学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

高精度准直式太阳模拟器及其关键技术研究

作　者: 刘石
导　师: 张国玉
学　校: 长春理工大学
专　业: 光学工程
关键词: 太阳模拟器光学积分器组合聚光镜仿真分析热控结构太阳敏感器
分类号: V416.8
类　型: 博士论文
年　份: 2014年
下　载: 21次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载

内容摘要

太阳模拟器是一种模拟地球外层空间太阳光辐射的装置,在太阳敏感器的地面试验、测试与精度标定方面得到了广泛的应用。太阳敏感器是卫星控制系统中一种姿态敏感器。通过敏感太阳矢量的方位来确定太阳矢量在星体坐标中的方位,从而获取航天器相对于太阳方位信息的光学姿态敏感器。由于航天试验的特殊性,对于太阳敏感器的精度测试往往需要在地面进行,太阳敏感器的地面精度标定是实现其姿态准确测量必不可少的重要环节,因此太阳敏感器的高精度标定问题是航天领域亟待解决的难题,将直接影响航天器在轨道上的工作精度。目前国内外研制的太阳模拟器,只能模拟太阳光辐射中某几个方面的特性,不能模拟太阳的全部特性。造成这一现象的原因主要是由于系统各参数设计的相互制约,尤其是太阳准直角和太阳辐照度之间的矛盾,当太阳模拟器的辐照度达到一个太阳常数时,所模拟的太阳准直角通常为1°～2°；当模拟的太阳准直角为32’时,辐照度一般仅为0.1～0.3个太阳常数。为此,本文在探索太阳敏感器高精度标定方法和解决途径的基础上,以提高标定精度为目标,开展高精度准直式太阳模拟器关键技术研究,突破制约同时模拟真实太阳张角和真实太阳辐照度的瓶颈问题,实现真实模拟空间太阳光特性,即辐射光束输出特性应具有真实的太阳辐照度、太阳张角(准直角)、光谱分布、辐射稳定性、均匀性和足够大的光束口径。设计一种具有一个太阳常数、32’张角的太阳模拟器,详细介绍了太阳模拟器组成和总体结构,重点研究了太阳模拟器光学系统的设计方法,包括模拟器光源的选取、组合聚光镜的设计、光学积分器及准直物镜的优化设计,并对整个系统进行了光学仿真分析。深入研究了热控结构,并对其机械系统进行了设计,包括氙灯调整机构及其热控结构、组合聚光镜调整装置及其热控结构、转向平面反射镜支撑机构及其热控结构、积分器与光阑机构及其热控结构。本文设计的太阳模拟器不但可直接用于现有太阳敏感器模拟试验、性能测试与精度标定,更重要的是也可用于未来其它新型太阳敏感器的模拟试验、性能测试与精度标定。它的研究对太阳敏感器的质量考核、性能测试和生产均具有重要意义。为了提高系统的能量利用效率,设计了组合聚光镜作为太阳模拟器的聚光系统。与传统的椭球聚光镜相比,组合聚光镜可以提高聚光效率和积分器的口径利用率；提出一种光学积分器的优化设计方法,并结合Zemax的序列与非序列功能对积分器的结构参数进行优化,从成像关系的角度考虑积分器的序列优化,不仅避免了非序列光线追迹效率低、时间长的缺点,也为光学积分器的优化设计提供一种新的方法,并得到了良好的设计结果；为了更加真实地对氙灯进行建模,以氙灯的配光曲线作为依据,采用嵌套灯弧的建模思想,将整个灯弧分为能量分布核心区和非核心区,各区域能量根据氙灯发光配光曲线的角度关系来分配能量,克服了传统的氙灯模型的辐射能量分布梯度不明显的缺点。使用光学仿真软件对氙灯的离焦及投影镜的离焦对辐照面上均匀性的影响进行了详细的分析,对后续的太阳模拟器的装调工作起到了指导的作用。针对太阳模拟器在工作时会出现热量集中的现象,需要在保证机械支撑的刚度及易调节的前提下,对热控结构进行合理设计和分析。整个模拟器系统采用强迫风冷的方式进行散热,对热量集中的零部件设计了专门的散热机构。运用Ansys软件进行热学仿真分析,保证热控设计的合理性与最优性。组合聚光镜是太阳模拟器的重要组成部件,对辐照面的辐照度和辐照均匀性都有很大的影响,由于模拟器的光源在其内部,是热量最集中地区域,通过在聚光镜外壁设置环状散热片以及在合适的位置开通风孔达到散热的效果。设计了调整环,可以实现轴向和径向的调节；采用三顶三拉的方式实现倾斜角度的调整,并且具有锁紧。积分器是整个模拟器的核心组成部分,是模拟器实现各项指标的关键,由于其处在聚光镜的第二焦点处,所受到的热载荷很大,所以在积分器上使用了空心圆柱翅片型散热器。为了达到高散热效率和轻质量的使用要求,以散热量为条件函数,质量为目标函数,对圆柱翅片型散热器进行了结构优化设计,效果良好,保证了积分器正常功能的实现。综上所述,本文研究的一个太阳常数、32’张角的太阳模拟器,能够真实模拟太阳光的辐照特性,可用于卫星控制系统中高精度太阳敏感器测量精度的地面标定和仿真试验,解决了太阳敏感器的高精度标定难题,为研制高精度太阳敏感器奠定了技术基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章绪论  12-26
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  12
  1.2 太阳敏感器简介  12-14
  1.3 太阳模拟器国内外研究现状  14-23
    1.3.1 国外研究发展状况  14-20
    1.3.2 国内研究发展现状  20-23
  1.4 主要研究内容和关键技术  23-25
    1.4.1 主要研究内容  24
    1.4.2 拟解决关键技术  24-25
  1.5 本章小结  25-26
第二章太阳辐射模拟技术基础  26-34
  2.1 太阳辐射基本知识及相关术语  26-30
    2.1.1 太阳及太阳辐射  26
    2.1.2 大气质量和太阳常数  26-27
    2.1.3 太阳光谱  27-28
    2.1.4 太阳角  28-30
  2.2 太阳模拟器国家标准  30
  2.3 太阳模拟器的分类  30-33
  2.4 本章小结  33-34
第三章高精度太阳模拟器的总体方案设计  34-42
  3.1 太阳模拟器的组成、总体结构和工作原理  34-38
    3.1.1 太阳模拟器的组成和功用  34-36
    3.1.2 太阳模拟器的总体方案与总体结构布局  36-38
    3.1.3 太阳模拟器的工作原理  38
  3.2 太阳模拟器主要部分的设计与选取  38-40
    3.2.1 自准直瞄准光学系统设计  38-39
    3.2.2 自准直瞄准系统机构设计  39-40
    3.2.3 准直物镜机构设计  40
    3.2.4 支撑机构的设计  40
  3.3 太阳模拟器的主要技术指标  40-41
  3.4 本章小结  41-42
第四章高精度太阳模拟器光学系统优化设计与仿真分析  42-84
  4.1 太阳模拟器光学系统组成及总体布局  42-43
  4.2 光学系统各部分的设计  43-71
    4.2.1 光源的选取  43-48
    4.2.2 组合聚光镜的设计  48-54
    4.2.3 光学积分器的设计  54-64
    4.2.4 光学滤光片设计  64-67
    4.2.5 准直物镜的优化设计  67-70
    4.2.6 转向平面反射镜的设计  70-71
  4.3 基于蒙特卡罗方法的太阳模拟器建模与仿真  71-81
    4.3.1 光线追迹法中的蒙特卡洛算法  72
    4.3.2 组合聚光镜模型与仿真结果分析  72-73
    4.3.3 氙灯模型与仿真结果分析  73-80
    4.3.4 光学积分器模型与仿真结果分析  80-81
  4.4 光学系统仿真  81-82
  4.5 本章小结  82-84
第五章高精度太阳模拟器机械系统设计与热分析  84-104
  5.1 传热学理论基础  84-86
    5.1.1 热传递的方式  84-85
    5.1.2 稳态传热和瞬态传热  85
    5.1.3 单值性条件  85-86
  5.2 太阳模拟器机械结构设计  86-103
    5.2.1 箱体的设计  87-88
    5.2.2 冷却方式的选择  88-90
    5.2.3 氙灯调整机构及热控结构  90-92
    5.2.4 组合聚光镜调整装置及热控结构  92-93
    5.2.5 转向平面反射镜的支撑机构和热控结构  93-97
    5.2.6 积分器与光阑机构及其热控结构  97-103
  5.3 本章小结  103-104
第六章试验方法与结果分析  104-112
  6.1 辐照度的测试方法与结果分析  104
    6.1.1 测试方法  104
    6.1.2 测试结果分析  104
  6.2 辐照不均匀度的测试方法与结果分析  104-107
    6.2.1 测试方法  105-106
    6.2.2 测试结果分析  106-107
  6.3 辐照不稳定度的测试方法与结果分析  107-108
    6.3.1 测试方法  107
    6.3.2 测试结果分析  107-108
  6.4 光束准直角的测试方法与结果分析  108-109
    6.4.1 测试方法  109
    6.4.2 测试结果分析  109
  6.5 光束准直误差的测试方法与结果分析  109-111
    6.5.1 测试方法  109-110
    6.5.2 测试结果分析  110-111
  6.6 本章小结  111-112
第七章总结与展望  112-116
  7.1 主要研究工作总结  112-113
  7.2 论文主要创新工作  113
  7.3 前景展望  113-116
致谢  116-118
参考文献  118-122
攻读博士期间的学术成果和参与科研情况  122-124
作者简介  124

高精度准直式太阳模拟器及其关键技术研究

内容摘要

全文目录

相似论文