高度準直的太陽(yáng)模擬器

高度準直的太陽(yáng)模擬器，具有自動(dòng)移動(dòng)光束角移動(dòng)

Highly Collimated Solar Simulator with automated beam angle movement

太陽(yáng)模擬器是為美國國家航天局開(kāi)發(fā)的。該機構有一系列需要進(jìn)行太陽(yáng)模擬的項目，而當一個(gè)有嚴格要求的新項目出現時(shí)，他們便與Sciencetech聯(lián)絡(luò )，以提供一個(gè)高度*確的太陽(yáng)模擬系統。

客戶(hù)要求

幾年前，該客戶(hù)一些成員具有使用Sciencetech高度準直的太陽(yáng)能模擬器之一的動(dòng)手經(jīng)驗。對于在發(fā)射之前測試其衛星傳感器的新項目，他們需要此太陽(yáng)能模擬器更大，更復雜的版本。他們聯(lián)系了Sciencetech公司，詢(xún)問(wèn)我們是否可以提供一個(gè)在輻照度，準直角和光譜匹配方面與太陽(yáng)極為接近的太陽(yáng)模擬器。

此外，他們希望自動(dòng)化以X，Y，Z和2個(gè)旋轉角度來(lái)操縱太陽(yáng)能模擬器。初的討論考慮了幾種自動(dòng)化實(shí)施方式，初的工程分析確定了氙氣短弧燈的物理局限性使其很難滿(mǎn)足所需的準直規范以及其他標準。Sciencetech確定了實(shí)現重要規格的方法，并將其介紹給客戶(hù)。準則和標準獲得批準，Sciencetech啟動(dòng)了該項目的設計。

準直全角：0.69°內90％功率

目標尺寸：直徑33cm

空間非均勻性：2.95％（*）

時(shí)間不穩定：1.5％（*）

強度：1366W/m²（AM0光譜匹配）

衰減強度：1.366W/m²（衰減至0.1％）

輸出方向：臥式

構思和設計系統

在設計過(guò)程中，我們結合了光學(xué)建模和數學(xué)分析的方法來(lái)解決多方面的挑戰，即如何制作具有大目標面積，比光譜匹配和發(fā)散角接近太陽(yáng)的高度均勻且強度高的光源。

光源的光線(xiàn)追跡路徑

光學(xué)設計結構

橢圓形的后反射器收集了大部分的燈發(fā)射，并聚焦到均勻的光導管中。該光導管通過(guò)全內反射引導光，許多反射用于混合光線(xiàn)，從而使輸出更加均勻。一系列的透鏡和轉向鏡用于將光引導到準直鏡，準直鏡反射光以形成近乎平行的光線(xiàn)，從而在目標平面產(chǎn)生高輻照度和低光束發(fā)散度。

太陽(yáng)模擬器的輸出光譜與AM0光譜的關(guān)系

光學(xué)模擬軟件模擬目標區域上的輻照度分布

自動(dòng)運動(dòng)控制的機械設計

我們的客戶(hù)需要整個(gè)太陽(yáng)能模擬器在5個(gè)軸（X，Y和Z）以及2個(gè)旋轉軸上進(jìn)行自動(dòng)運動(dòng)。此外，整個(gè)系統需要在無(wú)塵室內運行，因此必須隔離太陽(yáng)能模擬器的空氣冷卻系統。

為了滿(mǎn)足這些自動(dòng)化目標，Sciencetech設計了一個(gè)自動(dòng)化的機械平臺和定制軟件，并提供了特殊的冷卻設計，儀器組件和外殼設計來(lái)滿(mǎn)足這些需求。

電動(dòng)運動(dòng)系統已構建并經(jīng)過(guò)測試，其軟件是在內部創(chuàng )建的。運動(dòng)系統，外殼，軟件和光學(xué)元件均根據客戶(hù)對所有5個(gè)運動(dòng)軸的要求完成，并且包含軟件GUI，以便于控制。

太陽(yáng)模擬器的移動(dòng)系統可按照我們的機械工程師的設想在5個(gè)軸

上提供整個(gè)太陽(yáng)模擬器的自動(dòng)運動(dòng)

太陽(yáng)模擬器系統的圖紙，其中包括與ISO7兼容的無(wú)塵室外殼，

并描述了從系統輸出發(fā)出的高度準直的射線(xiàn)

原型設計與開(kāi)發(fā)

高功率的6.5kW氙弧燈被用作模擬太陽(yáng)輻射的基礎光源。氙氣燈光譜使用空氣濾清器進(jìn)行了修改，以滿(mǎn)足AM0光譜匹配標準。

輻照度可低至其全功率的0.1％，并且幾乎連續衰減，從而保持了空間均勻性，光譜匹配和時(shí)間穩定性。

在短期，中期和內測量了時(shí)間穩定性，并符合*規范。

我們在0.69°全角內以90％的功率實(shí)現了高度準直。高準直度在距太陽(yáng)模擬器輸出若干距離處提供了一個(gè)均勻的點(diǎn)。

30分鐘內測得的輻照度的時(shí)間穩定性

太陽(yáng)模擬器輸出相對于準直角的輻射度測量。

潔凈室要求

整個(gè)系統被密封以用于潔凈室，包括隔離的空氣冷卻系統，以防止污染潔凈室環(huán)境。整個(gè)系統符合ISO5級潔凈室標準。

驗收測試和安裝

由于經(jīng)常與客戶(hù)團隊聯(lián)系，Sciencetech的工程師可以對設計進(jìn)行修改，以確保更好地過(guò)渡到客戶(hù)，并幫助客戶(hù)對所訂購設備的功能充滿(mǎn)信心。終的驗收測試是與客戶(hù)的工程師共同創(chuàng )建的，以確保儀器在設備離開(kāi)Sciencetech時(shí)即能在所需的參數范圍內運行。硬件和軟件的終集成在終用戶(hù)的設施中完成，并且該設備通過(guò)了*批準的驗收測試。