設備,其主要作用是提供近似于真實太陽光譜分布的、均勻穩定的可控輻射源,以滿足航天器的熱真空試驗、衛星姿態部件的測試標定、光學遙感器的環境適應性試驗、太陽能光伏發電及材料特性測試等領域的需求。太陽模擬的光學系統主要由光源系統、勻光系統和成像系統組成,其光學系統設計的合理性直接決定著系統輻照面的輻照度、均勻性、穩定性、光譜分布、輻照面大小及準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鍵的問題是系統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研究中的重點。本文圍繞太陽模擬器的設計理論及研究方法展開了深入的討論,根據太陽模擬器的發展歷程,分析并總結了不同類型太陽模擬器的光學設計原理和光學結構的特點,太陽模擬器的光學系統設計中需要同時考慮光能利用率、照明均勻性及成像光束質量等因素,這就必須通過成像光學理論與非成像照明光學理論相結合的方式,以進一步提高傳統太陽模擬器光學性能。文章首先闡述了非成像光學理論的基本概念,將光學擴展量引入到太陽模擬系統的能量分析過程中,通過對光源、橢球聚光鏡及光學元件的光學擴展量進行了詳細的分析,討論了光學擴展量與系統能量利用率的關系,為太陽模擬器的能量利用率的計算提供了理論依據和優化方法。太陽模擬系統的照明均勻性分析是本文工作的另一個重點。本文在理解基本照明原理的基礎上,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目、減少衍射效應、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系統設計提供了有益的參考。最后,在理論研究的基礎上,本文研制了準直式太陽模擬器和投影式太陽模擬器,分別詳細介紹了太陽模擬器光學系統設計的過程與結果,研制光棒式光學積分器,提高了照明的均勻性,設計了三片式準直光學系統和物方遠心投影光學系統,改善了傳統同軸式太陽模擬器的光學性能,通過系統仿真分析和實際檢測驗證了光學系統設計的合理性,并分析了太陽模擬器的未來發展趨勢,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,促進了空間環境模擬技術的發展,并具有非常重要的現實意義。
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