大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明属于空间环境地面模拟【技术领域】，公开了一种大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统，由N路氙灯投影光学系统组成；每路氙灯投影光学系统均包括一个氙灯组件、一个光学积分器和一个窗口镜，氙灯组件产生的光束进入光学积分器，经光学积分器对光束均匀性进行改善后，再经窗口镜导入至真空环境；N路氙灯投影光学系统包括N个主光轴，选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其按一定的光轴夹角进行分布。本发明采用多灯组合、多路氙灯投影光束复合的光学系统设计，实现了在真空环境试验条件下，不同辐照光斑尺度的太阳辐照环境模拟，尤其是大型发散式太阳光辐照环境模拟。
【专利说明】大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统
【技术领域】
[0001]本发明属于空间环境地面模拟【技术领域】，公开了一种大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统。
【背景技术】
[0002]飞行器在IOOkm以上高度轨道飞行时，其表面温度受到空间外热流影响较大。空间外热流是指飞行器在空间飞行时所受到的加热源，对于近地飞行器，外热流主要包括:太阳辐射(可见光辐射、近红外辐射和远红外辐射)、地球反射太阳辐射的能量和地球自身的红外辐射。为验证飞行器目标特性设计的合理性和正确性，需要在地面试验设备中，再现太阳辐照环境，模拟空间外热流，进行飞行器的目标特性测量试验。
[0003]太阳模拟器是模拟空间外热流环境的主要设备之一，能够较准确地模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性。国内外研制的太阳模拟器，其类型可以按辐照面积的尺寸分为大型(辐照面积直径大于4m)、中型(辐照面积直径在I?3m)和小型(辐照面积直径小于Im)三种。
[0004]太阳模拟器设计包括光学系统设计、机械结构设计、电控系统设计和冷却系统设计等部分，其中光学系统设计是其设计的关键，尤其是针对大尺度辐照光斑的大型太阳模拟器，其光学系统组成非常复杂，设计难度较大。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是提供一种采用多灯组合、多通道光路复合的太阳模拟器光学系统，实现真空环境试验条件下，辐照面积大、均匀性较好的发散式太阳光辐照环境模拟。
[0006]为实现上述目的，本发明提供的大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统，由N路氙灯投影光学系统组成；
[0007]每路氙灯投影光学系统均包括一个氙灯组件、一个光学积分器和一个窗口镜，氙灯组件产生的光束进入光学积分器，经光学积分器对光束均匀性进行改善后，再经窗口镜导入至真空环境；氙灯组件由M个带有聚光镜的氙灯组成，每个氙灯形成一路光束，选定其中一个氣灯光束的光轴为主光轴，其它氣灯与其以一定的光轴夹角进行分布；光学积分器位于氙灯组件光束的第二焦平面上；
[0008]N路氙灯投影光学系统包括N个主光轴，选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其按一定的光轴夹角进行分布。
[0009]优选的，所述光学积分器3由K个石英玻璃的光学透镜单元阵列组成。
[0010]优选的，所述大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统由5路氙灯投影光学系统组成，其中氣灯组件由5个带有聚光镜的氣灯组成,选定其中一个氣灯光束的光轴为主光轴，其它氣灯与其以10°光轴夹角进行分布，5路氣灯投影光学系统选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其以4.4°的光轴夹角进行分布；光学积分器由37个光学透镜单元阵列组成。[0011]本发明采用多灯组合、多路氙灯投影光束复合的光学系统设计，可以实现在真空环境试验条件下，不同辐照光斑尺度的太阳辐照环境模拟，尤其是大型发散式太阳光辐照环境模拟。
[0012]其中，采用5路(每路5个氙灯)氙灯投影光学系统组成的发散式太阳模拟器可以实现辐照光斑Φ5πκ辐照度0.7?1.3个太阳常数的大尺度太阳辐照环境的模拟。该光学系统设计冗余大，在满足系统辐照度最大设计要求的前提下，有3只灯的冗余，可作为热备份，提高了系统的可靠性；每路氙灯投影光学系统均具有独立工作能力，通过调整光学积分器配置，均可实现小尺度辐照环境模拟，具有很好的功能扩展能力。
[0013]本发明可使太阳模拟器整体系统复杂程度降低，系统的维护变得相对简单，并提高了系统的可靠性和功能扩展性。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1单路氙灯投影光学系统组成示意图；
[0015]图2 5路氣灯投影光学系统光路不意图；
[0016]图3 5组氙灯组件(共25只氙灯)布局图。
【具体实施方式】
[0017]本发明所述大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统由N路氙灯投影光学系统组成。如图1所示，每路氙灯投影光学系统均包括氙灯组件1、光学积分器2和窗口镜3。氙灯组件是光学系统的组合式光源，由M个带有聚光镜的氣灯组成,每个氣灯形成一路光束，选定其中一个氙灯光束的光轴为主光轴，其它氙灯与其以一定的光轴夹角进行分布，N路氙灯投影光学系统包括N个主光轴，选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其按一定的光轴夹角进行分布；光学积分器由K个石英玻璃的光学透镜单元阵列组成，光学积分器通过重叠成像方式改善光束的均匀性；窗口镜采用石英玻璃材料，具有承受高温辐射的能力，可将每路光束导入至真空环境。氙灯组件产生的光束依次经过光学积分器和窗口镜进入真空环境，并最终在真空环境受试面上形成辐照光斑，光学积分器位于氙灯组件光束的第二焦平面上，窗口镜尽量接近光学积分器，两者间的间距由窗口镜具体支撑结构决定。
[0018]上述结构中，取不同的N、M值可实现不同辐照度的模拟，取不同的K取值可实现不同辐照均匀性的模拟。
[0019]由于氣灯组件、光学积分器和窗口镜的关键参数具有一定的相关性，因此，在充分兼顾太阳模拟器高度限制和光学积分器口径的限制，需要通过多次仿真计算分析对光学系统参数进行优化以获得最优方案。
[0020]根据模拟不同尺寸太阳辐射光斑及辐照度的具体需求，可选用不同数量的太阳模拟器光学系统组成。针对光斑直径5m，辐照度为0.7?1.3个太阳常数的太阳模拟器，其光学系统采用5路氙灯投影光学系统。该光学系统的光路示意图见图2所示。
[0021]其中氙灯组件由5个带有聚光镜的氙灯组成，每一个氙灯光束经光学积分器后可形成发散角为15°的光路。选定其中一个氣灯光束的光轴为主光轴，其它氣灯与其以10°光轴夹角进行分布，5路氙灯投影光学系统选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其以
4.4°的光轴夹角进行分布；光学积分器由37个光学透镜单元阵列组成。[0022]1.1氙灯组件
[0023]氙灯组件由氙灯、聚光镜及其调整机构等组成，其作用是为太阳模拟器提供光源。光学系统包括5组氙灯组件，每组含5只氙灯，共25只氙灯，5组氙灯组件的布局见图3所示，每只氙灯光束间夹角为10°，5组氙灯组件可形成5路光束，光束主光轴间夹角为4.4°。5路光束经过叠加在真空试验环境的试验面形成Φ 5m辐照光斑，每组氙灯组件可独立控制，当5组氙灯组建同时工作时在试验面可满足0.7?1.3个太阳常数辐照强度模拟。
[0024]1.2光学积分器
[0025]光学积分器是使太阳模拟器产生均匀辐照的关键组件，每组氙灯组件对应一个光学积分器。每个光学积分器由两组37个光学透镜单元阵列组成。
[0026]1.3 窗口镜
[0027]氙灯组件和光学积分器放置在真空试验环境外，为了将光束引入真空试验环境，采用窗口镜同时起到通光和真空密封作用。每路光束对应一个窗口镜，窗口镜采用石英玻璃材料，具有承受高温辐射的能力。
[0028]从图2可以看出，通过调整每路光束的发散角，以及光学积分器与试验平面之间的距离可实现太阳辐照光斑尺寸大小的调节。
[0029]以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统，其特征是:由N路氙灯投影光学系统组成； 每路氙灯投影光学系统均包括一个氙灯组件(I)、一个光学积分器(2)和一个窗口镜(3)，氙灯组件(I)产生的光束进入光学积分器(2)，经光学积分器(2)对光束均匀性进行改善后，再经窗口镜(3)导入至真空环境；氙灯组件(I)由M个带有聚光镜的氙灯组成，每个氣灯形成一路光束，选定其中一个氣灯光束的光轴为主光轴，其它氣灯与其以一定的光轴夹角进行分布；光学积分器(3)位于氙灯组件(I)光束的第二焦平面上 N路氙灯投影光学系统包括N个主光轴，选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其按一定的光轴夹角进行分布。
2.如权利要求1所述的一种大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统，其特征是:所述光学积分器(3)由K个石英玻璃的光学透镜单元阵列组成。
3.如权利要求1所述的一种大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统，其特征是:所述光学系统由5路氙灯投影光学系统组成，其中氙灯组件由5个带有聚光镜的氙灯组成，选定其中一个氣灯光束的光轴为主光轴，其它氣灯与其以10°光轴夹角进行分布，5路氣灯投影光学系统选定其中一个作为中心光轴，其它主光轴与其以4.4°的光轴夹角进行分布；光学积分器由37个光学透镜单元阵列组成。
【文档编号】G02B27/09GK103744182SQ201310587082
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年11月19日 优先权日:2013年11月19日
【发明者】李亚男, 南华, 王景峰, 薛莲, 刘得成, 刘佳琪, 陈福泰, 龚俊利, 张燕民 申请人:北京航天长征飞行器研究所, 中国运载火箭技术研究院