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光纤照明系统应用于空间站舱内的分析探讨

时间:2022-06-24 点击次数:208

光纤照明系统应用于空间站舱内的分析探讨



引言:照明系统是空间站内一个重要的子系统,配套舒适的照明能为航天员的舱内生活、作业提供良好的照明环境,保障航天员的人身安全。同时,照明的功耗控制也对整个航天任务的顺利实施起到重要作用。


目前绝大多数空间照明系统的供电来源于太阳能电池阵/蓄电池供电系统。在航天器光照区,通过太阳能电池的光伏效应把太阳能转换为直流电能供给负载,并将部分电能转化为化学能储存于蓄电池组中。当航天器进入地球阴影区时,则由蓄电池通过控制单元中的调节装置向负载供电。


太阳能电池主要时基于光电转换实现的,其基本原理是利用电池将收集到的光能根据一定的原理转化成为可以直接使用或者可以储存的电能,目前太阳能电池的转换效率一般在10%-20%之间。当前这种技术的应用范围很广阔,但其局限性是如何提高这种光能向电能转换的效率。近年来,虽然越来越多的飞行器开始采用功率较低、性能更优的LED光源代替传统的荧光灯,但是长时间不间断的照明仍会产生较大的功耗。为了充分利用太阳光以达到节约资源的目的,基于地面上应用的光纤照明系统,提出了一种应用于空间照明的太阳能光纤照明方案,直接利用太阳光进行舱内照明。


光纤照明1.jpg

图1.空间站内的照明系统


一、光纤照明可行性分析


以位于赤道上空35860 Km的同步轨道为例,卫星绕地球一周的时间为23 h 56 min 4 s,与地球自转周期相同,卫星相对地球来说是静止的,一年中仅在春分和秋分前后45天,而且每天最多只有72 min被地球遮挡,其余时间内,卫星可受到太阳光的连续照射。和地面相比,用同样的面积的太阳能电池板,在同步轨道可获得6-11倍的太阳能。如果卫星处于圆形日心轨道,则不存在地球遮挡时间。如果我们能充分利用这段时间的太阳光直接进行照明,将大大节省飞船的照明用电,因此分析和探讨光纤照明系统在飞船和空间站内的应用是非常有意义的。


事实上,早在1995年,美国物理科学公司和道格拉斯宇航公司在NASA的资助下,就曾对太阳光照明系统进行过相关的研究。当时这个系统是作为空间材料处理实验的热源为另一个项目研制的,将其中一部分用于空间植物照明实验。这一系统主要包括了可自主聚光镜、次级聚光镜、光纤、植物照明器和检测仪器,效率约为32%,通过采用高效率部件,系统效率可达到65%,其聚光比为1000-75000。由此可见,太阳光光纤照明系统有望于应用于未来的空间站照明。


光纤照明2.png

图2.空间站内的收光系统


二、空间光纤照明系统关键技术


典型的光纤照明系统主要由聚光装置、光纤束、末端发光装置以及辅助装置等部分组成。

其中光纤束及光线跳线作为重要的组成部分,起到了光线传输何承载的重要作用。

我们提供各种光纤束,并根据要求为客户定制各种光纤束。可选的标准接口及护套铠甲。

40,000小时不间断测试实验表明我们光纤束可以长期保持透过率稳定。
 
此外,传统的光纤束均采用环氧胶来交合光纤,这一方式使光纤束的传输效率变低,我们PowerLightGuide  FUSED-END BUNDLES 抗紫外光纤束(Optran® UVNS光纤)则采用输入端熔融工艺从而减小光纤间的空隙,极大的提供光纤束的透过效率。在保持光纤的NA不变的情况下,PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES传输效率提高50%。因为不含任何环氧胶,PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES在摄氏1500度的情况下依然可以正常工作。

PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES(光纤束,光纤光导管)相对于传统的液芯光导管(Liquid Light Guide,液芯光纤)有着极大的优势,主要包括以下几点:
    1.PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES在160~1200nm范围内提供*的透过率,
    2. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES长度不想液芯光纤一样受限制,
    3. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES的传导性能不会随时间而退化。
 
主要应用:


工业及科学方面:
    替换  UV液芯光纤


光谱学
     传感器
     紫外光刻
     激光焊接/锡焊/打标
     激光能量传送
     核等离子体诊断
     分析仪器
     激光二极管尾纤
       Thomson散射
      紫外照明及监测
      紫外拉曼光谱
      紫外固化
      超高温应用


医疗方面:
    医疗诊断
    激光传输
     光动力疗法
      医学治疗



系统的工作原理:聚光装置将入射的太阳光进行会聚,会聚后的太阳光通过光纤束传输到任何需要照明的场所,再通过合理的配光设计使传输过来的太阳光均匀地散射出去。当无太阳光照射或太阳光不足时,利用辅助照明装置进行补充照明,以保证高质量的照明环境。


太阳光光纤照明系统应用于空间照明的关键技术为:聚光装置的设计;聚光装置与光纤的耦合;末端发光装置的设计;辅助照明装置的设计。研究上述应用的技术难点,将对光纤照明系统应用于空间照明并节约照明功耗具有很大作用。同时,对空间站照明的研究,也可以将其技术应用在空间植物的培养方面,未来随着人们对宇宙空间的不停探索,光纤照明将不仅仅限于空间站的生活照明,同样可以应用在空间站内植物培养照明,为人类能够探索更遥远的宇宙提供可能性。


结语:目前,地面上的太阳光光纤照明系统与传统照明技术的有机结合使得太阳能被广泛的应用,大大的节约了照明供电系统的资源和成本,具有较高的学术价值和重要的应用价值。而且,国内外关于太阳光照明与传统照明结合的性能更优的系统和新装置不断被研制出来,各国科研人员对太阳光光纤照明实用系统的开发研究正在进一步深入,各种新方案、新器件不断被运用到系统的设计和制作当中,太阳光光纤照明系统将是未来照明的一个大趋势。


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