Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения для наземной отработки космических аппаратов
Автор: А.А. Шевчук, Г.В. Двирный, Г.Г. Крушенко, В.В. Двирный, М.В. Елфимова
Журнал: Космические аппараты и технологии.
Рубрика: Космическое приборостроение
Статья в выпуске: 1, 2019 года.
Бесплатный доступ
Переход к производству космических аппаратов нового поколения требует значительного совершенствования методов и средств наземной экспериментальной отработки, повышения точности испытательного оборудования. Одним из базовых и наиболее сложных элементов испытательного оборудования, применяемого при комплексных термовакуумных испытаниях космических аппаратов, является имитатор солнечного излучения. В настоящее время перспективным направлением считается построение имитаторов солнечного излучения на основе высокоэффективных светодиодов, имеющих значительные преимущества перед традиционными источниками. В числе основных задач при создании светодиодного имитатора солнечного излучения, адаптированного для наземной отработки космических аппаратов, находится разработка высокоэффективной и, в то же время, компактной оптической системы, суммирующей с минимальными потерями излучение множества отдельных светодиодов светодиодной матрицы по спектру, углу и площади в однородное световое поле. В статье проанализированы результаты математического моделирования светового источника светодиодного имитатора солнечного излучения на примере нескольких моделей с различным числом светодиодов, как без оптических элементов, так и с различными первичными оптическими элементами. Из результатов следует, что светодиодный имитатор солнечного излучения обязательно должен иметь, как минимум, первичную оптическую систему. Определено влияние количества, типа и размера первичных оптических элементов в матрице на характеристики светового потока. Совместное применение первичной и вторичной оптических систем приводит к дальнейшему повышению световых характеристик светодиодного имитатора солнечного излучения, но ценой некоторого снижения общей эффективности. В целом характеристики смоделированного светового источника соответствуют или вплотную приближаются к требуемым, что говорит о принципиальной возможности создания имитатора солнечного излучения на основе светодиодных источников для наземной отработки космических аппаратов.
Космический аппарат, наземная отработка, термовакуумные испытания, имитатор солнечного излучения, оптическая система, светоизлучающий диод
Короткий адрес: https://sciup.org/14114643
IDR: 14114643 | УДК: 681.7.069.2 | DOI: 10.26732/2618-7957-2019-1-28-40
Optical system of perspective led-based solar simulator for spacecraft ground testing applications
The transition to the production of new generation spacecraft requires a significant improvement in the methods and means of ground experimental testing, improving the accuracy of test equipment. One of the basic and most complex elements of the test equipment used in complex thermal vacuum testing of spacecraft is the solar simulator. Currently, a promising direction is the construction of solar simulators based on highly efficient LEDs that have significant advantages over traditional sources. Design of a highly efficient and at the same time compact optical system summing the emission of many individual LEDs of the LED array over the spectrum, angle and area into a uniform light field with minimal losses is the one of base tasks in development of adapted for ground testing spacecraft solar simulator. The article analyzes the mathematical modeling results of LED solar simulator's light source on the example of several models with different numbers of LEDs, both without optical elements, and with various primary optical elements. Results it follows that the LED solar simulator radiation must necessarily have, at a minimum, a primary optical system. The influence of the number, type and size of the primary optical elements in the matrix on the characteristics of the light flux is determined. The combined use of primary and secondary optical systems leads to a further light characteristics improvement of the LED solar simulator, but at the cost of some reduction in overall efficiency. In general, the characteristics of the modeled light source correspond or closely approach to required ones, which indicates that it is possible in principle to create a solar simulator based on LED sources for ground testing of spacecraft.
Список литературы Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения для наземной отработки космических аппаратов
- Крат С. А., Христич В. В. Тепловакуумная отработка КА: развитие современных тенденций // Вестник СибГАУ. 2010. Вып. 4 (30). С. 126–129.
- Асланян Р. О., Анисимов Д. И., Марченко И. А., Пантелеев В. И. Имитаторы солнечного излучения для термовакуумных испытаний космического аппарата // Сибирский журнал науки и технологий. 2017. Т. 18. № 2. С. 323–327.
- ГОСТ Р МЭК 60904-9-2016. Приборы фотоэлектрические. Часть 9. Требования к характеристикам имитаторов солнечного излучения. M. : Стандартинформ, 2017. 12 с.
- Reynolds K. LED-based sun-simulator design: technical and commercial considerations // Photonics Spectra, March 2015. pp. 54-58.
- Двирный Г. В., Шевчук А. А., Двирный В. В., Елфимова М. В., Крушенко Г. Г. Анализ возможности создания имитатора солнечного излучения на основе светодиодных источников для наземной отработки космических аппаратов // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19. № 2. С. 271–280.
- Асланян Р. О., Марченко И. А., Анисимов Д. И. и др. Разработка компактных источников излучения солнечного спектра // Материалы XX Междунар. науч. конференции «Решетневские чтения» / АО «ИСС» им. акад. М. Ф. Решетнёва. Красноярск, 2016. С. 436–437.
- Plita F. Optical design of a fully LED-based solar simulator. PhD thesis. Loughborough, Loughborough University, July 2015. 186 p.
- Байнева И. И., Байнев В. В. Оптические системы для светодиодов // Фотоника. 2016. № 2. С. 84–93.
- Chen J.-J., Wang T.-Y., Huang K.-L., Liu T.-S., Tsai M.-D., Lin C.-T. Freeform lens design for LED illumination // Optics Express, May, 2012, vol. 20, no. 10, pp. 10984-10995.
- Моисеев М. А., Борисова К. В., Бызов Е. В., Досколович Л. Л. Оптимизационный метод для расчета TIR оптических элементов, включающий процедуру быстрой трассировки лучей // Компьютерная оптика. 2013. Т. 37. № 1. С. 51–58.
- Андреева К. В., Моисеев М. А., Кравченко С. В., Досколович Л. Л. Метод расчета оптических элементов с поверхностью свободной формы, работающих по принципу полного внутреннего отражения // Компьютерная оптика. 2016. Т. 40. № 4. С. 467-474.
- Досколович Л. Л., Борисова К. В., Моисеев М. А. Расчет зеркала для формирования заданного непрерывного распределения освещенности на основе метода согласованных квадрик // Компьютерная оптика. 2015. Т. 39. № 3. С. 347-356.
- Байнева И. И. Моделирование световых приборов в программном комплексе TRACEPRO // Материалы XIII Всеросс. науч.-техн. конф. «Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики» / АУ «Технопарк Мордовия». 2017. С. 202-208.
- Hecht E. Optics (5th Edition). Harlow, Pearson Education, 2017. 729 p.
- Vu N. H., Pham T. T., Shin S. LED uniform illumination using double linear fresnel lenses for energy saving // Energies, 2017, no. 10 (12), 2017. pp. 1-15. doi:10.3390/en10122091
- Dickey F. M., Holswade S. C., Shealy D. L. Laser Beam Shaping Applications. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005. 376 с.
