Способ имитации солнечного излучения Российский патент 2023 года по МПК B64G7/00 F21V9/02 F21S2/00 F21K9/00 

Изобретение относится к области светотехники, а именно – к имитации солнечного излучения искусственными источниками света и может быть использовано для имитации с высокой точностью теплового воздействия Солнца при термовакуумных испытаниях техники, предназначенной для эксплуатации в орбитальных условиях открытого космоса (далее – космических аппаратов или объектов испытаний).

Из уровня техники известно, что для имитации солнечного излучения в солнечных симуляторах или имитаторах солнечного излучения используют излучение одного или нескольких типов искусственных источников высокой мощности, в частности, ламп накаливания, газоразрядных ламп, светодиодов, расположенных на расстоянии от облучаемой поверхности. При этом в случае термовакуумных испытаний целесообразно размещение источников излучения непосредственно в термовакуумной камере, что позволяет значительно повысить энергоэффективность имитации солнечного излучения за счет упрощения оптической системы и исключения высоких потерь в большом количестве отражающих и преломляющих элементов (Шевчук А.А. Альтернативный метод имитации солнечного излучения для термовакуумных испытаний космических аппаратов // Сибирский аэрокосмический журнал. 2021. Т. 22, № 4. С. 672–686. Doi: 10.31772/2712-8970-2021-22-4-672-686).

Известно также, что лучшим соответствием спектру реального солнечного излучения (далее - спектральным соответствием) обладают гибридные, или комбинированные имитаторы солнечного излучения, в которых используют, по меньшей мере, два типа источников, каждый из которых излучает в своей области длин волн. Указанные области граничат между собой, благодаря чему получают непрерывное спектральное распределение имитатора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн (Grandi G., Ienina A. Analysis and realization of a low-cost hybrid LED-halogen solar simulator // Proceedings of 2013 International Conference on Renewable Energy Research and Applications, ICRERA 2013. P. 794-799; Карпенко А.В., Базилевский А.Б. Имитатор солнечного излучения на базе комбинированных непрерывных источников света // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2012. №8. С. 40).

Также известен способ имитации с высокой точностью солнечного излучения внеатмосферного спектра (патент US 5623149 B1), где применяют одновременно в преимущественно видимой области спектра одну газоразрядную ксеноновую лампу с полосовым фильтром в виде селективно-отражающего зеркала и светофильтром из цветного стекла, в преимущественно инфракрасной области спектра одну лампу накаливания с полосовым фильтром в виде селективно-отражающего зеркала и светофильтром из тонкой пленки; потоки излучения указанных источников при помощи фокусирующих линз суммируют на облучаемой поверхности, в результате чего достигается высокое спектральное соответствие внеатмосферному спектру Солнца.

Известен также способ имитации солнечного излучения (патент US 20140022756 A1), при котором применяют одновременно, по меньшей мере, один тип галогенной лампы накаливания в инфракрасной и видимой области спектра и, по меньшей мере, один тип газоразрядной лампы в видимой области спектра. Указанные типы световых источников с отражающими оптическими элементами размещают с равномерным чередованием в двухмерном массиве с размерами, близкими к размерам освещаемой поверхности, а их световые потоки пропускают через общий, ослабляющий излучение в области длин волн более 1600 нм, инфракрасный светофильтр в виде теплоотражающей пленки, установленной на прозрачной подложке. Теплоотражающая пленка предпочтительно снабжена повторяющимся рисунком перфорации. Потоки излучения указанных источников равномерно суммируются на облучаемой поверхности, а мощность галогенных ламп накаливания регулируют для настройки их световой мощности и спектра относительно мощности и спектра газоразрядных ламп.

Общими недостатками описанных способов являются:

- применение газоразрядных ламп, которые в силу своих особенностей требуют принудительного воздушного охлаждения и условиях термовакуумной камеры должны размещаться в отдельном герметичном объеме с оптически прозрачным во всем диапазоне длин волн окном и с принудительной циркуляцией сжатого воздуха, что представляет технически сложное и дорогостоящее решение;

- долговременная нестабильность и малый ресурс газоразрядных ламп, не позволяющие проводить длительные термовакуумные испытания. В случае деградации параметров или выхода из строя газоразрядных ламп их замена потребует полной остановки термовакуумных испытаний с переходом в режим нормальных условий, аннулированием полученных результатов и будет сопровождаться неоправданно высокими материальными и временными затратами;

-  потери потока излучения при прохождении его через светофильтры, что неизбежно приводит к снижению общей энергоэффективности имитации солнечного излучения;

- невозможность имитации с высокой спектральной точностью различных уровней энергетической освещенности, что связано с известной зависимостью спектра галогенных ламп накаливания от подаваемой на них мощности и требует дополнительных технически сложных и дорогостоящих границырешений, например, применения светофильтров с изменяемыми характеристиками или набора сменяемых светофильтров с различными, соответствующими нескольким уровням освещенности характеристиками. В то же время многие программы и методики термовакуумных испытаний предусматривают различные уровни энергетической освещенности, например, для имитации частичного затенения объекта испытаний.

Наиболее близким по сущности к заявленному техническому решению является способ, описанный в патенте на устройство имитации солнечного излучения с расположением светодиодных излучателей и ультрафиолетовых ламп непосредственно в термовакуумной камере (патент RU 200010 U1). Устройство содержит светодиодные излучатели с различными длинами волн, управляемые блоки питания, лампы ультрафиолетового излучения, блок управления питанием, USB-концентратор, электронно-вычислительную машину, светодиодные сборки, плату отвода тепла, корпус теплобарокамеры. Лампы ультрафиолетового излучения, светодиодные сборки и плата отвода тепла установлены внутри теплобарокамеры. Источники излучения раздельно управляются системой управления следующим образом: интенсивность излучения каждого светодиодного излучателя регулируется с помощью величины тока, которую генерирует управляемый блок питания; величина тока, генерируемая управляемыми блоками питания, и количество включенных ламп ультрафиолетового излучения задаются управляющим сигналом, приходящим от электронно-вычислительной машины на управляемые блоки питания и блок управления питанием ламп ультрафиолетового излучения через USB-концентратор.

Этот устройство принято за прототип изобретения.

Для заявленного способа выявлены следующие общие с прототипом существенные признаки: способ имитации солнечного излучения, включающий размещение имитатора солнечного излучения внутри термовакуумной камеры, комбинирование излучения различных типов источников - светодиодных сборок со светодиодными излучателями различных длин волн и ламп ультрафиолетового излучения, области длин волн излучения указанных источников граничат между собой, благодаря чему получают непрерывное спектральное распределение имитатора солнечного излучения в широком диапазоне длин волн; излучение указанных источников суммируют на поверхности объекта испытаний, мощностями указанных источников излучения управляют раздельно системой управления с управляемыми источниками питания.

К недостаткам указанного устройства относятся:

- невозможность имитации направленного излучения, близкого к излучению Солнца в условиях открытого космоса, что объясняется изначально широкой диаграммой распределения освещенности указанных источников без формирующих направленные распределения оптических элементов. Возникающие при этом высокие, в квадратичной зависимости от расстояния до объекта испытаний, потери лучистого потока требуют размещения излучателей непосредственно у поверхности объекта испытаний и делают невозможным равномерное облучение поверхностей объектов испытаний, имеющих перепады по глубине, то есть большинства поверхностей космических аппаратов;

- недостаточно широкий спектральный диапазон, не позволяющий полноценно имитировать тепловое воздействие Солнца на объект испытаний в инфракрасной области, поскольку подавляющее большинство инфракрасных светодиодов имеет низкую эффективность и узкую полосу излучения, с максимумом в области 850 – 950 нм, в начальной области инфракрасного диапазона. В тоже время большая часть теплового излучения Солнца находится в более широкой, как минимум, до 2000 нм, области;

- значительные пространственная и спектральная неравномерности рабочего поля, вызванные неравномерным расположением относительно объекта испытаний ультрафиолетовых ламп и светодиодных сборок, излучающих в разных областях имитируемого спектра;

- имитация пониженных уровней энергетической освещенности отключением части ультрафиолетовых ламп, что еще больше увеличивает пространственную и спектральную неравномерность.

Технической проблемой изобретения является создание простого и энергоэффективного способа имитации солнечного излучения в термовакуумной камере с высокой точностью имитации в части следующих характеристик:

- пространственной равномерности рабочего поля;

- спектральной равномерности рабочего поля;

- спектрального соответствия на различных уровнях энергетической освещенности.

Поставленная техническая проблема решается благодаря тому, что непосредственно в термовакуумной камере устанавливают имитатор солнечного излучения в виде двухмерного массива из множества точечных источников в виде сборок из светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания, при этом каждый точечный источник оснащают собственным оптическим отражающим и/или преломляющим оптическим элементом, благодаря чему формируют направленный на объект испытаний поток излучения. Указанные точечные источники с оптическими элементами объединяют в двухмерном массиве с равномерным чередованием. Согласно заявляемому способу, сформированные оптическими элементами направленные потоки излучения всех точечных источников массива, равномерно перемешиваясь между собой, образуют на объекте испытаний единое рабочее поле с высокой равномерностью. Мощностью всех указанных источников излучения управляют раздельно системой управления с управляемыми блоками питания и обратной связью на основании показаний датчиков энергетической освещенности и спектрального распределения, которые размещают в рабочем поле имитатора солнечного излучения вблизи объекта испытаний. При этом области длин волн излучения ламп накаливания и светодиодных излучателей граничат друг с другом с взаимным перекрытием, образуя область совместного излучения указанных источников. Спектральное соответствие на различных уровнях энергетической освещенности получают раздельной регулировкой мощности светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания относительно друг друга.

В частном случае, для получения рабочего поля больших размеров или получения различных уровней энергетической освещенности на поверхности объекта испытаний, указанный массив точечных источников собирают из автономных модулей меньшего размера, системы управления автономных модулей объединяют в единую систему управления, а равномерность энергетической освещенности в пределах рабочего поля обеспечивают раздельной регулировкой общей выходной мощности каждого из автономных модулей.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг. 1, в качестве примера изображен имитатор солнечного излучения из четырех автономных модулей;

на фиг. 2 изображен один автономный модуль в виде массива из точечных источников;

на фиг. 3 изображен принцип формирования однородного рабочего поля имитатора солнечного излучения;

на фиг. 4 показан принцип получения спектрального соответствия на двух различных уровнях энергетической освещенности;

на фиг. 5 показана блок-схема системы управления.

Для реализации заявленного способа от имитатора солнечного излучения 1 подают имитирующий солнечное излучение световой поток на объект испытаний 7, размещенный совместно с имитатором солнечного излучения 1 в термовакуумной камере. Имитатор солнечного излучения 1 в целом или каждый автономный модуль 2 имитатора солнечного излучения 1 представляют собой двухмерный массив, в котором размещают два типа точечных источников излучения с различными спектральными характеристиками: лампы накаливания 3, в том числе галогенные, в преимущественно инфракрасной области длин волн и сборки из светодиодных излучателей различных длин волн 4 в преимущественно видимой области. Каждая лампа накаливания 3 имеет собственный оптический элемент 5, каждая сборка светодиодных излучателей 4 имеет собственный оптический элемент 6, при этом все светодиодные излучатели различных длин волн сборки находятся в пределах его фокуса. В качестве оптических элементов 5, 6 используют любые отражающие или преломляющие элементы, создающие направленный поток излучения с малым углом распределения, в частности, оптические элементы, работающие по принципу полного внутреннего отражения (TIR оптические элементы), рефлекторы, световоды, линзы или же комбинации различных оптических элементов.

Лампы накаливания и сборки светодиодных излучателей различных длин волн с оптическими элементами размещают в массиве с равномерным чередованием между собой (фиг. 2). При условии, что расстояние от массива до объекта испытаний значительно превышает расстояние между соседними точечными источниками в массиве, направленные потоки излучения всех точечных источников, многократно перемешиваясь между собой, суммируются с высокой пространственной и спектральной равномерностью в плоскости рабочего поля 6 и на объекте испытаний 7 (фиг. 3).

Требуемый спектральный диапазон получают комбинированием излучения двух указанных типов источников (фиг. 4). Для сохранения точного спектрального соответствия на различных уровнях энергетической освещенности учитывают смещение максимума излучения ламп накаливания при изменении подаваемой на них мощности в область меньших или больших длин волн. Для этого в сборках применяют светодиодные излучатели таких длин волн в дальней красной – ближней инфракрасной областях, при которых результирующий спектр сборок будет иметь совместную область излучения со спектром ламп накаливания во всем требуемом диапазоне уровней энергетической освещенности (затененная область на фиг. 4).

В соответствии с принципом суперпозиции, имитируемое солнечное излучение с уровнем энергетической освещенности E_ИСИ складывается из излучений всех светодиодов различных длин волн VD1 ··· VDN с уровнями энергетической освещенности E₁ ··· E_N и ламп накаливания HL с уровнем энергетической освещенности E_HL:

(1)

где λ_min – λ_max – спектральный диапазон имитатора солнечного излучения;

I ₁(λ) ··· I_N(λ) и I_L(λ) – спектральные плотности энергетической освещенности отдельных светодиодных излучателей VD1 ··· VDN и ламп накаливания HL соответственно, Вт/м²·нм;

k ₁ ··· k_N и k_L – коэффициенты мощности отдельных светодиодных излучателей
VD1 ··· VDN и ламп накаливания HL соответственно.

Из формулы (1) следует, что уровень энергетической освещенности имитируемого солнечного излучения определяется суммарным значением коэффициентов мощности k₁ ··· k_N и k_HL, а результирующий спектр - их взаимным соотношением. Указанный принцип реализуют совместным управлением уровнем энергетической освещенности и спектральным соответствием имитатора солнечного излучения при помощи системы управления. Система управления представляет собой программно-аппаратный комплекс на основе программируемого логического контроллера или ПЭВМ 8 с интерфейсом оператора 9 и/или сетевым интерфейсом 10, выполняющий функцию раздельной регулировки мощности светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания, и имеет обратную связь, благодаря которой реагирует на показания датчиков уровня энергетической освещенности 11 и спектрального распределения 12 в рабочем поле 6 имитатора солнечного излучения вблизи или непосредственно на поверхности объекта испытаний 7 (фиг. 5).

В случае исполнения имитатора солнечного излучения из нескольких автономных модулей, системы управления всех автономных модулей объединяют в единую систему управления через сетевые интерфейсы 10, а равномерность рабочего поля или различную энергетическую освещенность на различных участках объекта испытаний обеспечивают раздельной регулировкой общей выходной мощности каждого из автономных модулей.

Спектральное соответствие имитируемого солнечного излучения определяют с использованием датчиков уровня энергетической освещенности 11 и спектрального распределения 12 следующим образом:

- измеряют значение энергетической освещенности E_ИСИ, ограниченное спектральным диапазоном λ_min - λ_max имитатора солнечного излучения (ИСИ):

(2)

где I_ИСИ(λ) – измеренная спектральная плотность энергетической освещенности, Вт/м²·нм;

- имитируемый диапазон солнечного излучения, в зависимости от требуемой точности спектрального соответствия, разбивают на необходимое количество поддиапазонов. В виде примера далее рассмотрены шесть поддиапазонов A ··· F (фиг. 4). Определяют энергетическую освещенность имитируемого солнечного излучения в пределах каждого поддиапазона:

(3)

где E_A ··· E_F – энергетическая освещенность имитируемого солнечного излучения в пределах поддиапазонов A ··· F, Вт/м²;

I _A(λ) ··· I_F(λ) – измеренные спектральные плотности энергетической освещенности имитируемого солнечного излучения в пределах поддиапазонов A ··· F, Вт/м²·нм;

- определяют вклад каждого поддиапазона в общую энергетическую освещенность имитируемого солнечного излучения:

(4)

где S_X(ИСИ) – вклад каждого поддиапазона A ··· F в общую энергетическую освещенность;

E_X – энергетическая освещенность в пределах каждого поддиапазона A ··· F.

- сравнивают полученные значения S_X(ИСИ) со значениями тех же поддиапазонов реального солнечного излучения S_X(AM0), рассчитанными аналогичным образом по формулам (2, 4) для стандартного солнечного спектра внеатмосферных условий AM0 (англ. Air Mass Zero) (согласно Standard Solar Constant and Zero Air Mass Solar Spectral Irradiance Tables [Электронный ресурс]. URL: https://www.astm.org/e0490-22.html). Получают значения коэффициентов спектрального соответствия для каждого поддиапазона A ··· F:

(5)

где K_X – коэффициент спектрального соответствия поддиапазона X (A ··· F).

В зависимости от требуемой точности имитации солнечного излучения, принимают критерий спектрального соответствия. В частности, согласно ГОСТ Р МЭК 60904-9-2016, существует три класса спектрального соответствия, при которых значения коэффициентов спектрального соответствия всех поддиапазонов не выходят за границы 0,4 – 2,0; 0,6 – 1,4; 0,75 – 1,25.

Изменение уровня энергетической освещенности с учетом смещения максимума излучения ламп накаливания в другую область длин волн обеспечивают следующим образом:

- устанавливают системой управления мощность ламп накаливания, соответствующую требуемому уровню энергетической освещенности имитируемого солнечного излучения;

- устанавливают раздельно в области совместного излучения сборок светодиодных излучателей и ламп накаливания такие мощности светодиодных излучателей, при которых выполняется критерий спектрального соответствия поддиапазонов в указанной области;

- устанавливают раздельно мощности остальных излучателей светодиодных сборок;

- измеряют уровень энергетической освещенности, определяют спектральное соответствие с использованием датчиков обратной связи и при необходимости, не выходя за пределы критерия спектрального соответствия, выполняют системой управления точную подстройку уровня пропорциональным изменением мощности всех указанных излучателей.

Техническими результатами изобретения являются:

-  увеличение достоверности термовакуумных испытаний за счет высокой точности имитации солнечного излучения в части пространственной равномерности рабочего поля, спектральной равномерности рабочего поля, спектрального соответствия на различных уровнях энергетической освещенности;

- повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения за счет размещения имитатора солнечного излучения с простой оптической системой в непосредственной близости от объекта испытаний.

Изобретение относится к области испытательной техники, а именно – к способам имитации солнечного излучения искусственными источниками света при термовакуумных испытаниях космической техники. В термовакуумную камеру устанавливают имитатор солнечного излучения в виде двухмерного массива из множества точечных источников в виде сборок из светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания. Каждый точечный источник оснащают собственным оптическим элементом. Формируют поток излучения, направленный на объект испытаний. Суммируют излучение источников света непосредственно на объекте испытаний. Лампы накаливания и светодиодные излучатели образуют область длин волн совместного излучения. Спектральное соответствие на различных уровнях энергетической освещенности получают раздельной регулировкой мощности светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания. Мощностью всех указанных источников излучения управляют раздельно системой управления, в которой используют обратную связь на основании показаний датчиков энергетической освещенности и спектрального распределения. Достигается увеличение достоверности термовакуумных испытаний и повышение энергоэффективности имитации солнечного излучения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ имитации солнечного излучения, заключающийся в том, что для подачи имитирующего светового потока на объект испытаний в термовакуумной камере размещают сборки светодиодных излучателей различных длин волн и лампы накаливания, излучающие в граничащих между собой областях длин волн, суммируют излучение указанных источников непосредственно на объекте испытаний, мощностями указанных источников излучения управляют раздельно при помощи системы управления, отличающийся тем, что сборки из светодиодных излучателей различных длин волн и лампы накаливания оснащают формирующими направленное излучение оптическими элементами, указанные источники излучения с оптическими элементами объединяют с равномерным чередованием в двухмерный массив, при этом светодиодные излучатели и лампы накаливания имеют область длин волн совместного излучения, причем спектральное соответствие на различных уровнях энергетической освещенности обеспечивают раздельной регулировкой мощности светодиодных излучателей различных длин волн и ламп накаливания, а в системе управления используют обратную связь на основании показаний датчиков энергетической освещенности и спектрального распределения в рабочем поле имитатора солнечного излучения.

2. Способ имитации солнечного излучения по п. 1, отличающийся тем, что двухмерный массив из указанных источников излучения в термовакуумной камере собирают из автономных модулей, а системы управления автономных модулей объединяют в единую систему управления.