光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用于空間站艙內(nèi)的分析探討

引言：照明系統(tǒng)是空間站內(nèi)一個(gè)重要的子系統(tǒng)，配套舒適的照明能為航天員的艙內(nèi)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(duì)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(shù)空間照明系統(tǒng)的供電來(lái)源于太陽(yáng)能電池陣/蓄電池供電系統(tǒng)。在航天器光照區(qū)，通過(guò)太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為直流電能供給負(fù)載，并將部分電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存于蓄電池組中。當(dāng)航天器進(jìn)入地球陰影區(qū)時(shí)，則由蓄電池通過(guò)控制單元中的調(diào)節(jié)裝置向負(fù)載供電。

太陽(yáng)能電池主要時(shí)基于光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)的，其基本原理是利用電池將收集到的光能根據(jù)一定的原理轉(zhuǎn)化成為可以直接使用或者可以?xún)?chǔ)存的電能，目前太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率一般在10%-20%之間。當(dāng)前這種技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣闊，但其局限性是如何提高這種光能向電能轉(zhuǎn)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?zhèn)鹘y(tǒng)的熒光燈，但是長(zhǎng)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(dá)到節(jié)約資源的目的，基于地面上應(yīng)用的光纖照明系統(tǒng)，提出了一種應(yīng)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(nèi)照明。

圖1.空間站內(nèi)的照明系統(tǒng)

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(wèi)星繞地球一周的時(shí)間為23 h 56 min 4 s,與地球自轉(zhuǎn)周期相同，衛(wèi)星相對(duì)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(nèi)，衛(wèi)星可受到太陽(yáng)光的連續(xù)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(wèi)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(jié)省飛船的照明用電，因此分析和探討光纖照明系統(tǒng)在飛船和空間站內(nèi)的應(yīng)用是非常有意義的。

事實(shí)上，早在1995年，美國(guó)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(duì)太陽(yáng)光照明系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)相關(guān)的研究。當(dāng)時(shí)這個(gè)系統(tǒng)是作為空間材料處理實(shí)驗(yàn)的熱源為另一個(gè)項(xiàng)目研制的，將其中一部分用于空間植物照明實(shí)驗(yàn)。這一系統(tǒng)主要包括了可自主聚光鏡、次級(jí)聚光鏡、光纖、植物照明器和檢測(cè)儀器，效率約為32%，通過(guò)采用高效率部件，系統(tǒng)效率可達(dá)到65%，其聚光比為1000-75000。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)光光纖照明系統(tǒng)有望于應(yīng)用于未來(lái)的空間站照明。

圖2.空間站內(nèi)的收光系統(tǒng)

二、空間光纖照明系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

典型的光纖照明系統(tǒng)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(jù)要求為客戶(hù)定制各種光纖束。可選的標(biāo)準(zhǔn)接口及護(hù)套鎧甲。

40,000小時(shí)不間斷測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明我們光纖束可以長(zhǎng)期保持透過(guò)率穩(wěn)定。
 
此外,傳統(tǒng)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?yàn)椴缓魏苇h(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(dǎo)管）相對(duì)于傳統(tǒng)的液芯光導(dǎo)管（Liquid Light Guide，液芯光纖）有著極大的優(yōu)勢(shì)，主要包括以下幾點(diǎn)：
    1.PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES在160~1200nm范圍內(nèi)提供*的透過(guò)率，
    2. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES長(zhǎng)度不想液芯光纖一樣受限制，
    3. PowerLightGuide FUSED-END BUNDLES的傳導(dǎo)性能不會(huì)隨時(shí)間而退化。
 
主要應(yīng)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(biāo)
     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(jiān)測(cè)
      紫外拉曼光譜
      紫外固化
      超高溫應(yīng)用

醫(yī)療方面：
    醫(yī)療診斷
    激光傳輸
     光動(dòng)力療法
      醫(yī)學(xué)治療

系統(tǒng)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?shù)饺魏涡枰彰鞯膱?chǎng)所，再通過(guò)合理的配光設(shè)計(jì)使傳輸過(guò)來(lái)的太陽(yáng)光均勻地散射出去。當(dāng)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(bǔ)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(tǒng)應(yīng)用于空間照明的關(guān)鍵技術(shù)為：聚光裝置的設(shè)計(jì)；聚光裝置與光纖的耦合；末端發(fā)光裝置的設(shè)計(jì)；輔助照明裝置的設(shè)計(jì)。研究上述應(yīng)用的技術(shù)難點(diǎn)，將對(duì)光纖照明系統(tǒng)應(yīng)用于空間照明并節(jié)約照明功耗具有很大作用。同時(shí)，對(duì)空間站照明的研究，也可以將其技術(shù)應(yīng)用在空間植物的培養(yǎng)方面，未來(lái)隨著人們對(duì)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(yīng)用在空間站內(nèi)植物培養(yǎng)照明，為人類(lèi)能夠探索更遙遠(yuǎn)的宇宙提供可能性。

結(jié)語(yǔ)：目前，地面上的太陽(yáng)光光纖照明系統(tǒng)與傳統(tǒng)照明技術(shù)的有機(jī)結(jié)合使得太陽(yáng)能被廣泛的應(yīng)用，大大的節(jié)約了照明供電系統(tǒng)的資源和成本，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和重要的應(yīng)用價(jià)值。而且，國(guó)內(nèi)外關(guān)于太陽(yáng)光照明與傳統(tǒng)照明結(jié)合的性能更優(yōu)的系統(tǒng)和新裝置不斷被研制出來(lái)，各國(guó)科研人員對(duì)太陽(yáng)光光纖照明實(shí)用系統(tǒng)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(yùn)用到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制作當(dāng)中，太陽(yáng)光光纖照明系統(tǒng)將是未來(lái)照明的一個(gè)大趨勢(shì)。

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