CC BY
82КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
УДК 681.7.069.2
DOI 10.26732/2618-7957-2019-1-28-40
ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ПЕРСПЕКТИВНОГО СВЕТОДИОДНОГО ИМИТАТОРА СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ НАЗЕМНОЙ ОТРАБОТКИ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
А. А. Шевчук1, 2 Н, Г. В. Двирный3, Г. Г. Крушенко4, В. В. Двирный1, 2, М. В. Елфимова5
1АO «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва», г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация 2Сибирский федеральный университет, г. Красноярск, Российская Федерация 3Сибирский государственный университет науки и технологий им. акад. М. Ф. Решетнёва,
г. Красноярск, Российская Федерация 4Институт вычислительного моделирования СО РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН,
г. Красноярск, Российская Федерация 5Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, г. Железногорск, Красноярский край, Российская Федерация
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.
Ключевые слова: космический аппарат, наземная отработка, термовакуумные испытания, имитатор солнечного излучения, оптическая система, светоизлучающий диод.
Введение
Развитие многих отраслей народного хозяйства и ряда направлений научных исследований сеН expert-zh24@yandex.ru
© Шевчук А. А., Двирный Г. В., Крушенко Г. Г., Двирный В. В., Елфимова М. В., 2019
годня невозможно без использования искусственных спутников Земли. Одним из наиболее успешных и динамично развивающихся инновационных направлений сегодня считается, в частности, космический мониторинг. Помимо традиционной военной и разведывательной сферы, приоритетным направлением космического мониторинга является ликвидация последствий чрезвычайных ситу-
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
аций. Так, Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС) России для обработки космической информации задействует пять наземных комплексов. В 2018 году система космического мониторинга МЧС задействовала комплексы более чем в 130 чрезвычайных ситуациях и обработала более двух тысяч снимков, благодаря чему оперативно отреагировала более чем на 115 тысячах термических аномалиях. Сейчас космическая группировка МЧС России насчитывает двенадцать спутников, из которых восемь отечественного производства.
Надежность как космического аппарата в целом, так и его отдельных систем подтверждается на этапе проведения ключевых наземных испытаний — наземной экспериментальной отработки. Вероятность безотказной работы космического аппарата (КА) напрямую зависит от качества экспериментальной отработки, а переход к производству негерметичных КА нового поколения требует дальнейшего усовершенствования её методов и средств.
Одним из базовых и наиболее сложных элементов испытательного оборудования, применяемого при комплексных термовакуумных испытаниях КА, является имитатор солнечного излучения (ИСИ), с необходимой точностью имитирующий солнечное воздействие на КА при орбитальном функционировании. Так, существующие в настоящее время отечественные ИСИ отвечают следую-
щим основным требованиям:
• удельная мощность светового потока 1340-1440 Вт/м2;
• неравномерность энергетической освещенности до ±10 %;
• спектральный диапазон, близкий к диапазону солнечного излучения в области 200—2000 нм, с несоответствием не более 10 % от номинальных значений.
Излучение Солнца в условиях открытого космоса исключительно прямое, в отличие от земных условий, где даже в условиях ясного неба на долю рассеянного излучения приходится 10—15 %. Поэтому непараллельность светового потока существующих отечественных ИСИ для околоземной орбиты нормируется в пределах 4 угловых градусов [1].
Краткие характеристики трёх отечественных и двух зарубежных действующих ИСИ для термовакуумных испытаний КА приведены в табл. 1 [2].
Данные табл. 1 говорят о необходимости совершенствования характеристик вновь создаваемых отечественных ИСИ. Высокий уровень технического исполнения отечественных КА и введение новых стандартов также предполагают новые требования к точности испытательного оборудования. В частности, действующий с 2017 года ГОСТ Р МЭК 60904-9 [3], идентичный международному стандарту 1ЕС 60904-9, делит ИСИ для фотоэлектрических приборов на три класса по каждому из трёх основных параметров (табл. 2).
Таблица 1
29
Сравнительные характеристики действующих ИСИ
Источник излучения Размеры освещаемой поверхности, м Неравномерно сть энергетической освещенности, % Максимальная удельная мощность, Вт/м2
ИСИ ТБК-120 Ксеноновые лампы 2x2 < 10 1600
ИСИ ГВУ-600 Ксеноновые лампы 4x4 < 10 1600
ИС-500 Ксеноновые лампы 3x8 < 10 1500
ИСИ LSS Ксеноновые лампы 6x5 0,5 2600
ИСИ SPF Ксеноновые лампы Б = 15 1 4200
Одним из наиболее перспективных направлений в конструировании ИСИ для наземных условий АМ1,5 в настоящее время считается применение высокоэффективных светодиодов [4]. Светодиодные ИСИ, в сравнении с ИСИ на основе традиционных световых источников, обладают рядом преимуществ, которые наиболее полно могут быть раскрыты при использовании их в термовакуумных испытаниях, проводимых в ходе наземной отработки КА. Помимо большей
энергоэффективности, возможности регулировки в максимальных пределах мощности и спектра светового потока и лучших массогабаритных и эксплуатационных характеристик, главным преимуществом является возможность размещения светового источника светодиодного ИСИ непосредственно внутри термовакуумной камеры, в непосредственной близости к объекту испытаний [5]. Такое размещение позволяет наиболее просто реализовать ещё один, также считающий-
ТЕХНОЛОГИИ t
т
ся перспективным, принцип модульного построения, при котором трансформируемый ИСИ представляет набор отдельных блоков внутри термовакуумной камеры, скомпонованных исходя из требований к термовакуумной отработке конкрет-
Том з
ного КА [2; 6]. При этом следует особо отметить, что размещение светового источника светодиодного ИСИ в ограниченном пространстве требует от него как высокой эффективности, так и максимальной компактности.
Таблица 2
Классификация ИСИ, ГОСТ Р МЭК 60904-9-2016
30
Класс Спектральное соответствие для всех диапазонов Неравномерно сть энергетической освещенности, % Временная нестабильность, %
Кратковременная Долговременная
A 0,75 ... 1,25 2 0,5 2
B 0,6 ... 1,4 5 2 5
C 0,4 ... 2 10 10 10
1. Постановка задачи
Световой поток светодиодного ИСИ складывается из излучения множества отдельных групп светодиодов, образующих матрицу с распределенными параметрами. Исследования показывают, что для матрицы из отдельных точечных источников с широким углом распределения, которыми являются светодиоды, крайне трудно получить удельную мощность выше 1000 Вт/м2 и приемлемую неравномерность светового потока одновременно [7]. В то же время уменьшение углов распределения повышает эффективность матрицы и позволяет при том же уровне освещённости обойтись меньшим количеством светодиодов. Поэтому в существующих светодиодных ИСИ для наземных условий АМ1,5 светодиодная матрица дополнительно оснащена оптической системой, занимающей большую часть объёма светового источника. Следовательно, для адаптации светодиодного ИСИ к наземной отработке КА одной из главных задач является разработка высокоэффективной и, в то же время, максимально компактной оптической системы, суммирующей с минимальными потерями излучение множества светодиодов по спектру, углу и площади в единое световое поле.
Исходя из предполагаемой модульной конструкции ИСИ, а также из размерных ограничений свободного пространства существующих крупногабаритных термовакуумных камер, в частности, действующих в настоящее время в АО «Информационные спутниковые системы» им. акад. М. Ф. Решетнёва» ТБК-120, КВУ-400 и ГВУ-600, размеры освещаемой одним светодиодным модулем площади приняты равными 320^320 мм, или 0,1 м2. По этим же причинам, а также в связи с падением уровня освещенности при увеличении расстояния, практический интерес для
рассмотрения представляет расстояние от модуля до освещаемой площади в диапазоне 0,5-1 м.
2. Первичная оптическая система
Для получения узкоугольных световых распределений применяют первичные оптические элементы, специально оптимизированные для работы с различными типами светодиодов [8]. В большинстве случаев это оптические элементы с преломляющими или отражающими поверхностями, которые устанавливают непосредственно над излучающей поверхностью светодиода. Наиболее распространёнными конструкциями с малыми углами распределения и высокой световой эффективностью являются параболические рефлекторы (ПР) и TIR оптические элементы (англ. TlR - Total Internal Reflection), содержащие поверхности, работающие по принципу полного внутреннего отражения, а также подобные им элементы [9].
Параболические рефлекторы представляют зеркала параболической формы, фокусирующие световой поток. Преимуществом параболических рефлекторов считаются простота конструкции и, как правило, меньший размер по сравнению с TIR оптическими элементами. Главный недостаток параболических рефлекторов состоит в том, что они перенаправляют только боковые лучи. Поскольку ненаправленные центральные лучи имеют наивысшую интенсивность, это приводит к значительным потерям направленного светового потока.
TIR оптические элементы состоят из нескольких частей и содержат, как минимум, внутреннюю поверхность, через которую излучение поступает в оптический элемент, и боковую поверхность, работающую по принципу полного
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
внутреннего отражения и перенаправляющую боковые лучи. Теоретически характеристики TIR-оптических элементов лучше, поскольку они перенаправляют все лучи, в том числе центральные, что повышает световую эффективность. К недостаткам можно отнести большие размеры и сложность конструкции.
Расчёт поверхностей оптических элементов является сложной задачей. В случае точечного источника излучения её решение приводит к интегрированию системы дифференциальных уравнений первого порядка. В случае протяжённого источника излучения для расчёта оптических поверхностей используются различные оптимизационные методы, позволяющие подобрать их параметры и обеспечить наиболее точное формирование заданного распределения освещённости [10-12]. Для решения подобных задач существуют различные коммерческие программные продукты: LightTools, FRED, TracePro [13] и др. В частности, при помощи программного обеспечения FRED производителя Photon Engineering в [7] проведено моделирование в монохромном режиме светодиодного источника для ИСИ наземных условий АМ1,5, результаты которого могут быть использованы для анализа характеристик светодиодного ИСИ для наземной отработки КА. Следует отметить, что сделанные при моделировании допущения позволяют оценить характеристики светового потока лишь в первом приближении. Для более точной оценки необходимо моделирование светодиодного источника во всём диапазоне длин волн с учётом соответствия мощности, спектральной точности и непараллельности светового потока условиям открытого космоса АМ0.
2.1. Моделирование одиночных элементов
При формировании начальных условий одиночный светодиод принят как расходящийся источник света с излучающей поверхностью 1^1 мм, лучи которого генерируются в случайных направлениях в угловом диапазоне 120°. Размер
измеряемых участков равен 10^10 мм. Таким образом, на освещаемой площади 320x320 мм находится 1024 участка, что в 16 раз выше необходимого минимального разрешения [3]. В качестве первичных оптических элементов выбраны параболический рефлектор диаметром 18 мм и два TIR оптических элемента диаметром 13 и 27 мм с заявленными производителем углами распределения 6°.
Изначально в программной среде FRED смоделированы распределения световых потоков одиночных элементов - светодиодов без оптики и с установленной над ними различной первичной оптикой. В первом случае, из-за значительного уровня шума профили распределения освещённости дополнительно интерполированы при помощи простого и точного метода полиномиальной интерполяции, реализованного с использованием функций подгонки в пакете прикладных программ MATLAB.
Полученные интерполированные трёхмерные профили распределения освещённости одиночного светодиода и диагональные поперечные сечения профилей для расстояний 0,5 и 1 м показаны на рис. 1 и 2.
На рис. 3 сравниваются диагональные сечения профилей распределения освещённости одиночных элементов с установленными 18 мм параболическим рефлектором, 13 мм и 27 мм TIR оптическими элементами на расстояниях 0,5 и 1 м.
Из результатов видно, что все представленные оптические элементы обладают высокими коллимирующими свойствами. 27 мм TIR оптический элемент обладает наибольшей эффективностью, а 18 мм параболический рефлектор - наименьшей. Однако в первом случае на расстоянии 0,5 м наблюдается провал в центре профиля характеристики направленности, вызванный сферической аберрацией (рис. 4). Поперечная сферическая аберрация определяется расстоянием между осью и наиболее расходящимся лучом [14] и в данном случае приводит к тому, что уровень освещённо-
31
Рис. 1. Нормализованные интерполированный трёхмерный профиль распределения освещённости (1) и диагональное поперечное сечение профиля (2) одиночного светодиода на расстоянии 0,5 м
ТЕХНОЛОГИИ
Том 3
32
Рис. 2. Нормализованные интерполированный трёхмерный профиль распределения освещённости (1) и диагональное поперечное сечение профиля (2) одиночного светодиода на расстоянии 1 м
m d JL.
■QI О
<TJ m
О
27 мм TIR '3 мм TIR
18 ми ПР
JJl
О з
27 мм TIR 2
13 мм TIR
18 мм ПР /
1
■1,5
■IJS
ол
1
¡.5 -1.5 Отклонений, м
■■
С,К
M
1 5
Рис. 3. Диагональные поперечные сечения профилей распределения освещённости различных оптических элементов, нормализованные к наибольшему значению, на расстояниях 0,5 м (1) и 1 м (2)
сти будет несколько ниже ожидаемого, поскольку наибольшие значения соответствуют боковым пикам.
Рис. 4. Поперечное сечение профиля распределения освещённости одиночного светодиода с 27 мм TIR на расстоянии 0,5 м
2.2. Моделирование первичной оптической системы
На основе полученных моделей одиночных элементов далее смоделированы распределения световых потоков нескольких вариантов светодиодного источника с различными видами и количествами первичных оптических элементов.
Максимальное количество оптических элементов в светодиодной матрице физически ограничено и зависит от их размеров, взаимной компоновки и углов распределения. Оптимальный вариант представляет собой компромисс между межэлементными расстояниями, размерами и углами распределения светового потока оптических элементов. В любом случае, при расстоянии от светового источника до освещаемой площади более 1 м освещённость падает настолько, что получить необходимый уровень освещённости становится достаточно сложно.
Значения удельной мощности и неравномерности излучения различных моделей сведены в табл. 3; наиболее характерные случаи проиллюстрированы на рис. 10-13.
На рис. 5 представлены трёхмерные интерполированные профили распределения освещённости модели с равномерно размещёнными в матрице 2475 светодиодами без оптических элементов на расстояниях 0,5 м и 1 м.
Полученная на расстоянии 0,5 м освещённость, равная 3654 Вт/м2, значительно превышает требуемый уровень, но неравномерность, состав-
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
ляющая 10,45 %, неудовлетворительна. На рассто- На рис. 6 представлены трёхмерные про-
янии 1 м неравномерность улучшается до 2,74 %, фили распределения освещённости модели с 612 но освещённость находится ниже требуемого параболическими рефлекторами диаметром 18 мм уровня в пределах 1000 Вт/м2. на расстояниях 0,5 и 1 м.
Таблица 3
Удельная выходная мощность и неравномерность излучения для различных оптических оформлений
Оптические Количество Расстояние P, Вт/м2 Неравномерность Рисунок
элементы элементов % Класс по [3]
2475 0,5 3654 10,45 5 (1)
2475 1 1015 2,75 1 (2)
Нет 2997 0,5 4408 11,02
2997 1 1227 2,92
3570 0,5 5248 10,43
3570 1 1462 2,77 B
390 0,5 1398 4,40 B
390 1 1020 10,10
517 0,5 1541 3,49 B
18 мм ПР 517 1 1093 1,56
612 0,5 1637 3,43 B 6 (1)
612 1 1130 0,83 6 (2)
885 0,5 1882 3,36 B
885 1 1225 0,85
189 0,5 671 20,03
189 1 629 8,52
248 0,5 671 20,03
248 1 629 8,52
27 мм TIR 390 0,5 702 19,13 7 (1)
390 1 663 2,99 7 (2)
612 0,5 710 19,00
612 1 672 2,73
885 0,5 722 18,24
885 1 685 2,89
390 0,5 1916 74,76
390 1 1694 60,61
612 0,5 2527 23,80
612 1 2224 28,17
715 0,5 2651 7,58 C
13 мм TIR 715 1 2366 14,42
885 0,5 2727 2,72 B
885 1 2482 6,42 C
945 0,5 2741 2,58 B
945 1 2505 5,78 C
1207 0,5 2786 1,88 A 8 (1)
1207 1 2576 3,35 B 8 (2)
33
ТЕХНОЛОГИИ
Том 3
34
Рис. 5. Трёхмерные интерполированные профили распределения освещённости 2475 светодиодов без оптических элементов на расстояниях 0,5 м (1) и 1 м (2)
Рис. 6. Трёхмерные профили распределения освещённости 612 светодиодов с 18 мм параболическими рефлекторами на расстоянии 0,5 м (1) и 1 м (2)
Рис. 7. Трёхмерные профили распределения освещённости 390 светодиодов с 27 мм TIR оптическими элементами на расстояниях 0,5 м (1) и 1 м (2)
На рис. 7 представлены трёхмерные про-
На рис. 8 представлены трёхмерные профи-
фили распределения освещённости модели с 390 ли распределения освещённости модели с 1207 TIR оптическими элементами диаметром 27 мм на TIR оптическими элементами диаметром 13 мм
расстояниях 0,5 и 1 м.
Невысокий уровень освещённости можно
на расстояниях 0,5 и 1 м.
При одинаковом количестве оптических эле-
объяснить как недостаточным количеством TIR ментов световая эффективность модели на основе
оптических элементов, так и их слишком боль- TIR оптических элементов малого размера значи-
шим размером, поскольку расходящиеся лучи эле- тельно выше. Можно предположить, что дальней-
ментов, расположенных на краях матрицы, лишь шее уменьшение угла распределения TIR оптиче-
частично попадают на освещаемую площадь. ских элементов с 6 до 4 градусов в соответствии
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
с предъявляемыми требованиями по непараллельности светового потока к ИСИ для условий АМ0 и, как следствие, уменьшение размеров элементов дополнительно повысит эффективность светового источника.
Неравномерность светового потока может быть дополнительно уменьшена при использовании оптических элементов, формирующих световые распределения не круглой, а прямоугольной формы. Метод компьютерного моделирования внутренней поверхности компактного TIR опти-
ческого элемента, формирующего однородное узкоугольное распределение любой формы, в том числе прямоугольной, подробно описан в [11].
Следует учитывать, что проявившаяся в одной из моделей сферическая аберрация при получении полного спектра может привести к неточному сложению световых потоков от светодиодов с разными длинами волн.
Для дальнейшего повышения характеристик светового потока светодиодного источника ИСИ необходимо применение вторичной оптики [15].
35
Рис. 8. Трёхмерные профили распределения освещённости 1207 светодиодов с 13 мм TIR оптическими элементами на расстояниях 0,5 м (1) и 1 м (2)
3. Вторичная оптическая система
Сравнительный анализ существующих видов вторичной оптики, пригодной для формирования выходного излучения светодиодного ИСИ, показывает, что наиболее оптимальный вариант представляют лучевые гомогенизаторы [7].
Существуют два основных типа гомогенизаторов: неизображающие и изображающие [16].
Неизображающие гомогенизаторы (рис. 9) состоят из преломляющего микролинзового растра и сферической линзы. Микролинзовый растр М1 разделяет входной световой поток на отдельные элементарные лучи, а сферическая линза О1 суммирует их на плоскости.
Рис. 9. Неизображающий гомогенизатор: Mj - микролинзовый растр, О1 - сферическая линза
Изображающие гомогенизаторы (рис. 10) состоят из двух идентичных микролинзовых растров М1, М2 и сферической линзы О1.
Рис. 10. Изображающий гомогенизатор: М1, М2 - микролинзовые растры, О1 - сферическая линза
Как неизображающий, так и изображающий гомогенизаторы могут использоваться для освещения площадей с высокой однородностью. Неизображающие гомогенизаторы в основном используются в конструкциях с большой площадью освещаемой поверхности и малыми числовыми апертурами. Они дешевле, легче в настройке, из-за использования меньшего количества оптических поверхностей происходит меньше оптических потерь. С другой стороны, они чувствительны к дифракционным эффектам, а угол расходимости входного
ТЕХНОЛОГИИ t
m
36
луча значительно влияет на качество плоского участка характеристики распределения освещённости.
Изображающие гомогенизаторы больше подходят для конструкций, требующих высокой однородности, поскольку получаемое качество плоского участка профиля распределения освещённости в этом случае выше и не так критично к углу расхождения входного луча. Размер освещаемой области можно дополнительно варьировать, изменяя расстояние между двумя микролинзовыми растрами. С другой стороны, они дороже, сложнее в настройке, а оптические потери выше из-за использования большего количества оптических поверхностей.
Том з
Исследования в этой области [7] показали, что изображающие гомогенизаторы больше подходят для применения в светодиодном ИСИ, главным образом, по причине высокой чувствительности неизображающих гомогенизаторов к углу расхождения первичной оптики. На рис. 11 хорошо заметна разница в равномерности распределения освещённости двух математических моделей одиночного светодиода, оснащённого первичной оптикой в виде шестиградусного TIR оптического элемента и вторичной оптикой в виде неизображающего и изображающего гомогенизаторов.
ш
ф
ф
т
с;
СП
ф
О
ПЗ
со О
С5
СО
о
0.2 0,4
1.2 0.4 X, м
Рис. 11. Нормализованное выходное излучение одиночного светодиода: первичная оптика - шестиградусный TIR оптический элемент, вторичная оптика -неизображающий (1) или изображающий (2) гомогенизатор
3.1. Моделирование вторичной оптической системы
Как оптимальный вариант, далее рассмотрен изображающий гомогенизатор на основе микролинзовых растров из квадратных выпуклых микролинз. Для исключения сферических аберраций выбраны асферические микролинзы. Центральная длина волны излучения монохромных светоди-одов 590 нм, её полная ширина при половинном максимуме — 20 нм. Значение световой мощности для всех светодиодов принято равным 1 Вт.
Допущения, что все светодиоды идентичны и монохромны, достаточно, чтобы доказать необходимость и эффективность вторичной оптики.
Однако оно не позволяет оценить хроматические аберрации, которые могут возникнуть в результате сложения излучения светодиодов с разными длинами волн. Кроме этого, предполагается, что все светодиоды имеют одинаковую мощность излучения. Однако некоторые из светодиодов с различными длинами волн могут иметь меньшую выходную мощность, особенно в областях, близких к границам заданного диапазона, что приведёт к некоторому снижению общей световой эффективности.
Расстояние между сферической линзой и областью освещения / равно фокусному расстоянию сферической линзы /О1. Оба микролинзовых массива идентичны.
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
В ходе моделирования определены оптимальные расстояния между различными элементами: расстояние между светодиодной матрицей и первым микролинзовым массивом матриц х, расстояние между первым и вторым микролинзовым массивом а и расстояние между вторым микролинзовым массивом и сферической линзой 5. Результаты приведены в табл. 4. Видно, что суммарное расстояние между всеми элементами вторичной оптики составит примерно 70 мм, что
приведёт к незначительному увеличению соответствующего габаритного размера оптической системы светодиодного модуля.
Неоднородность светового потока модели с 612 светодиодами на освещаемой площади 320x320 мм составила 0,29 %. Удельная мощность светового потока достигает 1316 Вт/м2, что вплотную приближается к требуемому значению 1340-1440 Вт/м2.
Результат моделирования показан на рис. 12.
Таблица 4
Оптимальные значения расстояний a, s, x
37
Параметр Обозначение Значение, мм
Шаг микролинзовых массивов Р 2,5
Фокусное расстояние микролинзовых массивов fM 14,2
Фокусное расстояние линзы 01 foi 2000
Расстояние источник - М1 x 20
Расстояние М1 - М2 a 14,2
Расстояние М2 - 01 s 14,2
Расстояние 01 - 00СВ f 2000
Рис. 12. Нормализованный профиль распределения освещённости 612 светодиодов с шестиградусными TIR в качестве первичной оптики и изображающим гомогенизатором в качестве вторичной оптики
Заключение гичным характеристикам, предъявляемым к ими-
таторам солнечного излучения для наземной отра-Результаты показывают, что основные ха- ботки космических аппаратов. рактеристики смоделированного светодиодного Для получения необходимого уровня ос-
источника имитатора солнечного излучения не вещённости требуется неоправданно большое уступают или вплотную приближаются к анало- количество светодиодов без первичной оптики,
ТЕХНОЛОГИИ t
38
m
при этом из-за значительного рассеивания крайне трудно получить приемлемые эффективность, направленность и однородность светового потока одновременно. В то же время при использовании первичных оптических элементов аналогичные характеристики достигаются с намного меньшим количеством светодиодов. Следовательно, светодиодный источник имитатора солнечного излучения обязательно должен иметь первичную оптику.
Результаты моделирования показывают, что только модели с TIR оптическими элементами малого размера обеспечивают необходимые характеристики при расстоянии от светового источника до освещаемой площади в пределах 1 м, в частности, неравномерность светового потока, соответствующую требованиям класса С по ГОСТ Р МЭК 60904-9. Размеры первичной оптической системы, состоящей из оптических элементов малого размера, позволяют объединить её со светодиодной матрицей в компактный модуль с минимальными габаритами.
При этом следует отметить, что TIR оптические элементы в силу их некоторых свойств могут
Том 3
недостаточно точно суммировать световые потоки от светодиодов с разными длинами волн, используемых для получения полного спектра.
Более высокие значения основных характеристик светового потока могут быть получены при совместном применении первичной и вторичной оптики. Самые высокие показатели возможны при использовании в качестве вторичной оптики изображающего гомогенизатора. В этом случае неравномерность светового потока может превосходить требования высшего класса А по ГОСТ Р МЭК 60904-9, а расстояние до освещаемой площади — увеличено до 2 м. Однако применение вторичной оптики приведёт к некоторому увеличению массогабаритных показателей и снижению эффективности светового источника имитатора солнечного излучения.
Исходя из размеров световых полей действующих ИСИ (табл. 1), можно определить общее число смоделированных светодиодных модулей площадью 0,1 м2: для ИСИ, аналогичного ИСИ ТБК-120 - не менее 40 шт.; для ИСИ, аналогичного ИСИ ГВУ-600 - не менее 160 шт.
Список литературы
[1] Крат С. А., Христич В. В. Тепловакуумная отработка КА: развитие современных тенденций // Вестник СибГАУ 2010. Вып. 4 (30). С. 126-129.
[2] 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.
[3] ГОСТ Р МЭК 60904-9-2016. Приборы фотоэлектрические. Часть 9. Требования к характеристикам имитаторов солнечного излучения. M. : Стандартинформ, 2017. 12 с.
[4] Reynolds K. LED-based sun-simulator design: technical and commercial considerations // Photonics Spectra, March 2015. pp. 54-58.
[5] 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.
[6] 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.
[7] Plita F. Optical design of a fully LED-based solar simulator. PhD thesis. Loughborough, Loughborough University, July 2015. 186 p.
[8] Байнева И. И., Байнев В. В. Оптические системы для светодиодов // Фотоника. 2016. № 2. С. 84-93.
[9] 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.
[10] 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.
[11] 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.
[12] 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.
[13] 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.
Оптическая система перспективного светодиодного имитатора солнечного излучения
[14] Hecht E. Optics (5th Edition). Harlow, Pearson Education, 2017. 729 p.
[15] 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
[16] Dickey F. M., Holswade S. C., Shealy D. L. Laser Beam Shaping Applications. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005. 376 с.
OPTICAL SYSTEM OF PERSPECTIVE LED-BASED SOLAR SIMULATOR FOR SPACECRAFT GROUND TESTING
APPLICATIONS
A. A. Shevchuk1, 2, G. V. Dvirniy3, G. G. Krushenko4, V. V. Dvirniyi, 2, M. V. Elfimova5
1JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation 2Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russian Federation Reshetnev Siberian State University of Science and Technology, Krasnoyarsk, Russian Federation 4Institute of Computational Modelling SB RAS, FRC KSC SB RAS, Krasnoyarsk, Russian Federation
5Siberian Fire and Rescue Academy EMERCOM of Russia, Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, Russian Federation
39
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.
Keywords: spacecraft, ground testing, thermal vacuum testing, solar simulator, optical system,
light emitting diode.
References
[1] Krat S. A., Hristich V V. Teplovakuumnaya otrabotka KA: razvitie sovremennyh tendencij [Spacecraft thermal vacuum optimization: development of new tendencies] // Vestnik SibGAU, 2010, no. 4, pp. 126-129. (In Russian)
[2] Aslanyan R. O., Anisimov D. I., Marchenko I. A., Panteleev V I. Imitatory solnechnogo izlucheniya dlya termovakuumnyh ispytanij kosmicheskogo apparata [Solar simulators for thermal vacuum tests of spacecraft] // Siberian Journal of Science and Technology, 2017, vol. 18, no. 2, pp. 323-327. (In Russian)
[3] GOST R MEK 60904-9-2016. Pribory fotoelektricheskie. Chast' 9. Trebovaniya k harakteristikam imitatorov solnechnogo izlucheniya [State Standard R IEC 60904-9-2016. Photovoltaic devices. Part 9. Solar simulator performance requirements]. Moscow, Standartinform Publ., 2017, 12 p. (In Russian)
[4] Reynolds K. LED-based sun-simulator design: technical and commercial considerations // Photonics Spectra, March 2015, pp. 54-58.
[5] Dvirniy G. V, Shevchuk A. A., Dvirniy V V., Elfimova M. V., Krushenko G. G. Analiz vozmozhnosti sozdaniya imitatora solnechnogo izlucheniya na osnove svetodiodnyh istochnikov dlya nazemnoj otrabotki kosmicheskih apparatov [Analysis of LED-based solar simulator development capability for spacecraft ground testing application]. Siberian Journal of Science and Technology, 2018, vol. 19, no. 2, pp. 271-280. (In Russian)
AIMAPATbl III_№ 1 (27) 2019
TEXHOJIOrMH B^HH TOM 3
m
' [6] Aslanyan R. O., Marchenko I. A., Anisimov D. I. Razrabotka kompaktnyh istochnikov izlucheniya solnechnogo
spektra [Designing small-sized solar spectrum thermal radiation sources]. MaterialyXXMezhdunarodnoj nauchnoj konferencii «Reshetnevskie chteniya» [Materials of the XX International Scientific Conference «Reshetnev Readings»]. JSC ISS-Reshetnev. Krasnoyarsk, 2016, pp. 436-437. (In Russian)
[7] Plita F. Optical design of a fully LED-based solar simulator. PhD thesis. Loughborough, Loughborough University, July 2015. 186 p.
[8] Bayneva I. I., Baynev V. V Opticheskie sistemy dlya svetodiodov [Optical systems for light-emitting diodes] // Photonics, 2016, no. 2, pp. 84-93. (In Russian)
[9] 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.
[10] Moiseyev M. A., Borisova K. V, Byzov E. V., Doskolovich L. L. Optimizacionnyj metod dlya rascheta TIR opticheskih ehlementov, vklyuchayushchijproceduru bystroj trassirovki luchej [Optimization method for computation
4° of TIR optical elements based on quick raytracing procedure] // Computer optics, 2013, vol. 37, no. 1, pp. 51-58. (In
Russian)
[11] Andreeva K. V., Moiseev M. A., Kravchenko S. V, Doskolovich L. L. Metod rascheta opticheskih ehlementov s poverhnost'yu svobodnoj formy, rabotayushchih po principu polnogo vnutrennego otrazheniya [Design of optical elements with TIR free-form surface] // Computer optics, 2016, vol. 40, no. 4, pp. 467-474. (In Russian)
[12] Doskolovich L. L., Borisova K. V, Moiseyev M. A. Raschet zerkala dlya formirovaniya zadannogo nepreryvnogo raspredeleniya osveshchennosti na osnove metoda soglasovannyh kvadrik [Design of a mirror for generating a prescribed continuous illuminance distribution based on the supporting quadric method]. Computer optics, 2015, vol. 39, no. 3, pp. 347-356. (In Russian)
[13] Bayneva I. I. Modelirovanie svetovyhpriborov vprogrammnom komplekse TRACEPRO [Modelling of light devices in the program complex TRACEPRO]. MaterialyXIII Vserossijskoj nauchno-tekhnicheskoj konferencii «Problemy i perspektivy razvitiya otechestvennoj svetotekhniki, ehlektrotekhniki i ehnergetiki» [Matherials XIII All-Russian Scientific Conference «Problems and perspectives of the development of domestic lightings, electronics and energy»]. AU «Tekhnopark Mordoviya». Saransk, 2017, pp. 202-208. (In Russian).
[14] Hecht E. Optics (5th Edition). Harlow, Pearson Education, 2017. 729 p.
[15] 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
[16] Dickey F. M., Holswade S. C., Shealy D. L. Laser Beam Shaping Applications. CRC Press, Taylor & Francis Group, 2005. 376 p.
