白光led在空間站艙內(nèi)照明的應(yīng)用研究

1照明系統(tǒng)的選擇未來，國家將建設(shè)空間填埋場。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。在對(duì)艙內(nèi)進(jìn)行照明設(shè)計(jì)的過程中,為了建立一個(gè)高可靠、高效、滿足人機(jī)功效要求的空間站艙內(nèi)照明環(huán)境,必須選擇合適的照明系統(tǒng),以達(dá)到相關(guān)的艙內(nèi)照明指標(biāo)并滿足對(duì)照明系統(tǒng)體積、重量、功耗的限制和可靠性的要求。目前國際空間站各艙室內(nèi)一般照明光源為熒光燈。熒光燈技術(shù)成熟,性能穩(wěn)定,可靠性高,同時(shí)具有光效高、發(fā)光均勻、表面亮度低等特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)是:含汞、帶頻閃、不易調(diào)光、維護(hù)周期短。相比之下,白色發(fā)光二極管(LED)作為一種新型照明光源,具有體積小、抗震耐沖擊、壽命長、啟動(dòng)快、工作電壓低、無頻閃、不含汞等特點(diǎn),非常適合航天飛行任務(wù)對(duì)照明系統(tǒng)的高可靠和安全性要求。同時(shí)在艙內(nèi)照明應(yīng)用中,還應(yīng)考慮LED光源的發(fā)光效能,顯色指數(shù),色溫以及眩光防止等問題。因此針對(duì)這些問題,分析研究LED光源在飛船和空間站艙內(nèi)的應(yīng)用是非常必要的。2東北部照明總要求照明指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是為了滿足空間站艙內(nèi)環(huán)境對(duì)照明質(zhì)量和數(shù)量的要求,即確保:(1)視覺舒適性,航天員感覺到舒適。(2)視覺功效,航天員在困難條件和長時(shí)間工作中,也能夠快速、準(zhǔn)確地完成視覺作業(yè)。(3)視覺安全,能夠看見艙內(nèi)外作業(yè)目標(biāo)周圍附近的物體,防止誤操作或發(fā)現(xiàn)異常情況。由于目前沒有針對(duì)航天應(yīng)用發(fā)布的照明標(biāo)準(zhǔn),空間站艙內(nèi)照明指標(biāo)主要參考國際照明委員會(huì)室內(nèi)工作場所照明標(biāo)準(zhǔn)?？臻g站艙內(nèi)照明的指標(biāo)應(yīng)包括:(1)亮度分布(2)照度(3)眩光(4)方向性(5)光色特性(6)照明系統(tǒng)的效率(7)照明系統(tǒng)的可靠性與安全性以上指標(biāo)中,(1)、(2)、(3)、(4)主要取決于光源的數(shù)量、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、燈具的安裝位置和分布、照明的方式、艙內(nèi)空間的大小形狀以及被照表面的材料特性等。(5)、(6)同時(shí)受到光源光譜功率分布、二次光學(xué)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源三者的共同影響。(7)主要從安全可靠性設(shè)計(jì)和測試兩方面進(jìn)行保證。下面結(jié)合相關(guān)指標(biāo),具體分析白光LED在艙內(nèi)照明應(yīng)用的性能特點(diǎn)及關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)。3led的染色光源的相關(guān)色溫描述了燈發(fā)射的光的表觀顏色(燈的色品)。色溫的選擇基于照度、室內(nèi)和周圍環(huán)境中物品的顏色、周圍氣候和應(yīng)用場所。通常在溫暖氣候條件下冷光的色溫更受歡迎,而寒冷氣候條件下暖光的色溫更受歡迎。光源的一般顯色指數(shù)Ra評(píng)價(jià)了光源的顯色特性,Ra越小,顏色的顯現(xiàn)質(zhì)量越低,Ra小于80的燈不得用于人們長時(shí)期工作或停留的艙內(nèi)空間。在滿足艙內(nèi)照度標(biāo)準(zhǔn)的前提下,艙內(nèi)照明應(yīng)選擇性能穩(wěn)定的LED光源,其顯色指數(shù)Ra不應(yīng)低于80。LED的色溫則需根據(jù)相關(guān)人機(jī)功效實(shí)驗(yàn)來確定,一般來說可以使用色溫在3000K至5000K之間的LED光源進(jìn)行艙內(nèi)照明。LED的發(fā)光光譜會(huì)受到LED芯片的工作結(jié)溫,電流的大小和透鏡材料的影響,應(yīng)用中應(yīng)對(duì)這些因素進(jìn)行控制以保證照明質(zhì)量。4照明行業(yè)的重要應(yīng)用技術(shù)4.1led器件的篩選與普通照明不同,航天任務(wù)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求高,用于照明系統(tǒng)中的LED器件必須經(jīng)過篩選合格才能使用;另一方面,按照相關(guān)篩選規(guī)范篩選后的LED器件光電性能相近,從而保證整個(gè)照明系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定。篩選內(nèi)容根據(jù)具體的篩選對(duì)象和篩選規(guī)范來確定。4.2led照明技術(shù)對(duì)于一個(gè)空間站內(nèi)部類似長方體的低矮空間而言,航天員處在微重力環(huán)境下,其眼睛可能朝向各個(gè)方向并與光源距離不一,因此燈具必須滿足眩光限止的要求。熒光燈由于其發(fā)光面積大,表面亮度低,光線柔和,只需要使用某些漫透射材料即能減少眩光,產(chǎn)生舒適的照明效果。相比之下,LED是點(diǎn)光源,發(fā)光面積小,亮度高,燈具若出光角度控制不當(dāng)則容易產(chǎn)生眩光。因而應(yīng)根據(jù)燈具在艙內(nèi)的安裝位置和方式對(duì)LED光源的出光角度和強(qiáng)度進(jìn)行重新分配,使LED由點(diǎn)光源變?yōu)榫鶆虻拿婀庠?發(fā)光面亮度降到足夠低,以達(dá)到限止眩光的目的。在艙內(nèi)照明燈的光學(xué)系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)上,可以使用透過率高的漫透射系統(tǒng)或者使用導(dǎo)光管、平面鏡反射系統(tǒng)等方式產(chǎn)生均勻的面光源。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以航天任務(wù)對(duì)照明系統(tǒng)的重量,體積和功耗的限制為前提,將其與不舒適眩光值之間取得一個(gè)較好的平衡。4.3出電流及電源保護(hù)LED驅(qū)動(dòng)電源為艙內(nèi)LED照明燈提供穩(wěn)定的供電,并須設(shè)置電路保護(hù)。電源輸出電流應(yīng)滿足穩(wěn)定度,輸出噪聲和啟動(dòng)時(shí)間等相關(guān)要求。電路保護(hù)應(yīng)包括輸入保護(hù),限壓保護(hù)和開路過壓保護(hù)等。驅(qū)動(dòng)電源的效率應(yīng)足夠高,以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)供電的合理利用。此外,LED驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有連續(xù)調(diào)光功能,并進(jìn)行抗輻照和電磁兼容的設(shè)計(jì)。4.4led熱性能應(yīng)注意的問題高效的散熱系統(tǒng)能夠保證LED照明燈穩(wěn)定可靠地工作。由于LED在發(fā)光的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生多余的熱,如果這些熱量過多的積累在器件內(nèi)部,則會(huì)嚴(yán)重影響LED的工作性能。具體來說,熱量積累會(huì)引起芯片的結(jié)溫升高,進(jìn)而使芯片的發(fā)光效率降低,色溫發(fā)生漂移,顯色指數(shù)變劣,最終導(dǎo)致LED燈壽命縮短。圖1顯示了不同顏色LED樣品由于結(jié)溫升高,導(dǎo)致輸出光與熒光粉失配,從而造成光輸出下降的情況。另外,結(jié)溫還會(huì)影響芯片的壽命。圖2為某公司產(chǎn)品壽命隨結(jié)溫的變化情況,定義數(shù)量10%的光源下降至其初始光通量的70%時(shí)刻作為樣品的有效壽命(B10,L70)。可以看出,在350mA電流下,結(jié)溫從127℃升高到135℃使該LED的壽命降低了約3萬小時(shí),下降程度達(dá)50%,即LED隨結(jié)溫上升的失效可能性增大,這在艙內(nèi)照明的應(yīng)用中是必須避免的。針對(duì)以上情況,除了篩選性能良好的LED器件外,在使用條件上必須保證LED能充分地散熱并控制驅(qū)動(dòng)電流的大小防止LED結(jié)溫過高。即一方面要針對(duì)LED燈具設(shè)計(jì)良好的散熱系統(tǒng),減小芯片到艙體的熱阻;另一方面要保證恒流電源的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。為了進(jìn)行散熱,可以將LED燈安裝在鋁支架上,通過艙體進(jìn)行散熱?？臻g站艙內(nèi)一般是一個(gè)恒溫環(huán)境,這對(duì)于LED工作來說是有利的。4.5led燈為東北部最由于航天飛行任務(wù)的特殊性以及與地面不同的應(yīng)用條件,應(yīng)考慮LED照明系統(tǒng)在空間惡劣環(huán)境下的可靠性,以保證航天任務(wù)的順利實(shí)施和航天員的安全。這些影響的因素包括火箭升空帶來的加速度與沖擊振動(dòng),空間的高低溫環(huán)境,熱真空環(huán)境等。因此應(yīng)進(jìn)行器件的升級(jí)篩選和LED艙內(nèi)燈光學(xué)系統(tǒng),散熱系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源的可靠性分析和設(shè)計(jì),并對(duì)燈具進(jìn)行包括老煉試驗(yàn),熱循環(huán)試驗(yàn),熱真空試驗(yàn),抗輻照試驗(yàn),加速度試驗(yàn),沖擊試驗(yàn)在內(nèi)的一系列可靠性試驗(yàn)。我國于2008年9月發(fā)射的神舟七號(hào)飛船上便使用了LED燈為航天員提供艙外照明。這驗(yàn)證了LED照明系統(tǒng)能夠在復(fù)雜惡劣的艙外空間環(huán)境可靠穩(wěn)定地工作,具有很高的可靠度。圖3為神舟七號(hào)飛船航天員出艙活動(dòng)燈樣機(jī)。由于艙內(nèi)環(huán)境不像艙外惡劣,因此該飛行經(jīng)歷也表明LED照明系統(tǒng)在艙內(nèi)應(yīng)用中同樣具備了航天任務(wù)的高可靠度要求?？傮w上來講,LED是固態(tài)發(fā)光器件,壽命長、不含汞、體積小、耐沖擊振動(dòng),在艙內(nèi)照明中相比氣體放電光源具有更好的可靠性。5航天照明系統(tǒng)的安全性照明系統(tǒng)的安全性是航天飛行任務(wù)必須滿足的最高要求。LED照明系統(tǒng)的安全性主要從以下兩個(gè)方面考慮。(1)LED光源是由硅膠、半導(dǎo)體材料、金屬材料等封裝的固態(tài)器件,結(jié)構(gòu)堅(jiān)固,在正常使用時(shí)不會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)和破碎情況。由于LED是冷光源,驅(qū)動(dòng)電路沒有高電壓,因此不會(huì)由于高溫和破碎后引發(fā)連帶觸電事故,自身的安全性和對(duì)外界環(huán)境的安全性都很好。(2)LED的光輻射可能造成皮膚和眼睛的光化學(xué)危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍(lán)光光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜無晶狀體光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等。在航天照明應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(CIES009/E:2002和IEC60825)嚴(yán)格避免此類傷害的出現(xiàn)。另外艙內(nèi)照明燈的外殼溫度應(yīng)控制在45℃以內(nèi),以避免給航天員造成燙傷。與熒光燈相比,LED光源不含對(duì)人體有害的物質(zhì)汞。在功耗考慮上,高效的艙內(nèi)照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)艙內(nèi)供電的合理利用。在滿足艙內(nèi)照明指標(biāo)的前提下,應(yīng)盡量提高驅(qū)動(dòng)電源的效率和燈具效率。同時(shí)LED的發(fā)光效能還會(huì)受到結(jié)溫的影響,使用中應(yīng)嚴(yán)格控制其結(jié)溫在一定水平,以保證燈具有足夠的光輸出。6led光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢以上幾點(diǎn)問題的解決是LED在空間站照明中應(yīng)用的基礎(chǔ)和前提。除此之外,LED光源發(fā)光效能高、啟動(dòng)時(shí)間快、啟動(dòng)溫度范圍寬、工作電壓低、點(diǎn)亮后無頻閃;LED容易設(shè)計(jì)特殊配光、二次光學(xué)系統(tǒng)效率高;耐沖擊;容易實(shí)現(xiàn)顏色和亮度控制。這些特點(diǎn)為LED替代熒光燈進(jìn)行艙內(nèi)照明提供了優(yōu)勢。7空間照明應(yīng)用的可行性驗(yàn)證除我國在飛船軌道艙外進(jìn)行了白光LED照明系統(tǒng)的應(yīng)用外,美國國家航天航空局于2008年在國際空間站艙內(nèi)進(jìn)行了固態(tài)照明燈(SolidStateLightingModule)和一般照明燈(GeneralLuminariesAssembly)的實(shí)驗(yàn)比較測試,以驗(yàn)證LED在空間照明應(yīng)用的可行性。圖4上為國際空間站艙內(nèi)的熒光燈(GLA),下為替代的LED燈具(SSLM)。表1為NASA公布的兩種照明燈具的測試結(jié)果。從上述實(shí)例可以看出,用LED光源替代熒光燈進(jìn)行艙內(nèi)照明是具有優(yōu)勢并可行的。8led照明關(guān)鍵技術(shù)相比熒光燈來說LED照明系統(tǒng)在空間站照明具有更大的優(yōu)勢,包括(1)壽命長,維護(hù)周期長,降低運(yùn)輸重量和減少航天任務(wù)次數(shù)(2)體積重量小,方便安裝(3)0～100%調(diào)光,改變艙內(nèi)照度與色溫,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)照明情景的切換因此LED光源替代熒光燈為空間站艙內(nèi)提供一般照明具有可行性,應(yīng)著手進(jìn)行適合于未來載人空間站的L