大型太阳模拟器水平点燃灯单元阵列及其排布和支撑方法与流程

本发明属于空间环境模拟技术领域，具体涉及一种用于模拟空间太阳模拟器水平点燃灯单元阵列的排布和支撑方法。

背景技术：

空间飞行器在太空中运行时，严峻的空间环境对其正常工作构成重大威胁。其中以太阳辐照环境、冷黑环境和真空环境的影响最严重，会影响到航天器的热性能、电性能、力学性能及有效载荷的性能，其中太阳辐照的影响是最大的。太阳能模拟器能模拟太阳能辐照的准直性和空间辐照均匀性及光谱特性，模拟精度高。因此，随着航天事业的发展，对大口径太阳模拟器以及高辐照太阳模拟器的需求越来越多，采用几个甚至几十个灯单元阵列的设计也越来越多。

km6太阳模拟器是探月三期研制保障条件项目，是配备在km6空间环境模拟器上的辐照面直径5000mm、氙灯水平点燃并水平入射的离轴准直型太阳模拟器，是国内首个运用几十个灯单元的大型太阳模拟器。在太阳模拟器灯单元排布方面，如何实现灯单元阵列的排布和支撑来同时满足支撑氙灯、支撑聚光镜、支撑氙灯，且使得氙灯发出的光经聚光镜反射后汇聚于积分器通光口径内，阵列之间互不干涉，以保证大型太阳模拟器安全可靠运行是本发明所要解决的技术问题。

灯单元排布，包括氙灯水平点燃方式和氙灯垂直点燃方式。如果采用氙灯垂直点燃水平入射，则必须增加反射镜将垂直光束反射成水平光束，增加了成本以及设备的复杂性。若氙灯水平点燃时，灯单元之间的距离过小，会造成灯单元之间的相互干涉，若灯单元之间的距离过大，则会造成球封头尺寸过大，重量过重，增加成本及施工难度。

现有技术中公开的灯单元阵列没有经过有效优化，具体排布方式并不能精确地保证灯彼此之间的干扰，而此次对灯单元阵列进行了有效的优化，确定灯单元之间的距离(其中，由于受聚光镜本身大小的影响，此处聚光镜的距离不是指的聚光镜的中心距离，而是指聚光镜大端开口边缘之间的距离)，并且每个灯单元中心的坐标进行了具体的定义，即满足灯单元之间独立支撑，独立拆装，互不干涉，又不致于球封头直径过大，重量过重，造成额外的成本以及负担。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种大型太阳模拟器水平点燃灯单元阵列及其排布和支撑方法，解决了大型太阳模拟器水平点燃灯单元阵列的排布、定位、支撑、互不干涉等问题，保证大型太阳模拟器安全可靠运行。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

大型太阳模拟器水平点燃灯单元阵列，其中，大型太阳模拟器水平点燃灯单元阵列由球封头和若干灯单元组成，若干灯单元通过灯单元支撑机构固定在球封头中，灯单元包括阳极接线柱、聚光镜、氙灯、三维调节机构、z形支架、阴极支撑及阳极支撑，其中，阳极接线柱与氙灯的阳极电连接，氙灯固定在聚光镜中间，氙灯中的阳极固定连接在阳极支撑上，氙灯中与阳极相对设置的阴极支撑在阴极支撑上，三维调节机构的顶部支撑有z形支架一侧的水平面一，水平面一上通过竖杆固定设置有阴极支撑，z形支架另一侧的水平面二上固定设置阳极支撑，灯单元支撑机构为框架结构，由四根支撑杆穿过聚光镜固定在球封头上，支撑结构的框架底面螺接有三维调节机构的固定板，以安装三维调节机构；三维调节机构能够进行三维方向的调节，带动氙灯进行三维位置移动；

其特征在于：球封头内均匀设置有多个聚光镜安装面，所述聚光镜安装面为平面，且所有聚光镜安装面到球封头球心的垂直距离都相等；球封头等间距分布有多个通光孔，且所有通光孔的中心线垂直于聚光镜安装面，且汇聚于一点，即球心处。

进一步地，聚光镜的六个边进行了削边处理，将聚光镜的外轮廓定义在正六边形之内，这样，所有排布中的聚光镜之间的间距减小为30mm。

进一步地，正六边形的高为480mm。

其中，多个聚光镜安装面的中间为一个灯单元，以其为圆心的第二圈灯单元为6个，依次类推向外扩展，每个灯单元和相邻灯单元的间距相等，都为30mm。

每个聚光镜安装面中心点的坐标定义：以球封头的球心o作为坐标原点，以中心聚光镜安装面中心点o1和球心o的连线作为z轴，建立如下的三维坐标系。

式中：

l——第i个聚光镜安装面中心点m距中心聚光镜安装面中心点o1的距离；

f——球心o点到第i个聚光镜安装面的垂直距离；

φi——第i个聚光镜安装面中心点m在xy平面的投影为n，on与x轴的夹角。因此，(f,θi,φi)就定义了球封头上灯单元的排布坐标，确定了灯单元的排布方法。

其中，总共包括37个聚光镜时，每个聚光镜的安装面到球心的垂直距离f＝6799mm,θi,φi分别如下表所示：

水平点燃灯单元包括氙灯、聚光镜及氙灯调节机构(申请号2013106311368的专利中提及的)。灯单元包括阳极接线柱、聚光镜、氙灯、三维调节机构、z形支架、阴极支撑及阳极支撑，其中，z形支架两端分别安装有阴极支撑和阳极支撑，氙灯安装在阴极支撑和阳极支撑之间。在z形支架的下面安装有氙灯三维调节机构，通过三维调节机构可以实现氙灯的三维调节。

灯单元支撑机构为框架结构，由四根支撑杆穿过聚光镜固定在球封头上，支撑结构的框架底面安装有三维调节机构的固定板，支撑着氙灯以及氙灯的三维调节机构。

本发明圆满解决大型太阳模拟器多个甚至几十个灯单元阵列的排布和支撑问题，具有以下优点：

1、具有结构紧凑，聚光效率高，占用空间小；

2、每个灯单元相互独立，保证每个灯单元独立安装、独立调试、独立维修等；

3、解决了太阳模拟器灯单元的光、机、电问题。光是指氙灯的聚光问题，机是指灯单元的支撑和排布问题，电是指氙灯的供电问题。

附图说明

图1a为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的球封头主视图；

图1b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的球封头侧视图；

图2为聚光镜安装面中心点的坐标示意图。

图3a为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中使用的灯单元结构主视图；

图3b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中使用的灯单元结构侧视图；

图4a为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列的主视图；

图4b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列的俯视图；

其中：1、阳极接线柱，2、聚光镜，3、灯单元支撑结构，4、氙灯，5、三维调节机构，6、z形支架，7、球封头，41、球封头；42、灯单元。

图5a为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的聚光镜边缘截面形成正六边形的示意图；

图5b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的聚光镜阵列中各孔的分布示意图。

具体实施方式

以下介绍的是作为本发明所述内容的具体实施方式，下面通过具体实施方式对本发明的所述内容作进一步的阐明。当然，描述下列具体实施方式只为示例本发明的不同方面的内容，而不应理解为限制本发明范围。依据太阳模拟器的光学设计参数，确定球封头的半径、球封头开口直径、通光孔直径和灯单元的间距，根据球封头的强度刚度分析，确定球封头的厚度。球封头作为水平点燃灯单元阵列安装的基准，每个聚光镜安装面中心点的坐标有严格的定义。球封头满足以下要求：一、所有聚光镜安装面为平面，且所有安装面到球心的垂直距离都相等；二、所有通光孔的中心线垂直于聚光镜安装面，且汇聚于一点，即球心处；三、所有通光孔等间距分布。

图1a和1b分别为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的球封头主视图和侧视图。球封头为大口径的球封头，它是聚光镜阵列中重要部件之一，它承载着大量灯单元。球封头精度高、刚度好，保证大量灯单元高效率聚光。

图2是聚光镜安装面中心点的坐标示意图，每个聚光镜安装面中心点的坐标定义：以球封头的球心o作为坐标原点，以中心聚光镜安装面中心点o1和球心o的连线作为z轴，建立如下的三维坐标系。

式中：l——第i个聚光镜安装面中心点m距中心聚光镜安装面中心点o1的距离；f——球心o点到第i个聚光镜安装面的垂直距离；φi——第i个聚光镜安装面中心点m在xy平面的投影为n，on与x轴的夹角。因此，(f,θi,φi)就定义了球封头上灯单元的排布坐标，确定了灯单元的排布方法。

其中，在一个优选的实施例中，共包括37个聚光镜，每个聚光镜的安装面到球心的垂直距离f＝6799mm,θi,φi分别如下表所示：

图3a和图3b分别为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中使用的灯单元结构主视图和侧视图，该灯单元结构包括：阳极接线柱1，聚光镜2，灯单元支撑机构3，氙灯4，三维调节机构5，z形支架6，阴极支撑及阳极支撑等，其中，阳极接线柱1与氙灯4的阳极电连接，氙灯4固定在聚光镜2中间，氙灯4中的阳极固定连接在阳极支撑上，氙灯4中与阳极相对设置的阴极支撑在阴极支撑上，三维调节机构5的顶部支撑有z形支架6一侧的水平面一，水平面一上通过竖杆固定设置有阴极支撑，z形支架6另一侧的水平面二上固定设置阳极支撑，灯单元支撑机构为框架结构，由四根支撑杆穿过聚光镜2固定在球封头上，支撑结构的框架底面螺接有三维调节机构5的固定板，以安装三维调节机构5，三维调节机构5能够进行三维方向的调节，带动阳极、阴极和氙灯进行三维位置移动。

氙灯水平点燃灯单元支撑结构采用框架型，如图3a所示。同时四个角处螺接有4个长螺杆，4个长螺杆的位置和聚光镜上的4个安装孔以及球封头上的4个安装孔位置重合，这样设计的目的是将灯单元支撑结构安装在球封头上的同时，加固了聚光镜在球封头上的安装。框架型支撑结构的底面有安装板，用于安装氙灯的三维调节机构。

图4a和4b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列的主视图和俯视图。该大型太阳模拟器聚光镜阵列由球封头41和37个以上的灯单元42组成，37个以上的灯单元42固定在球封头41上。每个灯单元通过2个螺栓、4个支撑杆、6个螺母固定在球封头42上,其中,4个支撑杆、2个螺母也同时把灯单元的调节机构、聚光镜和球封头固定在一起固定。大型太阳模拟器聚光镜阵列有效地解决了大功率氙灯高效聚光、定位、调节及冷却等，保证了大型太阳模拟器聚光镜阵列的安全可靠运行。为了大型太阳模拟器聚光镜阵列的高效聚光，还需要对聚光镜的面型、结构及球封头等进行优化设计。

参见图5a，图5a显示了为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的聚光镜边缘截面形成正六边形的示意图；由图中可以看出，聚光镜的安装面为外径506mm，内径460mm的一个环形，环形的单边径向尺寸为23mm。若聚光镜一个挨一个排布，则聚光镜之间的间距为46mm，考虑到间距46mm，会增大球封头的尺寸和重量。因此，将聚光镜的六个边进行了削边处理，将聚光镜的外轮廓定义在高为480mm的正六边形之内，这样，聚光镜之间的间距可以减小为30mm。既保证了安装空间，又互不干涉。根据设计经验，30mm为灯单元阵列排布时聚光镜之间的最小距离。如果小于30mm，会造成灯单元之间的互相干涉。

其中，图5b为本发明的大型太阳模拟器聚光镜阵列中的聚光镜阵列中各孔的分布示意图。中间一个灯单元，第2圈为6个灯单元，依次类推，每个灯单元和相邻灯单元的间距相等，都为30mm。以中心几个灯单元的排布来具体说明，直径460mm的孔为通光孔，直径40mm的孔为阳极接线柱1穿墙孔，62mmx25mm的方形孔为z形支架6穿墙孔，6个直径11mm的孔为聚光镜及灯单元支撑结构的安装孔。

在安装时首先将聚光镜安装于球封头的聚光镜安装面上，用上下两个螺栓固定，然后将安装有氙灯调节机构的框架型灯单元支撑结构装在球封头上。灯单元支撑结构可以达到以下几个目的：一、灯单元支撑结构的四个长螺杆先穿过聚光镜安装孔、再穿过球封头安装孔，用螺母固紧。利用聚光镜上4个安装孔和球封头上安装孔的一致性，即让灯单元支撑结构在球封头上有了生根处，同时加固了聚光镜。二、氙灯及三维调节机构安装在灯单元支撑结构上。通过灯单元支撑结构完成了单个灯单元的安装，然后依此方式完成所有水平点燃灯单元的支撑。

其中具体安装过程包括以下步骤：

首先，调节球封头中心轴线和太阳模拟器系统光轴重合，然后固定球封头的位置。

单个灯单元的实施方式如下：

1)先将氙灯三维调节机构(拆除阳极支撑杆，待灯单元支撑结构和球封头安装后再装阳极支撑杆)安装在灯单元支撑结构上。

2)在球封头上安装聚光镜，并用上下两个螺栓将聚光镜与球封头固定。

3)将装有氙灯三维调节机构的灯单元支撑结构的4个长螺杆依次穿过聚光镜安装孔、球封头安装孔，并用螺母固紧。

4)安装氙灯的阳极支撑杆。

5)安装氙灯。

按上述的5个步骤完成了单个灯单元的安装，其余灯单元的安装也以此进行，直至完成所有灯单元的安装，一个灯单元的阵列就此完成。

尽管上文对本发明的具体实施方式进行了详细的描述和说明，但应该指明的是，我们可以对上述实施方式进行各种改变和修改，但这些都不脱离本发明的精神和所附的权利要求所记载的范围。