-
Классификация имитаторов солнечного излучения.
Имитация как абсолютных значений плотности мощности потока солнечного излучения, так и его спектрального распределения на площади ~ 100 см2, на которой можно было бы разместить испытуемый образец, изделие или модель аппарата связано с крупными энергозатратами. Так промышленный имитатор Солнца с газоразрядной ксеноновой лампой с максимальным световым диаметром 120 мм потребляет от сети 15 кВт, хотя и имеет погрешность имитации солнечного спектра +-10% в диапазоне длин волн 0,35…2 мкм. Конкретизация цели физического моделирования часто позволяет добиться адекватности модельной и реальной ситуации менее энергоемкими средствами.
В настоящее время можно ввести классификацию задач, каждая из которых предъявляет свои специфические требования к имитатору Солнца:
Солнце как источник фото индуцируемых химических превращений;
Солнце как источник радиационного нагрева;
Солнце как источник фоновых помех;
Солнце как маяк астронавигационных систем;
Солнце как источник электродвижущей силы фотопреобразователей;
Солнце как источник биологически активного излучения.
Создание имитатора для решения любой из вошедших в классификационный список задач, как правило, не требует воссоздания солнечного спектра во всем исследованном диапазоне 0,14…300 мкм и достижения интегральной плотности потока солнечной радиации на уровне солнечной постоянной 135,5 мВт/см2. Экспериментальными исследованиями механизмов фото окрашивания покрытий с наполнителями из неорганических пигментов доказано, что на их протекание основное влияние оказывает «жесткая» часть ультрафиолетового излучения (0,2…0,3 мкм) в световом пучке. В этой спектральной области лучшим имитатором спектра Солнца является ксеноновая лампа. Расхождение спектров Солнца и лампы в длинноволновой области (>=0,4 мкм) несущественны в связи с ее слабой фото активностью. Присутствие ультрафиолетовой части спектра в пределах от 280 нм до 400 нм с плотностью потока <= Вт/м2 также необходимо и при испытаниях радиоаппаратуры. В области «жесткого» ультрафиолета лампы накаливания неэффективны и вряд ли могут составить конкуренцию газоразрядным и дуговым источникам света.
При проверке астронавигационных приборов имитатор должен воспроизводить заданный уровень превышения сигнала над фоном в области спектральной чувствительности датчика и, для датчиков точной ориентации, угловые размеры Солнца (32 угл. мин). Чувствительными элементами датчиков служат кремниевые, германиевые или сернисто-кадмиевые фотодиоды и фотосопротивления. Максимум их спектральной чувствительности лежит в видимом или ближнем ИК диапазонах. Часто в датчиках Солнца с помощью красных и нейтральных светофильтров осуществляется амплитудная селекция излучения по мощности и спектру. Следовательно спектральное согласование имитатора с датчиком Солнца требуется лишь в относительно узкой области, а величина интегрального светового потока в согласованном интервале длин волн уменьшена на величину ослабления вносимого нейтральным светофильтром, естественно с одновременным его выведением из оптического тракта. Компактность тела накала малогабаритных галогенных ламп обеспечивает малые угловые размеры источника излучения.
Солнце как источник фоновых помех для оптико-электронных приборов активного типа с лазерными излучателями и спектральной селекцией отраженных сигналов можно имитировать теми или аналогичными лазерными излучателями с формирующей оптикой и ослабителями, чтобы получить уровни фоновых освещенностей на модели или ее части в соответствии с полосой пропускания ОЭП. При узкой 1…10 нм полосе пропускания эти уровни невелики и легко достижимы. От экспериментатора требуется лишь воспроизведение угловых положений в системе: имитатор - модель - ОЭП.
Для ОЭП пассивного типа, работающих по отраженному объектом солнечному излучению или собственному тепловому, важно соблюсти подобие спектральных распределений Солнца и имитатора, достижение же интегральной энергетической освещенностью значения солнечной постоянной не является обязательным условием. Основные параметры ОЭП вероятности обнаружения и ложных тревог зависят от отношения сигнал/шум, обеспечение которого и является необходимым условием адекватности модельной ситуации в реальности. Часто достаточно отношение сигнал/шум 5…10.
В лабораторных же условиях помехи могут составлять в среднем доли фотона за цикл измерения.
Однако уменьшение интегральной энергетической освещенности может привести к трансформации статистики фото отсчетов от нормального распределения для сильного сигнала через различные промежуточные и пуассоновский. Оценочные уровни смены статистик: >=100 фото отсчётов за цикл измерения - нормальная, <=10 - пуассоновская, 10…100 - промежуточная, которая определяется источником излучения, средой распространения и самим ОЭП и, как правило, нуждается в самостоятельном исследовании. Поскольку спектр излучения Солнца довольно точно аппроксимируется черным телом, как и излучение галогенных ламп, то и в этом случае, излучение галогенной лампы приводится к цветовой температуре Солнца в требуемой спектральной области.
Схемы построения излучателей имитаторов Солнца аналогичны оптическим схемам проекционных приборов: источник света, конденсор, объектив (рис. 4). Назначение конденсора - собрать как можно большую долю светового потока источника в фокальной плоскости объектива, а объектива - задать требуемую расходимость. Корректирующий светофильтр приближает спектральное распределение источника света к солнечному в заданной области спектра.
Для решения нескольких классов задач перспективно использование в качестве источника света имитатора Солнца галогенных ламп накаливания. Их цветовая температура в рабочей области изменяется по линейному закону в зависимости от протекающего через них тока от 1900 до 3500 K, поэтому ток лампы имитатора необходимо стабилизировать электронными средствами, что и отражено на схеме (рис. 4).
Газоразрядные лампы.
Газоразрядная лампа - лампа, в которой свечение создается непосредственно или опосредованно от электрического разряда в газе, в парах металла или в смеси газа и пара.
Газоразрядные лампы - это лампы, в которых электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы и другие вещества (например, ртуть), находящиеся в парообразном состоянии.
Газоразрядная лампа представляет собой стеклянную, керамическую или металлическую (с прозрачным выходным окном) оболочку цилиндрической, сферической или иной формы, содержащую газ, иногда некоторое количество металла или др. вещества (например, галоидной соли) с достаточно высокой упругостью пара. В оболочку герметично вмонтированы (например, впаяны) электроды, между которыми происходит разряд. Существуют газоразрядные лампы с электродами, работающими в открытой атмосфере или протоке газа, например угольная дуга.
В большинстве газоразрядных ламп используется излучение положительного столба дугового разряда (реже тлеющего разряда, например в газосветных трубках), в импульсных лампах - искровой разряд, переходящий в дуговой. Существуют лампы дугового разряда с низким давлением, например натриевая лампа низкого давления; с высоким и сверхвысоким давлением, например ксеноновые газоразрядные лампы.
Для имитаторов солнечного излучения важны такие характеристики газоразрядных ламп как мощность и идентичность спектрального состава излучения солнечному (газоразрядные ксеноновые лампы в металлической оболочке).
Максимальное качество освещения - вот главное преимущество газоразрядных ламп. Газоразрядные лампы высокого давления выгодны для краткосрочного использования.
Импульсные лампы.
Импульсные источники света характеризуются высокими значениями плотностей энергии и тока при вспышке, возникающей в результате разряда конденсатора через газонаполненную трубку. В зависимости от электрических параметров схемы и конструкции импульсной лампы длительность вспышки лежит в пределах от 10-6 до 10-3 сек. Увеличение ёмкости разрядного конденсатора повышает длительность излучения и его общую энергию. Для получения возможно более кратковременных вспышек при выбранной величине ёмкости самоиндукция разрядного контура должна быть минимальной. Однако с точки зрения срока службы лампы, в ряде случаев полезно вводить в разрядный контур самоиндукцию с минимальным омическим сопротивлением.
Импульсные лампы, представляют собой стеклянную трубку, наполненную инертным газом, обычно ксеноном. В момент разряда накопительного конденсатора происходит мгновенное свечение газа очень большой яркости. Спектральный состав излучаемого света близок к солнечному.
Для возникновения вспышки необходимо ионизировать газ внутри баллона лампы. Это осуществляется с помощью высокого напряжения, подаваемого на внешний электрод лампы, представляющий собой напыление на стекло баллона или внешний провод, намотанный на трубку лампы. Рекомендуется даже в случае наличия напыления использовать дублирующий тонкий провод без изоляции, наматываемый на баллон, поскольку контакт с напылением не всегда надёжен в процессе работы.
Полупроводниковые лазеры.
Полупроводниковые лазеры испускают в УФ-, видимом или ИК диапазонах (0,32-32 мкм) когерентное излучение; в качестве активной среды применяются полупроводниковые кристаллы.
Полупроводниковые лазеры отличаются от всех других типов лазеров следующими характеристиками: высоким КПД по мощности; простотой возбуждения (непосредственное преобразование электрической энергии в когерентное излучение как в непрерывном, так и в импульсном режимах работы); возможностью прямой модуляции электрическим током до Ггц диапазона; крайне незначительными размерами; низким напряжением накачки; механической надежностью; большим сроком службы.
Изменяя состав активной среды, можно варьировать за счет изменения ширины запрещенной зоны длину волны излучения в относительно широком интервале.
Ведутся работы по созданию имитаторов на полупроводниковых лазерах. Предложен имитатор Солнца на полупроводниковых лазерах с равномерным распределением освещенности по сечению рабочего пучка света без пульсаций. Планируется использовать полупроводниковые лазерные диоды, длина волны которых 0,4 мкм (GaN), 0,63-1,55 мкм (AlGaAs), 3-20 мкм (соли свинца). Основное преимущество таких имитаторов равномерность освещения, и, как следствие, нагрева отрабатываемой поверхности изделия.
Заключение
Итак, заканчивая рассмотрение вопроса об имитации одного из основных факторов космического пространства - солнечного излучения и его воспроизводства в искусственных условиях на Земле, отметим, что развитие ракетно-космической техники пока еще находится ближе к своему началу, чем к концу. Впереди еще много новых и сложных задач, решение которых неминуемо приведет к появлению оригинальных технических решений, в том числе и в области тепловой защиты. В настоящее время ведутся разработки более эффективных источников излучения, которые в будущем обеспечат более точные, более близкие к реальным показатели при испытании КА в термобарокамерах с использованием имитаторов Солнца.
Список литературы
Чеботарев В. Е. Проектирование космических аппаратов систем информационного обеспечения : в 2 кн. Кн. 2. Внутреннее проектирование космического аппарата В. Е. Чеботарев; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. - Красноярск, 2005. - 168 с.
Петров В. П. Контроль качества и испытание оптических приборов. - Л.: Машиностроение, 1985. - 222 с.
Дубиновский А. М., Панков Э. Д. Стендовые испытания и регулировка оптико-электронных приборов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 152 с.
Войценя В. С., Гужова С. К., Титов В. И. Воздействие низкотемпературной плазмы и электромагнитного излучения на материалы. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.
Протопопов В.В., Устинов Н. Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. - М.: Воениздат, 1987. - 175 .
Сафронов Ю. П., Андриянов Ю. Г. Инфрокрасная техника и космос. - М.: Сов.радио, 1978. 248 с.
Ивандиков Я. М. Оптико-электронные приборы для ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Машиностроение, 1971. - 200 с.
Колтун М. М. Солнечные элементы. - М.: Наука, 1987. - 192 с.
Макарова Е. А., Харитонов А. В. Распределение энергии в спектре Солнца и солнечная постоянная. - М. Наука, 1972. - 288 с.
Глудкин О. П. Методы и устройства испытаний РЭС и ЭВС. - М.: Высш. шк., 1991. - 336 с.
Гуревич М. М. ВВедеине в фотометрию. - М.: Энергия, 1968. - 244 с.
Околоземное космическое пространство: Справочные данные/Под ред. Ф. С. Джонсона. - М.: Мир, 1966. - 191 с.
Инженерный справочник по космической технике/Под ред. А. В. Солодова. - М.: Воениздат. 1977. - 430 с.