Key technologies for large-scale vertical collimation solar simulator development
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摘要:
针对立式容器结构的综合辐照舱对太阳辐照环境模拟的需求，研制了一套大型立式太阳模拟器，其采用了立式离轴准直型光学系统，能够精准模拟满足辐照度、辐照均匀性、准直性和太阳光谱分布的空间太阳辐照环境。在设备研制过程中，完成了大型立式离轴光机结构设计、结构变形影响分析、大尺寸单体金属镜加工、准直镜柔性支撑设计、集成冷却设计和氙灯快速装校等关键技术研究。大气环境和真空低温环境下的测试结果表明，该太阳模拟器实现了在真空低温环境下辐照面ϕ1000 mm，辐照度2.3个太阳常数（最高可扩展至5个太阳常数），面辐照不均匀度±4.86%，准直角±1.83°的光学指标。
Abstract:To meet the requirements for simulating the solar irradiation environment in the integrated irradiation chamber with a vertical structure, a large-scale solar simulator was developed, in which a vertical off-axis collimation optical system was used. This solar simulator may closely simulate the space solar irradiation environment satisfying the irradiance, irradiation uniformity, collimation and solar spectral distribution, etc. In the development of the solar simulator, key technologies have been completed, including the design of a large-scale vertical off-axis optical-mechanical structure, analysis of structural deformation effects, processing of large-sized individual metal mirror, flexible support design for the collimation mirror, integrated cooling design, as well as quick assembly and adjustment of xenon lamp. The test results under both atmospheric environment and vacuum cryogenic environment show that the solar simulator has achieved the optical indicators of irradiation surface with a diameter of 1000 mm, irradiance of 2.3 solar constants (expandable up to 5 solar constants), surface irradiation non-uniformity of ±4.86%, and collimation angle of ±1.83°.
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0. 引言
综合辐照舱是国家重大科技基础设施“空间环境地面模拟装置”中的重要分系统，主要用于模拟真空、高低温/热循环、带电粒子（电子、质子）辐射、电磁（太阳紫外）辐照等特殊空间环境。太阳模拟器是综合辐照舱的重要组成部分，也是最为准确的太阳辐射模拟手段，可为综合辐照舱提供稳定且可重复的太阳电磁辐射条件，用于航天器位姿标定、真空热环境试验、太阳电池板性能测试评估以及材料和器件的老化试验等。
国外如美国、欧洲、俄罗斯等均研制了航天器热试验用大中型太阳模拟器[1]，典型设备包括最早从1960年开始研制并陆续进行升级改造的美国JPL的ϕ6000 mm光斑SS15B立式太阳模拟器[2]、1983年欧空局ESTEC建成的ϕ6000 mm光斑卧式太阳模拟器[3]、1989年日本NASDA建成的ϕ6000 mm光斑卧式太阳模拟器等[4]。这些卧式或立式构型的主流大中型太阳模拟器均建成于20世纪后半叶且应用技术成熟度高，之后再未见有新的大中型太阳模拟器。我国的大中型太阳模拟器建造较晚，典型设备有北京卫星环境工程研究所于2019年研制成的ϕ5000 mm光斑KM6卧式太阳模拟器[5]、于2017年和2018年分别研制成的ϕ2000 mm光斑的KM3E和Y1H卧式太阳模拟器等[6-7]，其主要光学性能指标已经达到国际同类水平。但相比于国外大中型太阳模拟器的研制和成熟应用[8-10]，我国还有较大差距：太阳模拟器主要以卧式构型为主，缺乏大口径的立式太阳模拟器；在航天器的热试验应用上还处于起步阶段。立式太阳模拟器的主要光学性能指标虽然与卧式构型的基本一致，但是立式太阳模拟器的垂直太阳光束输出能够满足航天器在不同太阳入射角度下的环境试验需求，其准直镜等光机结构更为复杂、系统整体装校难度更大。
针对综合辐照舱立式容器研制以及航天器热试验工况设计的应用需求，研制了国内目前光斑尺寸最大的立式太阳模拟器。本文主要介绍该太阳模拟器光学系统的设计以及其研制过程中的关键技术。
1. 立式太阳模拟器工作原理和组成
太阳模拟器所在的综合辐照舱采用立式容器的总体构型，因此配套的太阳模拟器也采用立式构型，由此导致太阳模拟器结构相较于水平入射太阳模拟器发生较大变化，也引出对单块大尺寸准直镜等新部件的研制需求。为此，设计了氙灯倾斜点燃入射的立式离轴准直光学系统：选用光谱分布接近太阳光谱的大功率短弧氙灯作为光源，将电能量转换为光通量，通过合适的准直光学系统，将光源发出的光线经过汇聚、匀光，形成模拟太阳辐照特性的准直光束投射到试验面上。太阳模拟器（如图1所示）由光机结构（含灯室组件、光学窗口和准直镜组件）、冷却系统及测控系统等组成。其中：灯室组件用于提供满足能量要求的均匀发散光束，包括氙灯、聚光镜、积分器和灯室结构等部件；光学窗口用于将辐照光束透射进入真空容器内，并起到真空密封作用；准直镜组件用于将由灯室组件出射的光束进行准直，并平行出射到试验空间上；冷却系统用于太阳模拟器的冷却，包括风冷组件和水冷组件；测控系统用于太阳模拟器的具体操作和控制等。
2. 光学系统设计
太阳模拟器采用离轴准直型光学系统。首先由3只10 000 W短弧氙灯发出的光经椭球形聚光镜阵列汇聚并反射到聚光镜第二焦面；再由积分器中的场镜和投影镜将聚光镜第二焦面处的辐照分布进行分割、叠加，形成较为均匀的辐照面；然后通过光学窗口透射至准直镜反射面进行准直并平行反射到试验空间。太阳模拟器属于复杂的照明光学系统，在设计时以提高参考辐照面上的辐照均匀性和提高系统能量利用率为首要目标，根据光学系统的光瞳衔接原理和拉格朗日定理[11-13]进行了太阳模拟器的光学系统初步设计，得到主要光学参数如表1所示。
表 1 太阳模拟器光学参数（初步设计）Table 1. Optical parameters of the solar simulator (preliminary design)序号 名称 曲率半径/mm 有效口径/mm 间距/mm 1 聚光镜 157.706（顶点） 460（出射端开口） 5327 1450（聚光镜阵列） 5282 2 场镜前表面 79.846 310（45 mm×37） 15 3 场镜后表面 ∞ 310（45 mm×37） 149.5 4 投影镜前表面 ∞ 310（45 mm×37） 15 5 投影镜后表面 -73.873 310（45 mm×37） 120 6 光学窗口前表面 ∞ 500 55 7 光学窗口后表面 ∞ 500 4270 8 准直镜 8890 1600 5200 通过Light Tools光学软件对经过初步光学参数计算的太阳模拟器进行三维建模和优化计算，得到太阳模拟器最终三维模型如图2所示。
通过蒙特卡罗光线追迹算法，得到太阳模拟器在参考辐照面上的辐照度分布，如图3所示。此时3只氙灯均处于额定满功率工作状态下，在ϕ1000 mm参考辐照面上，辐照度能够达到3274 W/m2，约为2.42个太阳常数，辐照不均匀度为±3.34%。
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图 3 参考辐照面上的辐照分布仿真结果（2个太阳常数）Figure 3. Simulation of irradiation distributions on the reference surface when SC=2另外，在进行光学系统设计时，预留了氙灯阵列的扩展能力，可以在灯室组件内增加氙灯数量至7只，结合相应的配套设备扩展改造，从而可实现辐照度5个太阳常数的扩展能力。扩展前后氙灯阵列排布方式如图4所示。对7只氙灯模型进行光学仿真分析，得到参考辐照面上的辐照度分布如图5所示，在ϕ1000 mm参考辐照面上，辐照度能够达到7685 W/m2，约为5.68个太阳常数，辐照不均匀度为±3.43%。
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图 5 参考辐照面上的辐照分布仿真结果（5个太阳常数）Figure 5. Simulation of irradiation distributions on the reference surface when SC=53. 研制关键技术
3.1 结构变形影响分析
光机结构中的灯室组件处于大气环境下，因此整个光路环境保持不变；而准直镜组件和容器锥筒的空间位置可能由于真空容器工作环境的变化而改变，导致光路发生变化，进而影响到太阳模拟器到达参考辐照面上的光学性能，因此需要对真空容器发生变形对太阳模拟器性能的影响进行仿真分析。采用PATRAN软件进行有限元分析（FEA），得到容器最大位移为1.77 mm，出现在容器顶部辅筒侧壁的大开口处，如图6所示。
准直镜组件安装在容器辅筒顶部位置，通过对该位置处的位移分析，由图6可以看到整体位移均匀，且均≤0.6 mm。按照准直镜一端位移，另一端不变的极端情况考虑，0.6 mm的位移量约等于0.021°，即准直镜会由于安装筒体的变形导致0.021°的倾斜。另外，在锥筒连接处的位移量最大，约为1.77 mm，可能导致锥筒整体发生倾斜，在锥筒端面的光学窗口处可能倾斜0.034°。因此分别针对准直镜和光学窗口倾斜情况进行仿真分析，计算得到变形后的太阳模拟器光学性能如表2所示。根据分析结果，真空容器变形导致的太阳模拟器准直镜组件和光学窗口发生倾斜不会影响太阳模拟器的光学性能。
表 2 容器变形对太阳模拟器光学性能的影响仿真分析Table 2. Simulation analysis of the influence of vacuum chamber deformation on the optical performance of solar simulator技术指标 辐照度/(W·m-2) 面辐照不均匀度/% 容器未变形 3274
（2.42个太阳常数）±3.34 容器变形导致
准直镜倾斜3271
（2.42个太阳常数）±3.38 容器变形导致
光学窗口倾斜3283
（2.43个太阳常数）±3.52 3.2 大口径金属镜加工
针对太阳模拟器的立式结构，综合考虑真空容器辅筒空间利用率、设备整体安全性和可靠性等因素，准直镜采用了单块整镜通过光学加工而成。单块整镜有效口径为ϕ1600 mm，外径1640 mm，曲率半径8890 mm，采用6061 T6铝合金材料，总质量为272.5 kg。准直镜背面开有18处扇形区域，起到减轻整体重量作用，同时作为背部加热片的安装区域。准直镜外圈有12处辐射状加强筋可以提高整体强度。准直镜采用先进工艺进行加工，其工艺流程如图7所示，加工情况如图8所示。
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图 8 加工过程中和安装就位后的准直镜Figure 8. Collimation mirror during processing and after installation3.3 准直镜柔性支撑设计
准直镜组件安装在综合舱顶部辅筒内，采用了刚柔相结合的多点支撑技术[14]以有效减小镜面重力变形。准直镜组件由准直镜和支撑结构两部分组成（如图9所示），其中，支撑结构采用了钢丝杠杆吊装机构，通过调整配重块位置，能够精确控制支撑点作用力。
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图 9 准直镜组件示意和钢丝杠杆吊装机构Figure 9. Schematic of collimation mirror assembly and lifting mechanism of steel wire carrying rod针对太阳模拟器工作时的高辐照度环境，准直镜采用了热沉冷桥降温与加热片加热相结合的恒温控制方式[15]。准直镜背面安装有19根导热索作为热沉冷桥。首先采用Thermal Desktop软件进行热仿真分析，在只考虑太阳光入射和热沉冷桥降温条件下，准直镜温度不均匀度小于±1.7 ℃，则加上加热片主动控温后，准直镜温度能够控制在最佳温度范围内；真空低温试验数据显示，太阳模拟器工作状态下的准直镜温度可控制在(25±1) ℃范围内，温度均匀性数据与仿真结果高度一致。进而将温度分布数据代入到准直镜模型中，采用ANSYS软件进行形变分析，无主动控温下的温度分布和变形情况如图10所示。最后，将准直镜变形后的形面数据代入到光学仿真软件中进行光学性能分析。通过热−力−光学耦合分析，证明准直镜形面在真空低温环境下能够保持稳定，满足整体光学指标设计要求。
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图 10 准直镜温度仿真和有限元分析结果Figure 10. Temperature simulation and FEA results of collimation mirror3.4 集成冷却系统设计
冷却系统采用一体模块化设计，将风冷组件和水冷组件集成至集成机箱内，如图11所示。集成机箱内包括风机、换热器、过滤器、风量调节阀和冷却管路等器件，通过相应的冷却管路与太阳模拟器主体结构连接，整体通道为密闭设计。当冷却系统工作时，冷却气体经风机加压后再通过换热器与冷却水进行热量交换，其温度降低到设计值；然后经过过滤器过滤进入光学设备内部，从光学设备内流出的高温气体再返回风冷组件形成闭式循环。该冷却系统可以采用气氮或干燥空气作为冷却气体介质，冷却气体在管道内密闭循环，系统集成度高、温度稳定性好并且受现场环境影响小。
对采用集成冷却系统的灯室组件内部流场进行有限元分析，得到氙灯局部风速分布如图12所示。结果表明，氙灯泡壳周围风速＞17 m/s，满足氙灯正常工作使用要求。
3.5 氙灯快速装调技术
太阳模拟器的装调以由真空容器主轴和太阳模拟器灯室组件出射光轴组成的两根光轴为装配基准，按照光路设计参数及给定的装配误差分配，依次对氙灯、聚光镜、积分器和准直镜组件等光学器件进行位置精密装配和调节；最后在氙灯工作状态下，根据参考辐照面上的辐照度和辐照均匀性等实时测量数据，对各光学器件进行精密调整，最终获得满足指标要求的太阳模拟器。在太阳模拟器装调过程中，采用与氙灯光源的配光曲线分布接近、且外形尺寸和安装方式一致的LED模拟光源代替氙灯进行三维调节机构的粗调以及系统预联调，如图13所示。将模拟光源安装到氙灯的三维调节机构处，点亮模拟光源，根据接收屏处的光斑调整三维调节机构。采用该氙灯快速装调技术减少了氙灯装调损耗，提高了装调效率。
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图 13 模拟灯调节过程和正式氙灯装调结果Figure 13. Simulated lamp adjustment process and real xenon lamp adjustment result4. 性能测试及真空低温试验
在太阳模拟器真空低温试验前，进行了大气环境下的光学性能测试（如图14所示）。测试方法依据太阳模拟器光学参数测量方法的国家军用标准进行[16]，测试参数包括辐照度、参考辐照面上和辐照体上的辐照不均匀度、1 h的辐照不稳定度、光束准直角和光谱分布。辐照均匀性测量结果如图15所示，其中：黑色圆框为ϕ1000 mm有效辐照范围，右上角光斑缺口为测试中容器内其他探头遮挡导致。经比较，实测辐照分布图与仿真结果一致，均为椭圆形光斑分布。光谱分布如图16所示。对于大中型太阳模拟器，由于所采用的氙灯光谱与太阳光谱高度相似，因此对氙灯光谱再进行修正不是必需项，本太阳模拟器也直接采用了未修正的氙灯光谱。
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图 14 太阳模拟器光学性能测试现场Figure 14. Test site for optical performance measurement of the solar simulator![]()
图 15 太阳模拟器辐照分布实测结果Figure 15. Test results of irradiation distributions on different irradiation surfaces of the solar simulator大气环境下太阳模拟器总体性能参数测量结果如表3所示，各项技术指标均满足设计要求。
表 3 太阳模拟器光学性能参数测量结果Table 3. Measurement results of optical performance of the solar simulator技术指标 设计指标 测试结果 辐照度 0.5～2个太阳常数连续可调 调节氙灯电源输出功率，实现0.5～2.3个
太阳常数连续可调辐照体积 距离准直镜5200 mm处，辐照面积ϕ1000 mm，
辐照深度±500 mm距离准直镜5200 mm处，有效辐照面积ϕ1000 mm，
辐照深度±500 mm辐照不均匀度 面内±5%，体内±7% 面内±4.86%，体内±6.48% 辐照不稳定度 ±1%/h ±0.9%/h 准直角 ±2° ±1.83° 光谱分布 氙灯光谱 氙灯光谱 完成大气环境下的光学性能测量后，进行真空低温环境下的系统调试试验。容器内太阳照射情况如图17所示。试验期间，容器内真空度优于1.3×10-3 Pa，热沉温度100 K，太阳模拟器在参考辐照面的辐照度为2706 W/m2，持续工作2 h。太阳模拟器在真空低温环境下的各项功能指标均满足设计要求。
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图 17 真空低温工况下容器内太阳光斑照片Figure 17. Solar spot in the chamber under vacuum cryogenic environment5. 结束语
为国家重大科技基础设施项目研制的大型立式太阳模拟器为立式离轴准直光学结构，采用了系统化、集成化、模块化和工业化的设计理念，完成了多项关键技术研究。经过光学性能现场测试和真空低温试验，太阳模拟器各项技术指标和功能指标均满足设计要求，工作期间设备运行稳定正常。该太阳模拟器是目前我国最大的立式离轴准直型太阳模拟器，总体光学性能指标与国外同类立式太阳模拟器保持一致，目前陆续应用于航天器材料级和元器件级的太阳辐照试验。该设备的成功研制弥补了我国航天器热试验用大口径立式太阳模拟器的缺失，具备航天器热试验时不同太阳入射角度的模拟能力，有力提升了我国在航天领域热试验环境模拟装备水平，相关技术研究具有广阔的工程应用价值和推广前景。
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图 3 参考辐照面上的辐照分布仿真结果（2个太阳常数）
Figure 3. Simulation of irradiation distributions on the reference surface when SC=2
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图 5 参考辐照面上的辐照分布仿真结果（5个太阳常数）
Figure 5. Simulation of irradiation distributions on the reference surface when SC=5
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图 8 加工过程中和安装就位后的准直镜
Figure 8. Collimation mirror during processing and after installation
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图 9 准直镜组件示意和钢丝杠杆吊装机构
Figure 9. Schematic of collimation mirror assembly and lifting mechanism of steel wire carrying rod
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图 10 准直镜温度仿真和有限元分析结果
Figure 10. Temperature simulation and FEA results of collimation mirror
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图 13 模拟灯调节过程和正式氙灯装调结果
Figure 13. Simulated lamp adjustment process and real xenon lamp adjustment result
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图 14 太阳模拟器光学性能测试现场
Figure 14. Test site for optical performance measurement of the solar simulator
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图 15 太阳模拟器辐照分布实测结果
Figure 15. Test results of irradiation distributions on different irradiation surfaces of the solar simulator
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图 17 真空低温工况下容器内太阳光斑照片
Figure 17. Solar spot in the chamber under vacuum cryogenic environment
表 1 太阳模拟器光学参数（初步设计）
Table 1 Optical parameters of the solar simulator (preliminary design)
序号 名称 曲率半径/mm 有效口径/mm 间距/mm 1 聚光镜 157.706（顶点） 460（出射端开口） 5327 1450（聚光镜阵列） 5282 2 场镜前表面 79.846 310（45 mm×37） 15 3 场镜后表面 ∞ 310（45 mm×37） 149.5 4 投影镜前表面 ∞ 310（45 mm×37） 15 5 投影镜后表面 -73.873 310（45 mm×37） 120 6 光学窗口前表面 ∞ 500 55 7 光学窗口后表面 ∞ 500 4270 8 准直镜 8890 1600 5200 
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表 2 容器变形对太阳模拟器光学性能的影响仿真分析
Table 2 Simulation analysis of the influence of vacuum chamber deformation on the optical performance of solar simulator
技术指标 辐照度/(W·m-2) 面辐照不均匀度/% 容器未变形 3274
（2.42个太阳常数）±3.34 容器变形导致
准直镜倾斜3271
（2.42个太阳常数）±3.38 容器变形导致
光学窗口倾斜3283
（2.43个太阳常数）±3.52
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表 3 太阳模拟器光学性能参数测量结果
Table 3 Measurement results of optical performance of the solar simulator
技术指标 设计指标 测试结果 辐照度 0.5～2个太阳常数连续可调 调节氙灯电源输出功率，实现0.5～2.3个
太阳常数连续可调辐照体积 距离准直镜5200 mm处，辐照面积ϕ1000 mm，
辐照深度±500 mm距离准直镜5200 mm处，有效辐照面积ϕ1000 mm，
辐照深度±500 mm辐照不均匀度 面内±5%，体内±7% 面内±4.86%，体内±6.48% 辐照不稳定度 ±1%/h ±0.9%/h 准直角 ±2° ±1.83° 光谱分布 氙灯光谱 氙灯光谱
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