航天器应用丨太阳模拟器的原理、性能及国内外设备现状

 

在航天器热平衡试验领域，传统吸收热流模拟方法已难以满足新型航天器复杂构形与差异化表面热光学性能的需求。太阳模拟器凭借精准模拟太阳辐照的准直性、均匀性和光谱特性的能力，成为深空探测等前沿任务的核心装备。Luminbox全光谱准直型太阳光模拟器系统可集成于模拟近地轨道及深空环境的多功能实验舱，为航天装备测试提供精准光辐照条件。

太阳模拟器的原理

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基于太阳模拟器的热平衡试验系统结构示意

太阳模拟器可以在地面较为真实地模拟太阳光的辐照度和光谱分布等参数。其热平衡试验系统结构中，太阳模拟器由光学系统、光学测量系统、冷却系统、电源与控制系统、运动模拟器系统等组成。

光学系统作为核心部分，主要由氙灯、聚光镜、光学积分器和准直系统 4 部分组成，采用离轴方式，使得光学系统光轴与均匀辐照体积的对称轴成一定角度。

太阳模拟器的性能参数

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太阳模拟器的性能直接决定了热平衡试验的准确性和可靠性，其主要性能参数包括辐照面积和辐照度、辐照不均匀度、辐照不稳定度、准直角以及光谱匹配性等。

 

辐照面积：模拟器可提供的有效辐照面尺寸，分大型（＞4m）、中型（1~3m）、小型（＜1m）。

辐照度：垂直照射方向的功率密度（W/m²），标准需达 1 个太阳常数(1367W/m²），受光源功率、光学组件效率影响。

辐照不均匀度：辐照不均匀度用于衡量试验空间内各位置辐照度的不一致程度，分为面不均匀度和体不均匀度。

辐照不稳定度：辐照不稳定度是指在有效辐照面内任一位置，规定时间间隔内辐照度随时间变化的最大相对偏差。

准直角：模拟光线的非平行度参数，影响航天器阴影区模拟精度。真实太阳光准直角为 32'，模拟器通常控制在 ±2° 以内，避免阴影变形误差。

光谱匹配性：模拟光谱与空间太阳光谱（AM0）的一致性，直接影响试验误差。不同场景需求不同，如光电测试需严格匹配，热平衡试验可结合试件特性调整。

国外太阳模拟器设备现状

 

美国：以 JPL 为代表，其大型模拟器经 60 余年迭代，辐照均匀度（面 ±4%，体 ±5%）与准直角（±1°）达全球顶尖水平，支撑 “好奇号” 等深空探测器试验。

欧洲：ESTEC 模拟器以辐照面积大（直径 6m）、多指标 A 级（不稳定度 ±0.5%/h）成为国际共享平台，设计理念被中国 KM6 模拟器借鉴。

日韩印等：日本 NASDA 模拟器面均匀度达 A 级，但体均匀度稍逊（±10%）；印度、韩国近年建成中型模拟器，逐步进入航天应用领域。

国内太阳模拟器设备现状

 

 

 

我国太阳模拟器性能参数表

大型化突破：KM6 模拟器辐照面直径 5m，超越日本（4.5m）、印度（4.5m）等国家，接近欧空局 ESTEC（6m），满足大型航天器（如空间站舱段）试验需求。

稳定性提升：KM6 不稳定度 ±0.5%/h（优于美国 JPL 的 ±1%/h），达到 ASTM A 级标准，适合长时间热平衡测试。

我国太阳模拟器KM6等设备标志着大型化与稳定性达到国际先进水平，但在极端环境模拟、光谱精度和动态响应能力方面仍需突破。

综上所述太阳模拟器的核心原理与系统组成，揭示了其通过离轴光学设计、氙灯光源和精密准直技术，实现对太阳辐照的准直性、均匀性及光谱特性的高精度模拟。本文深入分析了关键性能参数（如辐照面积、不均匀度、准直角等）的定义、标准及影响因素，并通过国内外设备对比，凸显了我国KM6等模拟器在辐照面积和均匀性上已接近国际先进水平，但在高辐照扩展和光谱匹配性方面仍需突破。

Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器

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Luminbox 全光谱准直型太阳光模拟器为跨行业材料提供高精度老化测试与性能验证，能精准模拟自然光环境，支持光谱 / 亮度 / 色温调控。

全光谱覆盖：350nm-1100nm 光谱，贴近自然光权重

高动态亮度：2 米处 20,000-150,000Lux，满足 HUD 亮度响应测试

强光抗扰验证：直射模拟复现图像模糊 / 重影问题场景

多场景适应：支持日间 / 夜间 / 隧道等光照动态切换测试

随着深空探测任务的复杂化，太阳模拟器需向更高辐照范围（如10个太阳常数）、更低背景热流干扰（如木星探测）及智能化动态调控方向发展。LuminBox等新型模拟器展现的技术路线，为传统大型设备的性能提升提供了有益参考。