【摘要】：隨著空間科學技術(shù)飛速發(fā)展,太陽敏感器作為衛(wèi)星姿態(tài)測量和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵光學敏感器,其性能得到了極大提升。同時,隨著觀測任務的日趨多樣化,衛(wèi)星工作空間環(huán)境也日益復雜,特別是在進行軌道交會對接等復雜太空試驗時,太陽敏感器除了會受到其他非目標天體干擾外,同時還會受到衛(wèi)星本體等帶來的反射雜光干擾,對太陽敏感器的精度和可靠性產(chǎn)生影響,甚至會造成系統(tǒng)失效等嚴重后果。因此,在軌道交會對接等半物理仿真地面試驗中,對太陽敏感器工作過程中雜散光模擬的需求日益強烈。本文以國家航天需求為牽引,針對太陽敏感器地面半物理仿真模擬試驗與測試需求,結(jié)合目前缺少對衛(wèi)星本體等結(jié)構(gòu)雜散光的模擬技術(shù)現(xiàn)狀,開展大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器總體設(shè)計技術(shù)、大輻照面積發(fā)散光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、運動目標跟蹤調(diào)節(jié)技術(shù)、太陽模擬器控制技術(shù)以及光軸裝調(diào)方法等關(guān)鍵技術(shù)研究,著重解決遠距離大面積均勻輻照、輻照強度和輻照均勻性仿真結(jié)果與實測結(jié)果不一致及太陽模擬器裝調(diào)等問題。論文的研究可為太陽敏感器提供一種先進的地面仿真試驗與測試手段,對提升太陽敏感器的性能有著重要現(xiàn)實意義�；谔栞椛浠A(chǔ)理論與非成像光學理論,結(jié)合均勻照明方式與光束均化方法,優(yōu)化太陽模擬器光學系統(tǒng),提出了一種大輻照面積發(fā)散光學系統(tǒng)的設(shè)計方案。結(jié)合大輻照面積發(fā)散光學系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計、運動目標跟蹤調(diào)節(jié)以及太陽模擬器控制等關(guān)鍵技術(shù),提出并構(gòu)建了一種大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器,實現(xiàn)了遠距離、大面積、高均勻的持續(xù)跟蹤太陽光輻照模擬。為解決太陽模擬器輻照強度和輻照均勻性仿真結(jié)果與實測結(jié)果不一致的問題,基于數(shù)值分析方法與嵌套建模思想,從軸上相對亮度分布曲線、光源模型和空間光強分布等方面深入研究了氙燈實際發(fā)光效果模擬方法。仿真與實驗對比了實際發(fā)光效果建模與傳統(tǒng)方法建模的結(jié)果,得到的結(jié)論是實際發(fā)光效果建模的仿真結(jié)果更接近于太陽模擬器的實測結(jié)果,通過實驗驗證了實際發(fā)光效果模擬方法的正確性。大輻照面積發(fā)散光學系統(tǒng)是太陽模擬器能否實現(xiàn)遠工作距離、大輻照面積均勻輻照的關(guān)鍵因素。優(yōu)化設(shè)計了組合聚光系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)以及雙排復眼透鏡陣列與發(fā)散投影光學系統(tǒng),并利用實際發(fā)光效果建模對其進行了仿真分析,結(jié)果為大面積發(fā)散太陽模擬器工作距離20000mm處,輻照面直徑為Φ1500mm,輻照不均勻度為±7.7%。根據(jù)大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器對運動目標持續(xù)跟蹤照射的功能需求,提出了一種基于統(tǒng)一化設(shè)計思想的運動目標跟蹤調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計方法,構(gòu)建了方位回轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)與俯仰旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)系統(tǒng),實現(xiàn)了大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器的運動功能控制。設(shè)計了氙燈電源控制系統(tǒng)與溫度控制系統(tǒng),實現(xiàn)了大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器出射光斑的受控調(diào)節(jié)與穩(wěn)定控制,為大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器長時間穩(wěn)定工作提供了可靠的技術(shù)保障。大輻照面積發(fā)散光學系統(tǒng)的精確裝調(diào)是保證太陽模擬器光學性能的重要環(huán)節(jié)。結(jié)合現(xiàn)有太陽模擬器特定組件裝調(diào)技術(shù),分析了光軸一致性誤差補償結(jié)構(gòu)設(shè)計原則,確定了采用等邊三角形支撐布置的設(shè)計思想,設(shè)計了短弧氙燈調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu),提出了裝調(diào)基準光軸建立、轉(zhuǎn)向平面反射鏡組、組合聚光系統(tǒng)以及光束整形系統(tǒng)的光軸裝調(diào)方法,建立了一種大口徑發(fā)散式同軸太陽模擬器光軸裝調(diào)體系,保證了太陽模擬器性能指標。通過實驗驗證了太陽模擬器主要技術(shù)指標。實驗結(jié)果表明:工作距離為20000mm處,有效光斑直徑為Φ1550mm,輻照強度為1484.8W/m~2,輻照不均勻度為±9.4%,輻照不穩(wěn)定度為±1.8%/h,方位角調(diào)節(jié)范圍為-180o至180°,方位角度調(diào)節(jié)精度為0.35°,俯仰角調(diào)節(jié)范圍為-45o至+45°,俯仰角度調(diào)節(jié)精度為0.23°。
【圖文】：

國外研究現(xiàn)狀代，美國首先開始了大型太陽模擬器的研實驗室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）射鏡主鏡，以及由 19 塊不銹鋼單元鏡組林光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，配合由 131 個 2.5kW 汞，最大輻照強度為 2152W/m2，輻照面不雜，研制成本較高，而且光學性能較差，原因，JPL 于 1966 年完成了對該太陽模出了 JPLSS15B 型太陽模擬器，該太陽模徑為 7ｍ單片鋁合金反射鏡作為準直鏡， 37 只 20kW 短弧氙燈作為燈室光源，在的能量利用效率。該模擬器還采用了 19 大的提升了出射光束的均勻性和準直性，度為 1453W/m2，輻照面不均勻度為±4％器結(jié)構(gòu)如圖 1.1 所示。

個太陽常數(shù)錯誤!未找到引用源。。滿足航天器及有效載荷的熱平衡試驗需求，歐洲各國器的研制工作。法國宇航環(huán)境工程試驗中心研制的大式準直鏡技術(shù)，降低了大面積準直鏡的加工難度和成技術(shù)的發(fā)展，其研制的太陽模擬器輻照面直徑為Φ3/m2，輻照不均勻度為±4%，準直角為±1.5°。1983 年德用離軸式準直光學結(jié)構(gòu)，輻照面直徑為Φ3600mm，，照面不均勻度±4%[17]，經(jīng)過后續(xù)升級改造將積分器元將準直鏡單元鏡數(shù)量由最初的 61 塊增加至后來的的輻照面積。1983 年歐洲航天發(fā)射中心（European Spntre，ESTEC）在空間環(huán)境設(shè)備上建成了 ESTEC 太陽模學系統(tǒng)，使得光束得以水平照射，勻光系統(tǒng)采用了 5器，準直鏡為由 121 塊正六邊形單元反射鏡組成的直該太陽模擬器具備根據(jù)不同輻照強度需求選取 20kW。ESTEC 太陽模擬器如圖 1.2 所示。
【學位授予單位】：長春理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：V476

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本文編號：2642696