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戈达德太空飞行中心的 OSAM-1 任务

发表时间:2022-06-18 16:22

挑战

飞行前必须模拟的空间环境的主要方面之一是太阳的辐照度。与硬辐射和真空中极端温度波动的影响相比,阳光的影响似乎微不足道。然而,对于某些任务,阳光的影响对于决定成败至关重要。

Landsat 7 卫星客户端的轨道正在面临退化并偏离其极地低地球科学轨道的问题。这种退化将持续到 OSAM-1 会合点。到 2026 年,Landsat 7 的轨道将发生变化,整个时期都将处于充足的阳光下。科研团队意识到他们将在阳光下运行,所以必须使用太阳模拟器进行测试,以避免遇到类似于RRM1阶段遇到的问题。 *事件背景详见《行业应用6》

该团队需要两个大面积太阳模拟器来全面测试任务的不同方面。OSAM-1 LandSat-7的对接方法将由摄像机引导。在地面上,OSAM-1团队拥有Landsat 7卫星的全尺寸模型。他们需要第一个太阳模拟器来照亮整个装置以预测OSAM-1的摄像机将看到的内容,并准确排练整个对接操作。

第二个太阳模拟器将用于任务的第二阶段,其中OSAM-1Landsat 7运行超过1米的间隙。在这种配置中,从侧面射入的阳光将创造一个独特的照明环境,需要对其进行适当的模拟才能对操作进行全面排练。

因为这两个阶段具有明显不同的配置,所以不能采用相同的太阳模拟器。因此,美国宇航局戈达德的试验团队着手采购两台大面积、精确的太阳模拟器。

小面积的大挑战

OSAM-1 团队需要照亮一大片面积,大约 14 英尺长的公共汽车,以匹配 Landsat 7 的尺寸。人造太阳照明需要在强度上保持一致,以使整个照明平面的辐照度变化最小:即他们需要把目标面积内的辐照度保持在严格的规格范围内。

实现均匀强度的最简单的办法是使光源远大于目标面积。然而,众所周知,飞上太空的部件却是越小越好。

因此,OSAM-1 团队面临的第一个挑战性问题是在最小化光源面积的情况下保持光照均匀度。

低发散角

太阳模拟解决方案的第二个关键参数是低发散角。阳光的角度大部分是准直的(即光线是平行的),因为光线必须经过很远的距离才能到达我们的星球。由于航天器各个部分的表面反射在很大程度上取决于入射角,因此 OSAM-1 团队希望确保他们获得能够充分复制这些反射的光源,以便他们了解相机可能会饱和的情况或被杂散反射变白。如果有一个具有广泛发射角度的太阳模拟器,那么反射不仅会更暗,而且发生的几何形状也会明显不同。最后,如果没有低发散太阳模拟器,相机接收角度会引入更多复杂性,最终测试的有效性也要打个问号。

匹配相机光谱响应度

OSAM-1的可见相机具有三个通道,分别为红色、绿色和蓝色(RGB)。该团队需要确保他们的相机通道针对外太空中的预期光谱( AM0 )进行准确表征,以此确保能够在预期光的全动态范围下的可视化对接操作。因此,他们需要一个太阳模拟器来再现其探测器光谱响应的预期光谱和功率 (AM0)

最小化热负载

OSAM-1的所有预期测试工作都需要在洁净室内进行,在这种环境中,对现有 HVAC空调基础设施进行更改的成本很高。为模拟器提供多大的电力供应和模拟器的副热量情况都是需要考虑的重要问题。

我使用太阳能模拟器的经验是,我们通常最终需要提供较大的电力供应和处理大量的副热量。

因此,OSAM-1 团队需要一个太阳模拟器解决方案,以最大限度地减少功耗和副热量。

降低成本

最后,对OSAM-1项目还要求尽可能降低成本。虽然OSAM-1团队不想在太阳模拟器的质量上妥协,但他们也不想超出预算。

解决方案

OSAM-1团队开始对光源供应商进行市场调查。

我们研究了氙灯光源,但考虑到体积、质量和功率限制,我们很快认为只有LED光源才可能提供最佳解决方案。

G2V 拥有能够满足我们需求的现有产品线、对我们需求的理解深刻以及具备深厚的技术储备,我们对他们有信心。

“G2V 是在产品和系统工程学方面脱颖而出的公司之一,能够提供满足我们要求的定制光照解决方案。

经过深入研究,NASA 选择 G2V 作为其太阳模拟器的承包商,原因有很多,接下来会讨论。总体而言,G2V 具有独特的定位,具有通过结合两条现有产品线为 NASA 构建解决方案的专业能力。

G2V 定制灯条以满足 NASA 的特定要求,图中正在准备装运。

多源太阳模拟器,以最大限度地少走歪路

传统的气体放电灯源,例如氙弧灯和金属卤化物灯,通常使用单个大功率灯泡来产生照明。为了在这些情况下实现均匀的光束,最简单的方法是拥有一个非常大的照明区域,并且只使用一个小的子集作为均匀区域。一旦添加了多个灯泡(此应用程序可能需要这些灯泡),就更加应该采用这个办法了,因为准直光学器件不能有效地组合光源,除非您将其中的许多光源紧密排列在一起。

拥有如此大的灯泡源也意味着使用非常大且非常昂贵的准直光学器件来尝试控制角度扩散。因此,要达到目标照明面积和低发散角度的要求,传统的气体放电灯会非常大且非常昂贵。

用于实现NASA 的发散性和均匀性要求的透镜和LED

G2V的解决方案是使用基于发光二极管的专有 Engineered Sunlight® 技术。该技术由软件控制,并且更容易形成均匀的辐照场,而不需要明显大于所需光照面积的超大面积光源。一旦把光源面积控制下来,准直光学器件的成本就随之降低,从而把太阳模拟器控制在合理尺寸,同时最大限度地降低成本。成为了高技术含量和低成本的两全其美的方案

有效减少副热量的LED 技术

LED的转化效率远高于传统的气体放电灯泡,这意味着产生太阳辐照度所需的总功耗要低得多,额外散发的热量也低得多。使用 LED 解决方案,给NASA同时解决了“低功耗”“低产热”这两个问题。

可调LED精确匹配光谱

通过使用 LED 和先进的软件控制,G2V 能够调整输出光,以更好地匹配 NASA 模拟空间 (AM0) 试验平台的精确光谱要求。

“[G2V] 开发了一个系统,让我们可以操纵和关闭LED,这样我们就可以准确地自定义我们想要呈现的太阳光。这非常棒。使用其他太阳能模拟器,只有打开的关闭,而没有可调光谱。[G2V系统] 是可编程的,这对我来说非常有用。

有针对性地降低成本并提高安全性

G2V的LED还可以针对OSAM-1的可见光相机和传感器输出所需波长的光谱,减少了整体硬件数量和成本,更不用说减少电力负载了。

拥有更有针对性的光谱也有利于运营。   

在以前有辐射的情况下,我们必须采取保护措施,而限制了可以进入测试区域的人数。

氙灯太阳模拟器的紫外线发射意味着人会因为靠近光源而被晒伤。因为它们的光谱是固定的(除非加装过滤器),紫外线照射是一个持续的危险。

然而,使用 G2V LED,紫外线发射不再是一个问题。剩下的主要安全问题只是眼睛安全,这样许多人就可以呆在同一个房间里,而只需要几个窗帘和防护眼镜,从而最大限度地减少NASA对洁净室的供应量。

组装的灯条阵列视图,将在 NASA-Goddard 的最终机械支架中使用

交付和调试

G2V用于OSAM-1的LED太阳模拟器已交付给NASA Goddard,正等待2022年初的调试:配置三个灯条阵列,获得总计约14平方米的太阳模拟器有效光照。

G2V NASA 对调试后的太阳模拟器测试工作表示高度评价。预计太阳模拟器不仅将为OSAM-1项目服务4年,而且也将在未来的任务中发挥作用。例如,美国宇航局的Artemis阿尔忒弥斯计划的许多方面将涉及地球和月球轨道上更大规模的行动,使用航天级的太阳模拟器进行地面测试工作是非常宝贵的。

图片来源:nexis.gsfc.nasa.gov/osam-1.html

OSAM-1任务还有很多工作要做。它的成功不仅意味着可以更好地处理太空垃圾,而且还可能成为进一步发展的基石,例如太空大规模组装、空间站组装和月球基地组装,所有这些都可能需要大量的太阳模拟实验来支持。

就这个项目而言,两个团队都可以为他们的工作感到自豪,最终通过为OSAM-1的独特需求提供了航天级的太阳模拟器解决方案而划上句号。

在设计期间,[G2V]工程师非常积极地了解我们的需求,并最终找到解决方案,以最好地满足这些要求,同时最大限度地降低成本、重量和功率。

我喜欢与 [G2V] 合作。[他们] 作为供应商,反应非常迅速。我们不会等待数周才能得到回复,而是往往在数小时或一天内得到答案。




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