【应用方案】用于太空研究的高准直太阳模拟器

用于太空研究的高准直太阳模拟器（Highly Collimated Solar Simulator）

具有自动光束角度运动

这个太阳模拟器是为一个*名的国*航天局开发的。该机构有一系列需要太阳能模拟的项目，当一个新项目出现了严格的要求时，他们联系Sciencetech提供一个高度*确的太阳能模拟系统。

客户需求

客户的一些成员有使用Sciencetech的高度准直太阳模拟器的经验。对于一个在发射前测试卫星传感器的新项目，他们需要一个更大、更*特的版本。于是咨询我们，需要一个在辐照度、准直角度和光谱匹配方面与太阳非常接近的太阳模拟器。

此外，他们希望自动化操作太阳模拟器在X, Y, Z和2个旋转角度。初步的讨论考虑了几个自动化实现和初步的工程分析，确定氙短弧灯的物理限制将使其非常具有挑战性，以满足所需的规格的准直和其他标准。Sciencetech确定了一种方法来实现重要的规格，并将其呈现给客户。指导方针和标准获得批准，Sciencetech开始了项目的设计。

规范

准直全角：0.69°内90%功率

目标尺寸：直径33cm

空间不均匀性：2.95% (A类)

时间不稳定性：1.5% (A类)

强度：1366 W/m²(AM0光谱匹配)

衰减强度：1.366 W/m²(衰减至0.1%)

输出方向：横向

系统构思与设计

光学设计结构

光源的光线追踪路径

在设计过程中，我们采用光学建模和数学分析相结合的方法，解决了如何制作一个目标面积大、光谱特定匹配、发散角接近太阳的高度均匀强光源的多方面挑战。

椭圆形的后反射器收集了大部分的灯发射，并聚焦到均匀的光导管中。该光导管通过全内反射引导光，许多反射用于混合光线，从而使输出更加均匀。一系列的透镜和转向镜用于将光引导到准直镜，准直镜反射光以形成近乎平行的光线，从而在目标平面产生高辐照度和低光束发散度。

         太阳模拟器输出光谱与AM0光谱的关系                                                                模拟目标区域上的辐照度分布

自动运动控制的机械设计

客户需要整个太阳模拟器在x、Y、Z 5个轴上的自动运动，以及2个旋转轴。此外，整个系统需要在洁净室内运行，因此需要隔离太阳模拟器的空气冷却系统。

为了符合这些目标，Sciencetech设计了自动化机械舞台和定制软件来满足这些自动化目标，并提供了*殊的冷却设计，仪表组件和外壳设计来满足这些需求。

机动运动系统被建立和测试，它的软件是在内部创建的。运动系统、外壳、软件和光学元件根据客户的规格完成了所有5个运动轴，并包括一个软件GUI，以方便控制。

太阳模拟器的移动系统可按照我们的机械工程师的设想在5个轴上提供整个太阳模拟器的自动运动

太阳模拟器系统的图纸，其中包括与ISO7兼容的无尘室外壳，并描述了从系统输出发出的高度准直的射线

原型设计和开发

高功率6.5千瓦氙弧灯是用作基础光源来模拟太阳辐射。采用空气质量过滤器对氙灯光谱进行改进，使其达到AM0光谱匹配标准。

辐照度降低到全功率的0.1%，几乎连续衰减，保持了空间均匀性、光谱匹配性和时间稳定性。

在短期、中期和长期测量时间稳定性，并满足A类规范。

我们在0.69°全角范围内实现了90%功率的高度准直。高准直提供了一个同样均匀的点在几个距离太阳模拟器输出。

          30分钟内测得的辐照度的时间稳定性                                           太阳模拟器输出相对于准直角的辐射度测量

洁净室要求

整个系统密封在洁净室中使用，包括一个隔离的空气冷却系统，防止污染洁净室环境。整个系统符合ISO 5级洁净室标准。

测试与安装

与客户团队的频繁联系使Sciencetech的工程师能够对设计进行修改，以确保很好地过渡到客户，并帮助客户对他们订购的设备的功能获得信心。验收测试是与客户的工程师一起创建的，确保仪器在设备离开Sciencetech的那一刻能够在他们需要的参数范围内运行。硬件和软件的集成在用户的设施中完成，设备通过了认可的验收测试。

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