CC BY
45УДК 621.321
О ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ В ИМИТАТОРЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ
КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Г. В. Двирный1, А. А. Шевчук1' 2*, В. В. Двирный1
1 АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 E-mail: expert-zh24@yandex.ru
Предложена схема имитатора солнечного излучения на основе светодиодных источников для наземной отработки космических аппаратов, с лучшими, по сравнению с традиционными имитаторами на основе газоразрядных ксеноновых ламп воздушного охлаждения, эксплуатационными и техническими характеристиками.
Ключевые слова: наземная отработка космических аппаратов, термовакуумные испытания, имитатор солнечного излучения, светоизлучающий диод.
POSSIBLITY OF LED-BASED SOURCES APPLICATION IN SOLAR SIMULATOR FOR SPACECRAFTS GROUND TESTING
G. V. Dvirniy1, A. A. Shevchuk1, 2*, V. V. Dvirniy1
JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation 2Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation E-mail: expert-zh24@yandex.ru
We propose a scheme of a solar simulator based on LED sources for ground testing of spacecrafts with better operational and technical characteristics than traditional solar simulators based on air-cooled gas-discharge xenon lamps.
Keywords: ground testing of spacecrafts, thermal vacuum testing, solar simulator, light emitting diode.
Введение. Одним из базовых и наиболее сложных элементов испытательного оборудования, применяемого при комплексных термовакуумных испытаниях космических аппаратов (КА), является имитатор солнечного излучения (ИСИ).
Растущий уровень технического исполнения КА и новые стандарты, в частности, действующий с 2017 г. ГОСТ Р МЭК 60904-9 [1], идентичный международному стандарту 1ЕС 60904-9, означают новые требования к точности испытательного оборудования, что говорит о необходимости совершенствования характеристик вновь создаваемых отечественных ИСИ.
Сравнительный анализ. Можно выделить два основных направления в создании ИСИ:
- первое, на основе традиционных источников -ламп накаливания и газоразрядных ксеноновых ламп, спектр последних наиболее точно соответствует солнечному спектру;
- второе, более современное и динамично развивающееся - на основе светодиодных источников. В последнее время за рубежом активно ведутся разработки светодиодных ИСИ наземного спектра и созданы первые серийные образцы, в том числе класса ААА, с удельной световой мощностью до 1 200 Вт/м2, что вплотную приближается к значению солнечной постоянной за пределами атмосферы 1 321.. .1 412 Вт/м2,
с достаточной спектральной точностью и однородностью светового потока и размером светового поля до 2x1,2 м [2].
Практически все существующие крупногабаритные ИСИ для термовакуумных испытаний КА, в том числе два крупногабаритных ИСИ, действующие в АО «ИСС» имени академика М. Ф. Решетнева», построены по принципу суммирования излучения массивов охлаждаемых воздухом газоразрядных ксе-ноновых ламп. Их отличительной особенностью является расположение световых источников за пределами термовакуумной камеры. Известно, что расположение ИСИ внутри камеры более рационально [3], но трудновыполнимо в случае использования газоразрядных ксеноновых ламп. Кроме этого, традиционным ИСИ присущ ряд других характерных недостатков, в частности:
- низкий КПД, как правило, около 10 % [4], что обусловлено как низкой эффективностью газоразрядных ксеноновых ламп, так и высокими потерями в сложной оптической системе;
- значительная масса, габариты и неудобство монтажа основных компонентов ИСИ, необходимость сложной, трудоемкой настройки и юстировки всех элементов оптической системы, состоящей из большого числа элементов;
Решетневскуе чтения. 2018
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
- высокая нагруженность и усиленный нагрев оптических вводов в термовакуумную камеру, где на малой площади сосредоточен световой поток высокой интенсивности;
- малый срок службы и высокая стоимость газоразрядных ксеноновых ламп.
Анализ показывает, что для термовакуумных испытаний КА по ряду причин может быть предпочтительнее ИСИ на основе светодиодных источников [5]. В этом случае можно сформировать квазипараллельный световой поток при помощи светодиодной матрицы с распределенными параметрами, размеры излучающей поверхности которой близки к требуемым размерам светового поля. Излучатель при этом возможно разместить наиболее логичным и выгодным способом - внутри термовакуумной камеры в непосредственной близости к объекту испытаний, в виде одного или нескольких компактных модулей с небольшой массой и приемлемыми габаритами (см. рисунок):
Среди других очевидных преимуществ предлагаемого ИСИ можно отметить:
- в несколько раз большие, по сравнению с газоразрядными ксеноновыми лампами, энергоэффективность, ресурс и временную стабильность светодиодов;
- возможность точной настройки в максимально широких пределах спектра и интенсивности излучения;
- безопасность для обслуживающего персонала, поскольку расположение ИСИ в термовакуумной камере исключает контакт с ультрафиолетовым излучением и образование озона, неизбежное при работе газоразрядных ксеноновых ламп воздушного охлаждения.
Следует также отметить, что оптическая система в виде единого массива оптических элементов, жестко связанных с излучателями, не потребует настройки в ходе эксплуатации.
Основные проблемы при создании светодиодного ИСИ. К наиболее сложным задачам можно отнести:
- обеспечение требуемой спектральной точности, для чего комбинируют излучение нескольких групп
белых и монохромных светодиодов с разными длинами волн. В существующих зарубежных разработках применяют, в зависимости от требуемой точности, от 8 до 23 групп [2]. Низкая эффективность, узкая полоса излучения и высокая стоимость инфракрасных и ультрафиолетовых светодиодов делает более оправданным комбинирование светодиодных источников в видимой области и традиционных источников с высоким КПД в инфракрасной и ультрафиолетовой областях, например, кварцево-галогенных ламп [6] и ртутных ламп среднего давления.
- разработка оптической системы, суммирующей излучение отдельных светодиодов матрицы по спектру, углу и площади. Наибольшей эффективностью будет обладать ИСИ с первичной TIR - оптикой, работающей по принципу полного внутреннего отражения, без вторичной оптики, но равномерность выходного излучения при этом будет соответствовать низшему классу С по ГОСТ Р МЭК 60904-9. Совместное применение первичной и вторичной оптики, например, изображающего гомогенизатора, позволит получить очень высокую равномерность, на порядок превышающую требования высшего класса А по ГОСТ Р МЭК 60904-9 [2], но приведет к значительному снижению эффективности ИСИ;
- чувствительность светодиодных источников к перегреву и, как следствие, необходимость высокопроизводительной системы охлаждения, выводящей избыточное тепло за пределы термовакуумной камеры.
Библиографические ссылки
1. ГОСТ Р МЭК 60904-9-2016. Приборы фотоэлектрические. Часть 9. Требования к характеристикам имитаторов солнечного излучения. M. : Стандар-тинформ, 2017. 12 с.
2. Plita F. Optical design of a fully LED-based solar simulator: PhD thesis : 07.2015 / Foteini Plita. Loughborough University, Loughborough, 2015. 186 p.
3. Разработка компактных источников излучения солнечного спектра / Р. О. Асланян, И. А. Марченко,
Д. И. Анисимов, В. И Пантелеев // Решетневские чтения : материалы ХХ Междунар. науч. конф. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 436-437.
4. Подходы к созданию комплексных систем для отработки и испытания космических аппаратов / С. В. Кравченко [и др.] // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. № 1 (13). С. 149-175.
5. Анализ возможности создания имитатора солнечного излучения на основе светодиодных источников для наземной отработки космических аппаратов / Г. В. Двирный [и др.] // Сибирский журнал науки и технологий. 2018. Т. 19, № 2. С. 271-280.
6. Базилевский А. Б., Карпенко А. В. Имитатор солнечного излучения на базе комбинированных непрерывных источников света // Материалы науч.-техн. конф. ОАО «ИСС» им. акад. М. Ф. Решетнева», Железногорск. 2011. С. 160-162.
References
1. GOST R MEK 60904-9-2016. Pribory fotoelek-tricheskiye. Chast' 9. Trebovaniya k kharakteristikam imitatorov solnechnogo izlucheniya. M. : Standar-tinform, 2017. 12 p.
2. Plita F. Optical design of a fully LED-based solar simulator: PhD thesis : 07.2015 / Foteini Plita. Loughborough University, Loughborough, 2015. 186 p.
3. Razrabotka kompaktnykh istochnikov izlucheniya solnechnogo spektra / R. O. Aslanyan, I. A. Marchenko, D. I. Anisimov, V. I Panteleyev // Reshetnevskiye chteniya : materialy ХХ Mezhdunar. nauch. konf. / pod obshch. red. Yu. Yu. Loginova ; Sib. gos. aerokosmich. un-t. Krasnoyarsk, 2016. P. 436-437.
4. Podkhody k sozdaniyu kompleksnykh sistem dlya otrabotki i ispytaniya kosmicheskikh apparatov / S. V. Kravchenko [et al.] // Inzhenernyy zhurnal: nauka i innovatsii. 2013. № 1 (13). P. 149-175.
5. Analiz vozmozhnosti sozdaniya imitatora sol-nechnogo izlucheniya na osnove svetodiodnykh istochni-kov dlya nazemnoy otrabotki kosmicheskikh apparatov / G. V. Dvirnyy [et al.] // Sibirskiy zhurnal nauki i tekhnologiy. 2018. T. 19, № 2. P. 271-280.
6. Bazilevskiy A. B., Karpenko A. V. Imitator solnechnogo izlucheniya na baze kombinirovannykh ne-preryvnykh istochnikov sveta // Materialy nauchn.-tekhn. konf. OAO "ISS" im. akad. M. F. Reshetneva», Zheleznogorsk. 2011. P. 160-162.
© Двирный Г. В., Шевчук А. А., Двирный В. В., 2018
