用于空间环境模拟的太阳模拟器

高度准直的菲涅尔太阳模拟器，用于空间环境模拟

太阳模拟器设计为产生高度准直的光，并被开发为在真空室内运行。

客户需求

Highly collimated Fresnel Solar simulator for space environment simulation

The solar simulator was designed to produce highly collimated light and was developed to operate inside a vacuum chamber.

为一家太空机构提供太阳光模拟器，以定制设计一种能够放置在真空室内的大功率准直太阳模拟器。该太阳能模拟器将成为一个更大的系统的一部分，该系统旨在在受控实验室中模拟地球外环境。

目标区域：直径36厘米的圆形照明区域

工作距离：距太阳模拟器出口面30厘米

光谱匹配：AM0光谱匹配（ASTM标准地球仪光谱）

照射目标：1400W / m ²

空间不均匀度：±5％（根据ASTM E927-05）

时间稳定性：±2％（根据ASTM E927-05）

构思和设计系统

光学设计与实现

开发了许多射线追踪模型来评估所提出的太阳模拟器设计的光学特性。经过多次迭代，提出了合适的光学设计以达到要求的规格。 

光线路径模拟可为太阳模拟器的输出获得高准直度

发展历程

实现准直角

在系统的核心，一个2.5 kW的氙弧灯被用来收集带有球形后反射器的灯罩的光。准直角是通过包含菲涅耳透镜系统的复杂光学组件获得的。

通过测量穿过放置在反射镜焦平面上的各种尺寸的孔径的光功率的大小，可以确定模拟光线的准直角。

当从太阳模拟器发出的光在非常薄的石英板（表面反射率为4％）上以45°反射时进行。从石英板反射的光被具有已知焦距的镀铝球面镜后向反射。将尺寸从1.5毫米到15毫米的光圈放置在球面镜的焦平面上，并使用NIST可追踪硅探测器测量通过光圈出射的光功率。

使用菲涅尔透镜系统进行的测试，以达到所需的高准直度

可接受的准直定义为落入0.7度准直半径内的光功率的> 50％。通过这种光学设计，我们能够在准直角的±0.7度内获得超过80％的光功率。

系统的准直测量显示在±0.7度内的光功率> 80％

实现真空兼容性

为了将太阳能模拟器安装在真空室内，要求其具有防泄漏功能。真空兼容的太阳能模拟器外壳是由我司工程师设计的。冷却液和电气组件的外壳穿通孔专门为确保真空兼容而设计。太阳能模拟器的壁和外壳由SAE 304不锈钢制成，并进行了电抛光。太阳能模拟器外壳是由专业的真空系统工程公司专门制造的，并保证通过密封的*低灵敏度为2X10 -10 cc / sec的质谱仪检漏仪进行密封测试。

前部光学输出使用了直径为15英寸（15英寸）的石英窗口。采购了高质量的压力窗口以制造此光学输出窗口。

将太阳模拟器的外壳超压*2个大气压，并监控12小时以检查是否存在任何潜在泄漏。

前部光学输出使用了直径为15英寸（15英寸）的石英窗口。窗口尺寸是研究和计算的结果。采购了高质量的压力窗以制造光学输出窗。

 将太阳模拟器的外壳超压*2个大气压，并监控12小时以检查是否存在任何潜在泄漏。

开发与测试

实现系统的温度稳定性

以下是*终用户对系统温度进行维护的要求。

l  太阳模拟器的灯封必须保持在230°C以下。但是，当将太阳模拟器放置在真空室内时，无法执行传统的强制空气冷却。

l  传统上与这种类型的模拟器一起使用的菲涅耳光学元件必须保持在80°C以下的温度下。

l  灯壳需要一些冷却，这只能通过使空气或气体流过灯壳来完成。

测试温度稳定性

*好的方法是建造一个压力容器以容纳模拟器和光学器件。压力容器允许将冷液体泵入腔室，并引导*一系列散热器，这些散热器通过穿过散热器的强制空气在腔室内进行热传递。用装满去离子水的水循环器冷却灯座的阳极和阴极。

致力于为复杂的工程问题提供解决方案，因此我们专门建造了一个测试室来执行这些冷却实验。在建立成功的冷却系统之前，我们经历了一系列失败的原型，烧坏的灯和电源。

控制电子设备经过专门设计，可与太阳能模拟器集成在一起。内置了内部系统温度传感器和冷却液流量传感器，以在任何组件发生故障时保护系统。温度传感器也放置在外壳内部的两个不同位置，以监控内部空气温度。

另一个温度传感器用于监视用于冷却灯头的再循环器中水浴的温度。

万一灯座或外壳内部出现过热情况，可使用逻辑电路关闭灯。逻辑电路用于设置温度点并控制继电器，以防在发生过热事件时切断灯的电源。