CN103744182A - 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统 - Google Patents

大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统 Download PDF

Info

Publication number
CN103744182A
CN103744182A CN201310587082.XA CN201310587082A CN103744182A CN 103744182 A CN103744182 A CN 103744182A CN 201310587082 A CN201310587082 A CN 201310587082A CN 103744182 A CN103744182 A CN 103744182A
Authority
CN
China
Prior art keywords
xenon lamp
optical
optical axis
optical system
light beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201310587082.XA
Other languages
English (en)
Inventor
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
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Original Assignee
China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by China Academy of Launch Vehicle Technology CALT, Beijing Aerospace Changzheng Aircraft Institute filed Critical China Academy of Launch Vehicle Technology CALT
Priority to CN201310587082.XA priority Critical patent/CN103744182A/zh
Publication of CN103744182A publication Critical patent/CN103744182A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
  • Testing Resistance To Weather, Investigating Materials By Mechanical Methods (AREA)

Abstract

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。

Description

大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统
技术领域
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
飞行器在100km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。
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1～3m)和小型(辐照面积直径小于1m)三种。
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
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。
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；
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；光学积分器位于氙灯组件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。
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。
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，其中氙灯组件由5个带有聚光镜的氙灯组成，选定其中一个氙灯光束的光轴为主光轴，其它氙灯与其以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。
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。
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Φ5m、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。
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。
附图说明
图1单路氙灯投影光学系统组成示意图；
图2 5路氙灯投影光学系统光路示意图；
图3 5组氙灯组件(共25只氙灯)布局图。
具体实施方式
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个带有聚光镜的氙灯组成，每个氙灯形成一路光束，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。
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。
由于氙灯组件、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。
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。
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。选定其中一个氙灯光束的光轴为主光轴，其它氙灯与其以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。
1.1氙灯组件
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Φ5m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。
1.2光学积分器
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。
1.3窗口镜
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。
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。
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。

Claims (3)

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(1)、一个光学积分器(2)和一个窗口镜(3)，氙灯组件(1)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(1)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；光学积分器(3)位于氙灯组件(1)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，选定其中一个氙灯光束的光轴为主光轴，其它氙灯与其以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。
CN201310587082.XA 2013-11-19 2013-11-19 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统 Pending CN103744182A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310587082.XA CN103744182A (zh) 2013-11-19 2013-11-19 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310587082.XA CN103744182A (zh) 2013-11-19 2013-11-19 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN103744182A true CN103744182A (zh) 2014-04-23

Family

ID=50501214

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310587082.XA Pending CN103744182A (zh) 2013-11-19 2013-11-19 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103744182A (zh)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198383A (zh) * 2014-07-02 2014-12-10 北京卫星环境工程研究所 多光路近紫外模拟器
CN106018249A (zh) * 2016-05-20 2016-10-12 中国科学院国家天文台 一种用于近太阳空间热防护材料的测试系统
CN108591883A (zh) * 2018-04-28 2018-09-28 福建省中科生物股份有限公司 一种多光谱实现方法及装置
CN109473025A (zh) * 2018-12-27 2019-03-15 北京航天长征飞行器研究所 空间不同轨道高度光热耦合环境地面模拟装置及方法
CN109656083A (zh) * 2018-12-27 2019-04-19 北京航天长征飞行器研究所 采用复合制冷方式的太阳模拟器
CN109686215A (zh) * 2018-12-27 2019-04-26 北京航天长征飞行器研究所 阳光阴影光辐射快速切换装置及方法
CN111199676A (zh) * 2020-03-05 2020-05-26 北京环境特性研究所 一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法
CN115095818A (zh) * 2022-07-15 2022-09-23 北京环境特性研究所 一种远距离辐照太阳模拟器系统

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63128312A (ja) * 1986-11-19 1988-05-31 Hitachi Ltd ソ−ラシミユレ−タのミキサ−レンズ
US5568366A (en) * 1994-10-11 1996-10-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Compact solar simulator with a small subtense angle and controlled magnification optics
CN101561086A (zh) * 2009-05-21 2009-10-21 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种真空应用太阳模拟灯及其灯阵
CN102338323A (zh) * 2010-07-21 2012-02-01 上海太阳能工程技术研究中心有限公司 稳态太阳模拟器
CN103267248A (zh) * 2013-06-03 2013-08-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 离轴角29°～45°的大辐照面积环境试验用太阳模拟器装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS63128312A (ja) * 1986-11-19 1988-05-31 Hitachi Ltd ソ−ラシミユレ−タのミキサ−レンズ
US5568366A (en) * 1994-10-11 1996-10-22 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Compact solar simulator with a small subtense angle and controlled magnification optics
CN101561086A (zh) * 2009-05-21 2009-10-21 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种真空应用太阳模拟灯及其灯阵
CN102338323A (zh) * 2010-07-21 2012-02-01 上海太阳能工程技术研究中心有限公司 稳态太阳模拟器
CN103267248A (zh) * 2013-06-03 2013-08-28 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 离轴角29°～45°的大辐照面积环境试验用太阳模拟器装置

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104198383B (zh) * 2014-07-02 2017-04-26 北京卫星环境工程研究所 多光路近紫外模拟器
CN104198383A (zh) * 2014-07-02 2014-12-10 北京卫星环境工程研究所 多光路近紫外模拟器
CN106018249B (zh) * 2016-05-20 2019-03-22 中国科学院国家天文台 一种用于近太阳空间热防护材料的测试系统
CN106018249A (zh) * 2016-05-20 2016-10-12 中国科学院国家天文台 一种用于近太阳空间热防护材料的测试系统
CN108591883A (zh) * 2018-04-28 2018-09-28 福建省中科生物股份有限公司 一种多光谱实现方法及装置
CN109656083A (zh) * 2018-12-27 2019-04-19 北京航天长征飞行器研究所 采用复合制冷方式的太阳模拟器
CN109473025A (zh) * 2018-12-27 2019-03-15 北京航天长征飞行器研究所 空间不同轨道高度光热耦合环境地面模拟装置及方法
CN109686215A (zh) * 2018-12-27 2019-04-26 北京航天长征飞行器研究所 阳光阴影光辐射快速切换装置及方法
CN109656083B (zh) * 2018-12-27 2019-08-13 北京航天长征飞行器研究所 采用复合制冷方式的太阳模拟器
CN109686215B (zh) * 2018-12-27 2019-08-23 北京航天长征飞行器研究所 阳光阴影光辐射快速切换装置及方法
CN111199676A (zh) * 2020-03-05 2020-05-26 北京环境特性研究所 一种大口径高精度太阳模拟器总体设计方法
CN115095818A (zh) * 2022-07-15 2022-09-23 北京环境特性研究所 一种远距离辐照太阳模拟器系统
CN115095818B (zh) * 2022-07-15 2023-11-24 北京环境特性研究所 一种远距离辐照太阳模拟器系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103744182A (zh) 大尺度光斑发散式太阳模拟器光学系统
Abraham et al. The fluorescence detector of the Pierre Auger Observatory
CN104121992B (zh) 空间目标红外辐射全任务空域动态特性分析方法
CN105676671B (zh) 一种对日定向控制的半物理仿真测试系统
CN103486906B (zh) 一种激光、红外点源和红外成像的复合目标模拟器
CN105425394A (zh) 高能量高准直角太阳模拟器光学系统
CN105489262A (zh) 万向点光源模拟系统
CN103759222A (zh) 采用微透镜阵列作为扩束元件的四个干扰光路红外干扰模拟系统
CN105469837A (zh) 激光聚变背向散射光束模拟装置
CN106289318A (zh) 一种高轨大口径光学遥感器入光口外热流模拟方法
Rulten et al. Simulating the optical performance of a small-sized telescope with secondary optics for the Cherenkov Telescope Array
CN104677406B (zh) 多波段运动目标模拟器
CN103984094B (zh) 一种光学系统热性能仿真方法
CN106291513A (zh) 卫星激光角反射器阵列热真空试验系统及方法
CN103884357B (zh) 大视场双波段动态目标与干扰源模拟装置
Gutiérrez et al. The 4 m New Robotic Telescope Project: An Updated Report
CN108106494A (zh) 一种应用像方远心光路的中波红外目标模拟系统
CN103791275B (zh) 一种大面积平行光模拟器
CN205451801U (zh) 万向点光源模拟系统
Grinyuk et al. The method and results of measurement of the optical parameters of the UHECR detector for the TUS space experiment
CN104280994A (zh) 一种序列激光阴影照相系统的光束空间调整装置
Iovenitti Astrometry techniques for the calibration of the ASTRI telescope with the Variance method
Caballero-García et al. Prompt emission analysis of luminous GRB 210619B observed with Fermi and ASIM: a transition between thermal to non-thermal outflow? arXiv e-prints
CN108168701B (zh) 用于集束打靶激光的全孔径背向散射光测量系统
Tkachenko et al. TUS Fresnel mirror production and optical parameters measurement

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20140423