光纖照明系統應用于空間站艙內的分析探討

引言：照明系統是空間站內一個(gè)重要的子系統，配套舒適的照明能為航天員的艙內生活、作業(yè)提供良好的照明環(huán)境，保障航天員的人身安全。同時(shí)，照明的功耗控制也對整個(gè)航天任務(wù)的順利實(shí)施起到重要作用。

目前絕大多數空間照明系統的供電來(lái)源于太陽(yáng)能電池陣/蓄電池供電系統。在航天器光照區，通過(guò)太陽(yáng)能電池的光伏效應把太陽(yáng)能轉換為直流電能供給負載，并將部分電能轉化為化學(xué)能儲存于蓄電池組中。當航天器進(jìn)入地球陰影區時(shí)，則由蓄電池通過(guò)控制單元中的調節裝置向負載供電。

太陽(yáng)能電池主要時(shí)基于光電轉換實(shí)現的，其基本原理是利用電池將收集到的光能根據一定的原理轉化成為可以直接使用或者可以?xún)Υ娴碾娔?，目前太?yáng)能電池的轉換效率一般在10%-20%之間。當前這種技術(shù)的應用范圍很廣闊，但其局限性是如何提高這種光能向電能轉換的效率。近年來(lái)，雖然越來(lái)越多的飛行器開(kāi)始采用功率較低、性能更優(yōu)的LED光源代替傳統的熒光燈，但是長(cháng)時(shí)間不間斷的照明仍會(huì )產(chǎn)生較大的功耗。為了充分利用太陽(yáng)光以達到節約資源的目的，基于地面上應用的光纖照明系統，提出了一種應用于空間照明的太陽(yáng)能光纖照明方案，直接利用太陽(yáng)光進(jìn)行艙內照明。

圖1.空間站內的照明系統

一、光纖照明可行性分析

以位于赤道上空35860 Km的同步軌道為例，衛星繞地球一周的時(shí)間為23 h 56 min 4 s,與地球自轉周期相同，衛星相對地球來(lái)說(shuō)是靜止的，一年中僅在春分和秋分前后45天，而且每天最多只有72 min被地球遮擋，其余時(shí)間內，衛星可受到太陽(yáng)光的連續照射。和地面相比，用同樣的面積的太陽(yáng)能電池板，在同步軌道可獲得6-11倍的太陽(yáng)能。如果衛星處于圓形日心軌道，則不存在地球遮擋時(shí)間。如果我們能充分利用這段時(shí)間的太陽(yáng)光直接進(jìn)行照明，將大大節省飛船的照明用電，因此分析和探討光纖照明系統在飛船和空間站內的應用是非常有意義的。

事實(shí)上，早在1995年，美國物理科學(xué)公司和道格拉斯宇航公司在NASA的資助下，就曾對太陽(yáng)光照明系統進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究。當時(shí)這個(gè)系統是作為空間材料處理實(shí)驗的熱源為另一個(gè)項目研制的，將其中一部分用于空間植物照明實(shí)驗。這一系統主要包括了可自主聚光鏡、次級聚光鏡、光纖、植物照明器和檢測儀器，效率約為32%，通過(guò)采用高效率部件，系統效率可達到65%，其聚光比為1000-75000。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)光光纖照明系統有望于應用于未來(lái)的空間站照明。

圖2.空間站內的收光系統

二、空間光纖照明系統關(guān)鍵技術(shù)

典型的光纖照明系統主要由聚光裝置、光纖束、末端發(fā)光裝置以及輔助裝置等部分組成。

其中光纖束及光線(xiàn)跳線(xiàn)作為重要的組成部分，起到了光線(xiàn)傳輸何承載的重要作用。

我們提供各種光纖束，并根據要求為客戶(hù)定制各種光纖束?？蛇x的標準接口及護套鎧甲。

40,000小時(shí)不間斷測試實(shí)驗表明我們光纖束可以長(cháng)期保持透過(guò)率穩定。
 
此外,傳統的光纖束均采用環(huán)氧膠來(lái)交合光纖，這一方式使光纖束的傳輸效率變低，我們PowerLightGuide  FUSED-END BUNDLES 抗紫外光纖束（Optran® UVNS光纖）則采用輸入端熔融工藝從而減小光纖間的空隙，極大的提供光纖束的透過(guò)效率。在保持光纖的NA不變的情況下，PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES傳輸效率提高50%。因為不含任何環(huán)氧膠，PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES在攝氏1500度的情況下依然可以正常工作。

PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES（光纖束，光纖光導管）相對于傳統的液芯光導管（Liquid Light Guide，液芯光纖）有著(zhù)極大的優(yōu)勢，主要包括以下幾點(diǎn)：
    1.PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES在160~1200nm范圍內提供*的透過(guò)率，
    2. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES長(cháng)度不想液芯光纖一樣受限制，
    3. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES的傳導性能不會(huì )隨時(shí)間而退化。
 
主要應用：

工業(yè)及科學(xué)方面:
    替換  UV液芯光纖

光譜學(xué)
     傳感器
     紫外光刻
     激光焊接/錫焊/打標
     激光能量傳送
     核等離子體診斷
     分析儀器
     激光二極管尾纖
       Thomson散射
      紫外照明及監測
      紫外拉曼光譜
      紫外固化
      超高溫應用

醫療方面：
    醫療診斷
    激光傳輸
     光動(dòng)力療法
      醫學(xué)治療

系統的工作原理：聚光裝置將入射的太陽(yáng)光進(jìn)行會(huì )聚，會(huì )聚后的太陽(yáng)光通過(guò)光纖束傳輸到任何需要照明的場(chǎng)所，再通過(guò)合理的配光設計使傳輸過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光均勻地散射出去。當無(wú)太陽(yáng)光照射或太陽(yáng)光不足時(shí)，利用輔助照明裝置進(jìn)行補充照明，以保證高質(zhì)量的照明環(huán)境。

太陽(yáng)光光纖照明系統應用于空間照明的關(guān)鍵技術(shù)為：聚光裝置的設計；聚光裝置與光纖的耦合；末端發(fā)光裝置的設計；輔助照明裝置的設計。研究上述應用的技術(shù)難點(diǎn)，將對光纖照明系統應用于空間照明并節約照明功耗具有很大作用。同時(shí)，對空間站照明的研究，也可以將其技術(shù)應用在空間植物的培養方面，未來(lái)隨著(zhù)人們對宇宙空間的不停探索，光纖照明將不僅僅限于空間站的生活照明，同樣可以應用在空間站內植物培養照明，為人類(lèi)能夠探索更遙遠的宇宙提供可能性。

結語(yǔ)：目前，地面上的太陽(yáng)光光纖照明系統與傳統照明技術(shù)的有機結合使得太陽(yáng)能被廣泛的應用，大大的節約了照明供電系統的資源和成本，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和重要的應用價(jià)值。而且，國內外關(guān)于太陽(yáng)光照明與傳統照明結合的性能更優(yōu)的系統和新裝置不斷被研制出來(lái)，各國科研人員對太陽(yáng)光光纖照明實(shí)用系統的開(kāi)發(fā)研究正在進(jìn)一步深入，各種新方案、新器件不斷被運用到系統的設計和制作當中，太陽(yáng)光光纖照明系統將是未來(lái)照明的一個(gè)大趨勢。

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