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KM6太阳模拟器
KM6 太阳模拟器设计概述
庞贺伟，黄本诚，臧友竹，陈金明
（1. 中国空间技术研究院，北京 100094；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）
摘要：文章介绍了 KM6 太阳模拟器的设计方案。为实现先进的技术指标，KM6 太阳模拟器选用了离轴准直光学系统设计方案，并对该光学系统进行了理论分析。文章还介绍了机械结构设计、冷却系统设计、电控系统设计、光学装校和光学测量设备设计的关键。采用有限元分析方法对设计进行了优化。
关键词：有限元分析；光学积分器；程控电源
1 引言
KM6 载人空间环境模拟试验设备是载人空间工程所需的关键地面环模设备，KM6 太阳模拟器是该设备的一个分系统。KM6 太阳模拟器的设计工作包括总体设计、光学系统设计、准直镜系统设计、真空密封窗口及机械结构设计、光学积分器结构设计、平面镜组件设计、灯室组件设计、冷却系统设计、电控系统设计、光学装校、光学参数测量等 11 个部分，设计量大。本文是对 KM6太阳模拟器设计的概述。
2 技术指标和设计方案
2.1 技术指标
KM6 载人空间环境模拟设备总体对太阳分系统提出如下技术指标：
辐照试验体积：φ5m×4m；
光线入射方向：水平方向；
辐照度： 500～1760W/m2；
辐照不均匀度：辐照试验面内≤±5％；
辐照试验体积内≤±6％；
辐照不稳定度：≤±1％/h；
离轴角： 29°；
准直角： ±2°；
采用计算机数据采集、管理，实时显示太阳模拟器辐照不稳定度和氙灯电学参数。
2.2 设计方案
KM6 太阳模拟器采用离轴准直光学系统，这是对国外大型太阳模拟器进行充分调研后确定的。
在 20 世纪 70 年代，美国先进的太阳模拟器[1]都是采用离轴准直光学系统。德国在 80 年代也采用离轴准直光学系统[2]研制出了技术先进的大型太阳模拟器。因为根据理论分析，离轴准直光学系统能达到较好的辐照均匀度。
KM6 太阳模拟器的结构由灯室（包括支架、聚光系统、水冷档板）、平面反射镜组件、光学积分器、真空密封窗口和准直镜组成，如图 1 所示。聚光系统由 19 个氙灯单元组成，每个氙灯单元用25kW 水冷短弧氙灯做光源，每个光源配备一个由水冷却的椭球聚光镜和调节机构。19 个氙灯单元将 19 支氙灯发出的光汇集到光学积分器上。光学积分器使辐照变得均匀，并通过真空密封窗口将光辐射到准直镜，由准直镜反射形成平行光束。 其中，准直镜是放置在辅助真空容器里，其余组件都放置在真空容器外。真空密封窗口担负着真空密封和将光引入真空容器的作用。
为获得稳定的辐照，氙灯电源采用大功率程控电源，单台 30kW 功率。程控电源采用恒流工作模式，可以根据计算机的命令，自动控制输出 电流的强度和稳定性。
KM6 太阳模拟器控制系统通讯采用的是工业以太网。KM6 太阳模拟器除了在大气环境下检测性能之外，试验期间还需在参考平面上应用探测器来监测辐照值。
3 光学系统设计和理论分析
3.1 光学系统设计
KM6 太阳模拟器光学系统采用离轴准直光学系统，由 19 支氙灯、19 个椭球聚光镜、平面反射镜、光学积分器、光学窗口镜和准直镜组成。
光学参数和相对位置如图 2 和表 1 所示。
3.1.1 聚光镜
KM6 太阳模拟器选择 19 支 25kW 水冷短弧氙灯为光源，每支氙灯配备一个椭球面聚光镜构成一个氙灯单元，共 19 个。这些氙灯单元安放在一个球面封头上，球面封头的开口直径为 3138.30mm。
椭球面聚光镜参数： ：f1=78.9mm；mo=85；f2=6706.5mm。
椭球面聚光镜子午面内截线方程式： y2=2R0x-(1-e2)x2 ,
其中：R0=2×f1×f2/(f1+f2)；
e=(f2–f1) / (f2+f1)；
y2=311.9302x-0.045971 x2。
聚光镜出射端口径：Φom ＝540.0mm。
聚光镜有效包容角：Um-Uo=121°-42°＝79°。
3.1.2 光学积分器
选择对称式光学积分器镜组，由口径相等的场镜阵列和投影镜阵列组成，每个阵列由 55 个圆口径的平凸透镜组成，并按蜂窝状结构排列。
光学积分器通光口径：Φo=694mm。
元素透镜口径：Φn=80.5105mm。
光学积分器阵列的有效通光比：α=0.725。
投影镜元素透镜相对孔径：Φn/f=1/2。
投影镜焦距：f=2Φn=161.0211mm。
投影镜凸面半径：r 投=73.8443mm。
场镜透镜凸面半径：r 场=71.9973mm。
3.1.3 平面反射镜
平面反射镜到光学积分器场镜阵列的距离为 1800mm，到灯阵中心聚光镜出瞳的轴向距离为 4645mm。平面反射镜有效通光口径为 1647mm×2422mm，光轴与镜面交点相对于镜面中心向上偏离215mm。该平面反射镜由 15 块平面反射镜单元拼接而成，每块平面反射镜单元尺寸为 482mm×547mm，为防止镜面受热变形，用水冷却。平面反射镜表面的反射率≥86%，光圈 N=5、局部光圈&＃8710;N=1。
3.1.4 准直镜
准直镜由 121 个正六边球面反射镜拼接而成，拼接镜最大口径 Dm=6636mm、通光口径 Do=5200mm；准直镜顶点曲率半径 R=24800mm、近轴焦距 F=11200mm。
每个正六边形球面镜的内切圆直径和外接圆直径分别为：2r 内=600.6612mm；2r 外=693.5839mm。
正六边形球面镜边缘之间隙尺寸选为 5mm。
正六边形球面镜表面的反射率≥86%，光圈 N≤5、局部光圈&＃8710;N≤1。
3.1.5 窗口镜
由于准直镜放置在 KM6 辅助容器内，灯室组件和光学积分器放置在辅助容器外，为了将光引入真空的辅助容器，设计了窗口镜起到通光和真空密封作用。其外形尺寸如下：
窗口镜口径：D=942mm；
有效通光口径：Do=850mm；
厚度：h=90mm。
表 1 KM6 太阳模拟器光学系统参数
注 : r1——准直镜曲率半径；r2——窗口镜内表面曲率半径；r3——窗口镜外表面曲率半径；r4——投影镜凸面曲率半径；r5——投影镜平面曲率半径；r6——场镜平面曲率半径；r7——场镜凸面曲率半径；r8——平面反射镜曲率半径；r9——聚光镜环带曲率半径；R—曲率半径值；Φ—通光口径值；ΔL—距离间隔；L—距离，原点为准直镜顶点。
* 积分器通光口径为 φ694mm ，55 个光学通道，n = 1.4586；
** 聚光镜方程式:
聚光镜数量：19 个。
3.2 辐照度计算
3.2.1 在辐照面积直径为φ5000mm 圆内的辐照度 E=1760W/m2；在辐照面积直径为φ5000～φ5400 圆环内的辐照度 E=1408W/ m2。W0=E·π·D02/4=34.54kW，其中：D0= 5000mm。 W0&＃039; =E&＃039;·π·（D12- D02)/4=4.598kW，其中：D1=5400mm。
W 有效=W0+ W0&＃039;=39.137kW。
3.2.2 计算光学系统效率 k
k= k1· k2· k3· k4· k5· k6· k7· k8· k9=0.102，
式中：k1 为氙灯光电转换效率，取值 0.45；k2 为聚光镜收集率，取值 0.75；k3 为聚光镜反射率，取值 0.86；k4为光学积分器孔径利用率，取值 0.85；k5 为光学积分器装配利用率，取值 0.73；k6 为场镜、投影镜、窗口透过率，取值 0.9453；k7为准直镜反射率，取值 0.8；k8 为准直镜效率，取值0.9；k9为平面反射镜反射率，取值 0.85。
3.2.3 氙灯运行最大功率计算
W= W 有效/ k /n=39.137/0.102/19=20.195kW，
其中：W 有效=39.137kW；k =0.102；n=19。
3.3 理论分析
3.3.1 理想辐照均匀性计算
光学积分器是使太阳模拟器产生均匀辐照面的关键组件。在设计时，通过理想辐照均匀性计算结果来选择光学积分器的光学通道数目。当光学积分器光学通道数目为 19、37 和 55 个时，计算所得到的理想辐照不均匀度分别为±2.01％、±1.46％和±0.926％。尽管光学积分器光学通道在选择 19、37 和 55 任一个时，都可以达到优于±5％的辐照不均匀度，然而由于必须同时满足光学积分器装配利用率优于 0.73 的要求，故选择 55个通道。
3.3.2 辐照不均匀度计算
太阳模拟器辐照面上任一点的辐照度可以看作是通过太阳模拟器光学系统的许多微光束对该点产生的辐照度的积分值。
E′=ΣdEi′。
当微光束选择足够小时，在每个微光束对应的立体角内的辐亮度可以认为是均匀的，d Ei′由下式计算：
dEi′=ρ（n’/n）2Bxi，yi (α)dwi′，
式中：ρ=τ1…τm·r1…rn ；；Bxi，yi (α)=Bxi，yie(α)/ cos(90-α)；e(α)=I(α)/I0；
其中：Bxi，yi为氙弧 xi,yi点处的法向亮度；τm为光学镜透过率；rn 为光学镜反射率；I0 为氙灯法向发光强度；I(α)为氙灯 α 角度上的发光强度；α 为 dw i′立体角中心线与氙灯对称轴夹角。
通过逆光路光线追迹法计算太阳模拟器辐照面各点的相对辐照度，进而算出辐照不均匀度。利用辐照均匀性计算程序可计算得出：在距准直镜中心 16532mm 处的参考平面内，以太阳模拟器准直镜光轴与参考平面交点为圆心的φ5000mm 范围内，子午面内的辐照不均匀度为±5.55%，弧矢面内辐照不均匀度不大于±2.72%；在φ5000mm±2000mm 空间内，辐照不均匀度为±6.59%。子午面内辐照不均匀度与设计指标的差值可以通过光学装校进行修正。
4 机械结构设计
KM6 太阳模拟器机械结构由灯室组件、平面反射镜组件、光学积分器机械结构、真空密封窗口机械结构和准直镜结构组成，设计要点如下。
4.1 灯室组件
灯室组件由灯室支柱、聚光系统、平面反射镜、水冷档板组成（见图 3）。
灯室支柱由 6 个分立的钢支柱组成，其一端固定在地脚螺钉上，另一端支撑灯室的法兰，使灯室距地面 6m。
聚光系统由 19 个氙灯单元、球面封头和圆锥
形遮光筒组成。每个氙灯单元由 1 支 25kW 氙灯、聚光镜、调整机构、水冷机构和风冷机构组成（见图 4）。调整机构具有 X、Y、Z 三维调节功能，可调节 25kW 氙灯阴极位于椭球面聚光镜第一焦点处。
球面封头由内径为φ3664mm 法兰和球面封头焊接而成，封头壁厚为 30mm，采用 0Cr18Ni9Ti板材冲压成形后拼焊的工艺制成。球面封头上开19 个通光孔，每个通光孔上垂直固定一个氙灯单元。球面封头与水冷却锥形遮光筒相接，锥形遮光筒入光孔为φ3664mm，出光孔为φ2000mm。
氙灯的冷却采用循环高压冷却水，阳极入口最大压力为 1.7MPa，额定工作压力为 0.952MPa，阳极与阴极串联冷却方式，最大流量为 22.7L/min，最小流量为 18.925L/min。氙灯冷却水的热负荷为261kW。聚光镜和遮光筒的冷却采用循环低压冷却水，其热负荷为 24kW。
水冷挡板放在锥形遮光筒的上面，被灯室支架支撑水平放置。水冷却档板分成两片可在水平
面上左右移动。由于水冷挡板关闭时，需承受热负荷，因此采用水冷却。
4.2 平面反射镜组件
为保证 25kW 氙灯在近似于垂直方向上点燃，需要设计一个平面反射镜组件来改变光线的方向。该组件由反射镜座和 15块 547mm×482mm反射镜单元组成，平面反射镜单元之间要保持一定间隙。用这 15 块反射镜单元拼接成 1647mm×2422mm 的平面反射镜。反射镜单元采用 LF5 型铝制造，镜面采用金刚石车削达到所要求光洁度后真空镀铝、镀 SiO2保护膜，平面反射镜表面反射率≤86%，光圈 N ≤5、局部光圈&＃8710;N ≤1。
每块平面反射镜单元需有调节机构，并采用水冷却，共带走 16.471kW 的热负荷。平面反射镜法线与聚光镜主光轴夹角为 45°±0.5′ 放置在一个方箱中。方箱的体积为 2320mm×2290mm× 2390mm，方箱垂直聚光镜主光轴面有φ1900mm的进光孔，方箱垂直光学积分器光轴面有φ1100mm的出光孔。
4.3 光学积分器机械结构
根据光学系统计算要求，光学积分器位于真空密封窗口镜和转向平面反射镜之间。光学积分器投影镜距窗口镜距离为 150mm，光学积分器有效通光口径为φ694mm，光学积分器有 55个光学通道，每个光学通道由 1 对投影元素透镜和场镜元素组成，投影元素透镜焦距为 161.02mm，55 个投影元素透镜和场镜元素透镜按蜂巢状排列。光学积分器机械结构最大外圆尺寸为φ=0.8229m。 光学积分器机械结构由场镜框架和投影镜框架组成。场镜框架用无氧铜制造，框架面上镗出55 个φ82.29mm 的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个场镜元素透镜。投影镜框架用不锈钢制造，框架面上同样也镗出 55 个φ82.29mm 的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个投影镜元素透镜。元素透镜之间有水冷却管道。场镜框架和投影镜框架用 4 个导向杆平行同心联接，场镜框架和投影镜框架通光孔的不平行度和不同心度均小于 0.1mm。场镜框架和投影镜框架之间的距离可以调节。 光学积分器的热负荷由 4 部分组成，共计热负荷为 41.83kW，其中镜框负荷 6.056kW、场镜热负荷 1.83kW、透影镜热负荷 1.72kW 和光筒表面热负荷 32.22kW。为此设计了水冷却系统和气氮冷却系统。水冷却系统有两个独立的水流通道：一个冷却通道冷却场镜框架，分 8 条细冷却通道通过场镜元素透镜间隙，再汇合成一个冷却通道流出；另一个冷却通道冷却投影镜框架，也分 8条细冷却通道通过投影镜元素透镜间隙，再汇合成一个冷却通道流出。气氮冷却系统进气口和出气口设计在光学积分器支架筒体上，气氮冷却进气口分成 3 个小的进气口，分别冷却场镜元素透镜表面、投影镜元素透镜表面和场镜、投影镜框架达到强制对流换热的目的。气氮冷却出气口直径为φ250mm，3 个小的进气口的面积之和与φ250mm 直径的进气口的面积相当。为减少热负荷，面向灯室方向的场镜框架表面镀黄金反射膜。
4.4 光学窗口设计
KM6太阳模拟器采用离轴准直光学系统，φ6800mm 大口径准直镜放在副筒体中，光源、灯室及光学积分器位于真空容器外部（见图 5）。所设计的光学窗口镜位于副筒体锥形筒的端部，担负将光辐射引进真空室和真空密封的双重作用。光学设计要求该光学窗口镜的有效通光口径不小于φ850mm，最大热负荷为 4.56kW、工作寿命 5000h。窗口透镜外形尺寸为：外径 D=932mm，有效通光口径 D0=850mm，厚度 h=90mm，窗口镜安装采用吊带结构，吊带起定位作用，当容器抽真空时，靠大气压力，将窗口固定在锥形筒端部法兰密封圈上起到密封窗口的作用。吊带材料应具有良好的强度和刚度，能够满足弹性装夹机构的要求，为此选择了宽 90mm、厚 1mm 的1Cr18Ni0Ti 不锈钢带。
4.5 准直镜结构设计
准直镜系统由 121 个镜片及调节机构、整镜框架与支承机构组成（见图 6）。为研制有效口径为 φ6800mm 的反射镜，选用整镜结构是难以实现的，吸取了国际上研制大口径准直镜的经验，选择了拼接式准直镜方案，将准直镜设计成由 109片整个正六边形和 12 片半个正六边形元素镜片而成。这样将研制大口径准直镜问题演变成研制多块小口径准直镜问题，使准直镜成形、车削和镀膜等工艺都变得容易实现，既缩短了研制周期，也能节约经费。设计的准直镜单元由正六边形球 面反射镜、多维调节机构组成。调节机构包含轴向调节、万向摆动和旋转调节机构。最终，由 121个单元拼成大准直镜。
准直镜架是用防锈铝 LF6 焊成 12 边形框架，并采用同样材料焊成 12 个格栅，又将这些格栅与边框焊成一个整体。每个格栅上有 3 个固定准直单元镜用的支撑块。整个准直镜框架用支承机构将其固定在副筒体内。支承机构由上下垂轴、水平支杆和斜吊钢丝绳组成。上下垂轴可以用来调节准直镜离轴角。斜吊钢丝绳除实现吊挂准直镜的作用外，还可以消除温度变形产生的应力。水平支杆除起支撑作用外，还可以完成准直镜的调节和定位锁定。准直反射镜的热负荷为 8.5kW，设计时采用液氮冷屏辐射致冷方法带走热量。为防止开罐时镜面结露，准直镜有加热升温装置。
4.6 有限元分析
结构设计时对准直镜框架、光学积分器机械结构等关键结构件的刚性和应力分布做了有限元分析，并根据有限元分析结果对设计进行优化，满足了关键结构件的刚性要求。
5 控制系统设计
太阳模拟器控制系统由以下 3个子系统组成：冷却和氙灯触发控制子系统，电源管理和辐照度控制子系统，准直镜和辐照传感器温度控制子系统。
系统分为 3 个层次：第 1 层为传感器和执行元件层；第 2 层为控制仪器仪表层，主要设备有PLC、电源、数采仪表、温度控制器等；第 3 层为图形界面人机接口层，由冷却控制计算机、电源管理和辐照度控制计算机、准直镜和辐照传感器控温计算机等组成。
控制系统的通讯采用工业以太网方式，部分采用 IEEE 488、RS-485 接口的仪器仪表，通过转换网关联到工业以太网。
5.1 冷却和氙灯触发控制子系统
该系统由控制计算机、PLC、控制台、氙灯触发器、各流程的测量传感器及其控制执行元件
组成，系统框图见图 7。控制计算机运行状态软件对 PLC 进行控制参数设置、运行状态监视和数据记录，发现异常立即报警。
控制台安装显示仪表和手动/自动操作器，实现对高压水系统、低压水系统、低压氮气系统、制冷系统和去离子水系统的控制。
5.2 电源管理和光辐照度控制子系统
该系统由控制计算机、电源、配线系统、数据采集仪表、光辐照测量传感器组成。系统框图见图 8。
控制计算机运行控制程序负责电源的管理、记录氙灯点燃时间、电源输出数据、对电源状态进行监视、发现异常进行报警，同时对辐照度进行测量，根据光强信号，调整电源的输出，来实现光强的自动控制。
氙灯电源采用大功率程控开关电源，单台 30kW功率，程控电源具有恒流工作模式，可以根据控制计算机的命令，自动控制输出电流的强度和稳定性。电源的内部输出锁定功能对电源控制具有最高优先级，利用该功能来实现氙灯保护，冷却系统控制 PLC 给出的冷却正常信号有效，电源才能够输出，一旦冷却系统发生故障，控制 PLC 给出的冷却正常信号消失，电源会立即关闭输出。
辐照度采用辐照传感器进行相对测量，输出为 0~1V 的电压信号，信号引出到容器外，通过数字多用表输入到控制计算机。控制程序每 10s对辐照度测量信号进行一次采样，计算出辐照度和辐照不稳定度并进行显示和存储，同时控制程序还根据辐照度实际值与设定值的偏差，调整电源输出电流值并驱动电源输出，实现闭环的辐照度定值控制。程控电源本身也是辐照度控制的关键环节，利用程控电源本身的恒流输出功能，可以确保电源输出电流值的精确和稳定，进而确保氙灯发光的稳定。这种电流反馈与辐照度反馈组成的两级反馈闭环控制系统，既可以实现辐照不稳定度的控制，也可以实现辐照度的控制和调整。
5.3 准直镜温度控制子系统
准直镜系统建成后，无论太阳模拟器系统运行与否，只要 KM6 系统开机运行，就需要对准直镜进行温度控制，以避免对光学镜面造成污染，因此，准直镜控温系统应设计成可以相对独立运行的子系统，以保证在需要时对准直镜进行控温，而不必启动全部太阳模拟器的控制系统。
准直镜温度采用冷背景辐射降温和电加热的方法进行控制。采用交流电源加热的单回路温度
控制方案，系统以温度控制器为核心，每一个准直镜单元形成一个闭环控制回路。温度控制器测量控制回路的当前温度，然后根据一定的控制算法，计算出每一控制回路的输出，来调整加热功率的大小，实现闭环的定点温度控制。用控制计算机与温度控制器实现目标温度的设置、温度监视报警和控制参数的自整定等。
6 冷却系统设计
6.1 高压水冷却系统
高压水冷却系统用于冷却 19 支 20kW 氙灯阴阳极、聚光镜以及高频变压器，要求氙灯流量为 1.8m3/h，进口温度为 22℃，进口压力为 20×105 Pa，电导率<50μS/cm，水过滤粒径<10μm。高压水冷却系统采用密闭循环系统，由高压主泵、备份泵、换热器、过滤器、分水器、集水器、离子交换器和水箱等组成。系统压力和流量由水泵提供；氙灯阴阳极通过换热器的冷量实现冷却；过滤器保证了冷却水<10μm；离子交换器用于保证冷却水电导率<50μS/cm；水箱用于系统稳压和水泵启动时的供水。
6.2 低压水冷却系统
低压水冷却系统采用去离子水冷却光筒、水冷挡板、平面反射镜和积分器等光学组件，要求总水流量为 13.5m3/h，其中：光筒 1.9 m3/h、水冷挡板 5.8 m3/h、平面反射镜 3.2 m3/h、积分器 2.6 m3/h、进口温度为 22℃，进口压力为 4×105 Pa。低压水冷却系统采用密闭循环系统，由低压主泵、备份泵、换热器、过滤器、分水器、集水器和水箱等组成。系统压力和流量由水泵提供；灯室和积分器通过换热器的冷量实现冷却；过滤器保证冷却水过滤粒径<10 μm；水箱用于系统稳压和水泵启动时的供水。
6.3 低压氮气冷却系统
采用氮气冷却氙灯泡壳、积分器场镜和投影镜。要求氮气流量为 9000m3/h，进口温度为 20℃，灯室压力低于 2000Pa（表压），氮气过滤达到 EU7标准，开机点灯前具有氮气对灯室进行冲洗的功能。系统采用密闭循环系统，由氮气源系统提供气源，经调节阀减压后进入流程，进气管路上配有调节阀，以调节进入系统的氮气流量。氮气经风机加压后通过热交换器与冷却水进行热量交换，使其温度降低到设计要求值，然后经过氮气
过滤器过滤后通入光学设备。积分器与灯室的氮气冷却回路串联，经过过滤器过滤后满足等级要求的氮气首先进入积分器，积分器氮气出口与灯室氮气入口以管路串联，由积分器流出的氮气经过灯室，再返回系统主管路。
另外，制冷系统采用氟利昂冷水机组为太阳模拟器提供冷源，去离子水系统给高压水冷却系统、低压水冷却系统和制冷系统提供去离子水。
7 装校系统设计
KM6 太阳模拟器装校系统设计，由氙灯单元组件装校装置设计和太阳模拟器准直系统装校装置设计两部分组成。 氙灯单元组件装校装置用来检测氙灯单元组件装校是否满足设计要求，再利用氙灯单元组件安装机构将 19 个检测合格的氙灯单元组件安装到灯室球面封头上。太阳模拟器准直系统装校装置是依据激光球面自校准原理设计的，用来装校太阳模拟器大口径拼接准直镜使之满足设计要求。
8 辐照均匀性测试仪设计
为了测量 KM6 太阳模拟器辐照面和空间的辐照均匀性，设计了辐照均匀性测试仪。可在 x-y平面内连续扫描，测量 5000mm×5000mm 范围内的辐照度并计算出面辐照均匀性。测试仪可沿z 向移动 4m，测量出体辐照均匀性。该测试仪采用温控硅光电池为探测器，计算机控制扫描、数采，具有绘制打印辐照均匀性分布图的功能。
9 结束语
KM6太阳模拟器是 KM6 载人空间环境模拟试验设备的分系统，因没能与真空容器主系统同期研制，太阳模拟器的优化设计、光学设计、光学装校等受到了已建成设备和基建的约束，增加了研制的难度。在研制大型空间环境模拟设备中，国内外专家总结出一个重要的经验，就是由于太阳模拟器结构复杂，应首先优选光学系统方案，再确定空间环境模拟设备的总体结构方案。这一经验在研制过程中应努力去实现。
庞贺伟，黄本诚，臧友竹，陈金明
（1. 中国空间技术研究院，北京 100094；2. 北京卫星环境工程研究所，北京 100094）
摘要：文章介绍了 KM6 太阳模拟器的设计方案。为实现先进的技术指标，KM6 太阳模拟器选用了离轴准直光学系统设计方案，并对该光学系统进行了理论分析。文章还介绍了机械结构设计、冷却系统设计、电控系统设计、光学装校和光学测量设备设计的关键。采用有限元分析方法对设计进行了优化。
关键词：有限元分析；光学积分器；程控电源
1 引言
KM6 载人空间环境模拟试验设备是载人空间工程所需的关键地面环模设备，KM6 太阳模拟器是该设备的一个分系统。KM6 太阳模拟器的设计工作包括总体设计、光学系统设计、准直镜系统设计、真空密封窗口及机械结构设计、光学积分器结构设计、平面镜组件设计、灯室组件设计、冷却系统设计、电控系统设计、光学装校、光学参数测量等 11 个部分，设计量大。本文是对 KM6太阳模拟器设计的概述。
2 技术指标和设计方案
2.1 技术指标
KM6 载人空间环境模拟设备总体对太阳分系统提出如下技术指标：
辐照试验体积：φ5m×4m；
光线入射方向：水平方向；
辐照度： 500～1760W/m2；
辐照不均匀度：辐照试验面内≤±5％；
辐照试验体积内≤±6％；
辐照不稳定度：≤±1％/h；
离轴角： 29°；
准直角： ±2°；
采用计算机数据采集、管理，实时显示太阳模拟器辐照不稳定度和氙灯电学参数。
2.2 设计方案
KM6 太阳模拟器采用离轴准直光学系统，这是对国外大型太阳模拟器进行充分调研后确定的。
在 20 世纪 70 年代，美国先进的太阳模拟器[1]都是采用离轴准直光学系统。德国在 80 年代也采用离轴准直光学系统[2]研制出了技术先进的大型太阳模拟器。因为根据理论分析，离轴准直光学系统能达到较好的辐照均匀度。
KM6 太阳模拟器的结构由灯室（包括支架、聚光系统、水冷档板）、平面反射镜组件、光学积分器、真空密封窗口和准直镜组成，如图 1 所示。聚光系统由 19 个氙灯单元组成，每个氙灯单元用25kW 水冷短弧氙灯做光源，每个光源配备一个由水冷却的椭球聚光镜和调节机构。19 个氙灯单元将 19 支氙灯发出的光汇集到光学积分器上。光学积分器使辐照变得均匀，并通过真空密封窗口将光辐射到准直镜，由准直镜反射形成平行光束。 其中，准直镜是放置在辅助真空容器里，其余组件都放置在真空容器外。真空密封窗口担负着真空密封和将光引入真空容器的作用。
为获得稳定的辐照，氙灯电源采用大功率程控电源，单台 30kW 功率。程控电源采用恒流工作模式，可以根据计算机的命令，自动控制输出 电流的强度和稳定性。
KM6 太阳模拟器控制系统通讯采用的是工业以太网。KM6 太阳模拟器除了在大气环境下检测性能之外，试验期间还需在参考平面上应用探测器来监测辐照值。
3 光学系统设计和理论分析
3.1 光学系统设计
KM6 太阳模拟器光学系统采用离轴准直光学系统，由 19 支氙灯、19 个椭球聚光镜、平面反射镜、光学积分器、光学窗口镜和准直镜组成。
光学参数和相对位置如图 2 和表 1 所示。
3.1.1 聚光镜
KM6 太阳模拟器选择 19 支 25kW 水冷短弧氙灯为光源，每支氙灯配备一个椭球面聚光镜构成一个氙灯单元，共 19 个。这些氙灯单元安放在一个球面封头上，球面封头的开口直径为 3138.30mm。
椭球面聚光镜参数： ：f1=78.9mm；mo=85；f2=6706.5mm。
椭球面聚光镜子午面内截线方程式： y2=2R0x-(1-e2)x2 ,
其中：R0=2×f1×f2/(f1+f2)；
e=(f2–f1) / (f2+f1)；
y2=311.9302x-0.045971 x2。
聚光镜出射端口径：Φom ＝540.0mm。
聚光镜有效包容角：Um-Uo=121°-42°＝79°。
3.1.2 光学积分器
选择对称式光学积分器镜组，由口径相等的场镜阵列和投影镜阵列组成，每个阵列由 55 个圆口径的平凸透镜组成，并按蜂窝状结构排列。
光学积分器通光口径：Φo=694mm。
元素透镜口径：Φn=80.5105mm。
光学积分器阵列的有效通光比：α=0.725。
投影镜元素透镜相对孔径：Φn/f=1/2。
投影镜焦距：f=2Φn=161.0211mm。
投影镜凸面半径：r 投=73.8443mm。
场镜透镜凸面半径：r 场=71.9973mm。
3.1.3 平面反射镜
平面反射镜到光学积分器场镜阵列的距离为 1800mm，到灯阵中心聚光镜出瞳的轴向距离为 4645mm。平面反射镜有效通光口径为 1647mm×2422mm，光轴与镜面交点相对于镜面中心向上偏离215mm。该平面反射镜由 15 块平面反射镜单元拼接而成，每块平面反射镜单元尺寸为 482mm×547mm，为防止镜面受热变形，用水冷却。平面反射镜表面的反射率≥86%，光圈 N=5、局部光圈&＃8710;N=1。
3.1.4 准直镜
准直镜由 121 个正六边球面反射镜拼接而成，拼接镜最大口径 Dm=6636mm、通光口径 Do=5200mm；准直镜顶点曲率半径 R=24800mm、近轴焦距 F=11200mm。
每个正六边形球面镜的内切圆直径和外接圆直径分别为：2r 内=600.6612mm；2r 外=693.5839mm。
正六边形球面镜边缘之间隙尺寸选为 5mm。
正六边形球面镜表面的反射率≥86%，光圈 N≤5、局部光圈&＃8710;N≤1。
3.1.5 窗口镜
由于准直镜放置在 KM6 辅助容器内，灯室组件和光学积分器放置在辅助容器外，为了将光引入真空的辅助容器，设计了窗口镜起到通光和真空密封作用。其外形尺寸如下：
窗口镜口径：D=942mm；
有效通光口径：Do=850mm；
厚度：h=90mm。
表 1 KM6 太阳模拟器光学系统参数
注 : r1——准直镜曲率半径；r2——窗口镜内表面曲率半径；r3——窗口镜外表面曲率半径；r4——投影镜凸面曲率半径；r5——投影镜平面曲率半径；r6——场镜平面曲率半径；r7——场镜凸面曲率半径；r8——平面反射镜曲率半径；r9——聚光镜环带曲率半径；R—曲率半径值；Φ—通光口径值；ΔL—距离间隔；L—距离，原点为准直镜顶点。
* 积分器通光口径为 φ694mm ，55 个光学通道，n = 1.4586；
** 聚光镜方程式:
聚光镜数量：19 个。
3.2 辐照度计算
3.2.1 在辐照面积直径为φ5000mm 圆内的辐照度 E=1760W/m2；在辐照面积直径为φ5000～φ5400 圆环内的辐照度 E=1408W/ m2。W0=E·π·D02/4=34.54kW，其中：D0= 5000mm。 W0&＃039; =E&＃039;·π·（D12- D02)/4=4.598kW，其中：D1=5400mm。
W 有效=W0+ W0&＃039;=39.137kW。
3.2.2 计算光学系统效率 k
k= k1· k2· k3· k4· k5· k6· k7· k8· k9=0.102，
式中：k1 为氙灯光电转换效率，取值 0.45；k2 为聚光镜收集率，取值 0.75；k3 为聚光镜反射率，取值 0.86；k4为光学积分器孔径利用率，取值 0.85；k5 为光学积分器装配利用率，取值 0.73；k6 为场镜、投影镜、窗口透过率，取值 0.9453；k7为准直镜反射率，取值 0.8；k8 为准直镜效率，取值0.9；k9为平面反射镜反射率，取值 0.85。
3.2.3 氙灯运行最大功率计算
W= W 有效/ k /n=39.137/0.102/19=20.195kW，
其中：W 有效=39.137kW；k =0.102；n=19。
3.3 理论分析
3.3.1 理想辐照均匀性计算
光学积分器是使太阳模拟器产生均匀辐照面的关键组件。在设计时，通过理想辐照均匀性计算结果来选择光学积分器的光学通道数目。当光学积分器光学通道数目为 19、37 和 55 个时，计算所得到的理想辐照不均匀度分别为±2.01％、±1.46％和±0.926％。尽管光学积分器光学通道在选择 19、37 和 55 任一个时，都可以达到优于±5％的辐照不均匀度，然而由于必须同时满足光学积分器装配利用率优于 0.73 的要求，故选择 55个通道。
3.3.2 辐照不均匀度计算
太阳模拟器辐照面上任一点的辐照度可以看作是通过太阳模拟器光学系统的许多微光束对该点产生的辐照度的积分值。
E′=ΣdEi′。
当微光束选择足够小时，在每个微光束对应的立体角内的辐亮度可以认为是均匀的，d Ei′由下式计算：
dEi′=ρ（n’/n）2Bxi，yi (α)dwi′，
式中：ρ=τ1…τm·r1…rn ；；Bxi，yi (α)=Bxi，yie(α)/ cos(90-α)；e(α)=I(α)/I0；
其中：Bxi，yi为氙弧 xi,yi点处的法向亮度；τm为光学镜透过率；rn 为光学镜反射率；I0 为氙灯法向发光强度；I(α)为氙灯 α 角度上的发光强度；α 为 dw i′立体角中心线与氙灯对称轴夹角。
通过逆光路光线追迹法计算太阳模拟器辐照面各点的相对辐照度，进而算出辐照不均匀度。利用辐照均匀性计算程序可计算得出：在距准直镜中心 16532mm 处的参考平面内，以太阳模拟器准直镜光轴与参考平面交点为圆心的φ5000mm 范围内，子午面内的辐照不均匀度为±5.55%，弧矢面内辐照不均匀度不大于±2.72%；在φ5000mm±2000mm 空间内，辐照不均匀度为±6.59%。子午面内辐照不均匀度与设计指标的差值可以通过光学装校进行修正。
4 机械结构设计
KM6 太阳模拟器机械结构由灯室组件、平面反射镜组件、光学积分器机械结构、真空密封窗口机械结构和准直镜结构组成，设计要点如下。
4.1 灯室组件
灯室组件由灯室支柱、聚光系统、平面反射镜、水冷档板组成（见图 3）。
灯室支柱由 6 个分立的钢支柱组成，其一端固定在地脚螺钉上，另一端支撑灯室的法兰，使灯室距地面 6m。
聚光系统由 19 个氙灯单元、球面封头和圆锥
形遮光筒组成。每个氙灯单元由 1 支 25kW 氙灯、聚光镜、调整机构、水冷机构和风冷机构组成（见图 4）。调整机构具有 X、Y、Z 三维调节功能，可调节 25kW 氙灯阴极位于椭球面聚光镜第一焦点处。
球面封头由内径为φ3664mm 法兰和球面封头焊接而成，封头壁厚为 30mm，采用 0Cr18Ni9Ti板材冲压成形后拼焊的工艺制成。球面封头上开19 个通光孔，每个通光孔上垂直固定一个氙灯单元。球面封头与水冷却锥形遮光筒相接，锥形遮光筒入光孔为φ3664mm，出光孔为φ2000mm。
氙灯的冷却采用循环高压冷却水，阳极入口最大压力为 1.7MPa，额定工作压力为 0.952MPa，阳极与阴极串联冷却方式，最大流量为 22.7L/min，最小流量为 18.925L/min。氙灯冷却水的热负荷为261kW。聚光镜和遮光筒的冷却采用循环低压冷却水，其热负荷为 24kW。
水冷挡板放在锥形遮光筒的上面，被灯室支架支撑水平放置。水冷却档板分成两片可在水平
面上左右移动。由于水冷挡板关闭时，需承受热负荷，因此采用水冷却。
4.2 平面反射镜组件
为保证 25kW 氙灯在近似于垂直方向上点燃，需要设计一个平面反射镜组件来改变光线的方向。该组件由反射镜座和 15块 547mm×482mm反射镜单元组成，平面反射镜单元之间要保持一定间隙。用这 15 块反射镜单元拼接成 1647mm×2422mm 的平面反射镜。反射镜单元采用 LF5 型铝制造，镜面采用金刚石车削达到所要求光洁度后真空镀铝、镀 SiO2保护膜，平面反射镜表面反射率≤86%，光圈 N ≤5、局部光圈&＃8710;N ≤1。
每块平面反射镜单元需有调节机构，并采用水冷却，共带走 16.471kW 的热负荷。平面反射镜法线与聚光镜主光轴夹角为 45°±0.5′ 放置在一个方箱中。方箱的体积为 2320mm×2290mm× 2390mm，方箱垂直聚光镜主光轴面有φ1900mm的进光孔，方箱垂直光学积分器光轴面有φ1100mm的出光孔。
4.3 光学积分器机械结构
根据光学系统计算要求，光学积分器位于真空密封窗口镜和转向平面反射镜之间。光学积分器投影镜距窗口镜距离为 150mm，光学积分器有效通光口径为φ694mm，光学积分器有 55个光学通道，每个光学通道由 1 对投影元素透镜和场镜元素组成，投影元素透镜焦距为 161.02mm，55 个投影元素透镜和场镜元素透镜按蜂巢状排列。光学积分器机械结构最大外圆尺寸为φ=0.8229m。 光学积分器机械结构由场镜框架和投影镜框架组成。场镜框架用无氧铜制造，框架面上镗出55 个φ82.29mm 的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个场镜元素透镜。投影镜框架用不锈钢制造，框架面上同样也镗出 55 个φ82.29mm 的通光孔，每个通光孔内镶嵌一个投影镜元素透镜。元素透镜之间有水冷却管道。场镜框架和投影镜框架用 4 个导向杆平行同心联接，场镜框架和投影镜框架通光孔的不平行度和不同心度均小于 0.1mm。场镜框架和投影镜框架之间的距离可以调节。 光学积分器的热负荷由 4 部分组成，共计热负荷为 41.83kW，其中镜框负荷 6.056kW、场镜热负荷 1.83kW、透影镜热负荷 1.72kW 和光筒表面热负荷 32.22kW。为此设计了水冷却系统和气氮冷却系统。水冷却系统有两个独立的水流通道：一个冷却通道冷却场镜框架，分 8 条细冷却通道通过场镜元素透镜间隙，再汇合成一个冷却通道流出；另一个冷却通道冷却投影镜框架，也分 8条细冷却通道通过投影镜元素透镜间隙，再汇合成一个冷却通道流出。气氮冷却系统进气口和出气口设计在光学积分器支架筒体上，气氮冷却进气口分成 3 个小的进气口，分别冷却场镜元素透镜表面、投影镜元素透镜表面和场镜、投影镜框架达到强制对流换热的目的。气氮冷却出气口直径为φ250mm，3 个小的进气口的面积之和与φ250mm 直径的进气口的面积相当。为减少热负荷，面向灯室方向的场镜框架表面镀黄金反射膜。
4.4 光学窗口设计
KM6太阳模拟器采用离轴准直光学系统，φ6800mm 大口径准直镜放在副筒体中，光源、灯室及光学积分器位于真空容器外部（见图 5）。所设计的光学窗口镜位于副筒体锥形筒的端部，担负将光辐射引进真空室和真空密封的双重作用。光学设计要求该光学窗口镜的有效通光口径不小于φ850mm，最大热负荷为 4.56kW、工作寿命 5000h。窗口透镜外形尺寸为：外径 D=932mm，有效通光口径 D0=850mm，厚度 h=90mm，窗口镜安装采用吊带结构，吊带起定位作用，当容器抽真空时，靠大气压力，将窗口固定在锥形筒端部法兰密封圈上起到密封窗口的作用。吊带材料应具有良好的强度和刚度，能够满足弹性装夹机构的要求，为此选择了宽 90mm、厚 1mm 的1Cr18Ni0Ti 不锈钢带。
4.5 准直镜结构设计
准直镜系统由 121 个镜片及调节机构、整镜框架与支承机构组成（见图 6）。为研制有效口径为 φ6800mm 的反射镜，选用整镜结构是难以实现的，吸取了国际上研制大口径准直镜的经验，选择了拼接式准直镜方案，将准直镜设计成由 109片整个正六边形和 12 片半个正六边形元素镜片而成。这样将研制大口径准直镜问题演变成研制多块小口径准直镜问题，使准直镜成形、车削和镀膜等工艺都变得容易实现，既缩短了研制周期，也能节约经费。设计的准直镜单元由正六边形球 面反射镜、多维调节机构组成。调节机构包含轴向调节、万向摆动和旋转调节机构。最终，由 121个单元拼成大准直镜。
准直镜架是用防锈铝 LF6 焊成 12 边形框架，并采用同样材料焊成 12 个格栅，又将这些格栅与边框焊成一个整体。每个格栅上有 3 个固定准直单元镜用的支撑块。整个准直镜框架用支承机构将其固定在副筒体内。支承机构由上下垂轴、水平支杆和斜吊钢丝绳组成。上下垂轴可以用来调节准直镜离轴角。斜吊钢丝绳除实现吊挂准直镜的作用外，还可以消除温度变形产生的应力。水平支杆除起支撑作用外，还可以完成准直镜的调节和定位锁定。准直反射镜的热负荷为 8.5kW，设计时采用液氮冷屏辐射致冷方法带走热量。为防止开罐时镜面结露，准直镜有加热升温装置。
4.6 有限元分析
结构设计时对准直镜框架、光学积分器机械结构等关键结构件的刚性和应力分布做了有限元分析，并根据有限元分析结果对设计进行优化，满足了关键结构件的刚性要求。
5 控制系统设计
太阳模拟器控制系统由以下 3个子系统组成：冷却和氙灯触发控制子系统，电源管理和辐照度控制子系统，准直镜和辐照传感器温度控制子系统。
系统分为 3 个层次：第 1 层为传感器和执行元件层；第 2 层为控制仪器仪表层，主要设备有PLC、电源、数采仪表、温度控制器等；第 3 层为图形界面人机接口层，由冷却控制计算机、电源管理和辐照度控制计算机、准直镜和辐照传感器控温计算机等组成。
控制系统的通讯采用工业以太网方式，部分采用 IEEE 488、RS-485 接口的仪器仪表，通过转换网关联到工业以太网。
5.1 冷却和氙灯触发控制子系统
该系统由控制计算机、PLC、控制台、氙灯触发器、各流程的测量传感器及其控制执行元件
组成，系统框图见图 7。控制计算机运行状态软件对 PLC 进行控制参数设置、运行状态监视和数据记录，发现异常立即报警。
控制台安装显示仪表和手动/自动操作器，实现对高压水系统、低压水系统、低压氮气系统、制冷系统和去离子水系统的控制。
5.2 电源管理和光辐照度控制子系统
该系统由控制计算机、电源、配线系统、数据采集仪表、光辐照测量传感器组成。系统框图见图 8。
控制计算机运行控制程序负责电源的管理、记录氙灯点燃时间、电源输出数据、对电源状态进行监视、发现异常进行报警，同时对辐照度进行测量，根据光强信号，调整电源的输出，来实现光强的自动控制。
氙灯电源采用大功率程控开关电源，单台 30kW功率，程控电源具有恒流工作模式，可以根据控制计算机的命令，自动控制输出电流的强度和稳定性。电源的内部输出锁定功能对电源控制具有最高优先级，利用该功能来实现氙灯保护，冷却系统控制 PLC 给出的冷却正常信号有效，电源才能够输出，一旦冷却系统发生故障，控制 PLC 给出的冷却正常信号消失，电源会立即关闭输出。
辐照度采用辐照传感器进行相对测量，输出为 0~1V 的电压信号，信号引出到容器外，通过数字多用表输入到控制计算机。控制程序每 10s对辐照度测量信号进行一次采样，计算出辐照度和辐照不稳定度并进行显示和存储，同时控制程序还根据辐照度实际值与设定值的偏差，调整电源输出电流值并驱动电源输出，实现闭环的辐照度定值控制。程控电源本身也是辐照度控制的关键环节，利用程控电源本身的恒流输出功能，可以确保电源输出电流值的精确和稳定，进而确保氙灯发光的稳定。这种电流反馈与辐照度反馈组成的两级反馈闭环控制系统，既可以实现辐照不稳定度的控制，也可以实现辐照度的控制和调整。
5.3 准直镜温度控制子系统
准直镜系统建成后，无论太阳模拟器系统运行与否，只要 KM6 系统开机运行，就需要对准直镜进行温度控制，以避免对光学镜面造成污染，因此，准直镜控温系统应设计成可以相对独立运行的子系统，以保证在需要时对准直镜进行控温，而不必启动全部太阳模拟器的控制系统。
准直镜温度采用冷背景辐射降温和电加热的方法进行控制。采用交流电源加热的单回路温度
控制方案，系统以温度控制器为核心，每一个准直镜单元形成一个闭环控制回路。温度控制器测量控制回路的当前温度，然后根据一定的控制算法，计算出每一控制回路的输出，来调整加热功率的大小，实现闭环的定点温度控制。用控制计算机与温度控制器实现目标温度的设置、温度监视报警和控制参数的自整定等。
6 冷却系统设计
6.1 高压水冷却系统
高压水冷却系统用于冷却 19 支 20kW 氙灯阴阳极、聚光镜以及高频变压器，要求氙灯流量为 1.8m3/h，进口温度为 22℃，进口压力为 20×105 Pa，电导率<50μS/cm，水过滤粒径<10μm。高压水冷却系统采用密闭循环系统，由高压主泵、备份泵、换热器、过滤器、分水器、集水器、离子交换器和水箱等组成。系统压力和流量由水泵提供；氙灯阴阳极通过换热器的冷量实现冷却；过滤器保证了冷却水<10μm；离子交换器用于保证冷却水电导率<50μS/cm；水箱用于系统稳压和水泵启动时的供水。
6.2 低压水冷却系统
低压水冷却系统采用去离子水冷却光筒、水冷挡板、平面反射镜和积分器等光学组件，要求总水流量为 13.5m3/h，其中：光筒 1.9 m3/h、水冷挡板 5.8 m3/h、平面反射镜 3.2 m3/h、积分器 2.6 m3/h、进口温度为 22℃，进口压力为 4×105 Pa。低压水冷却系统采用密闭循环系统，由低压主泵、备份泵、换热器、过滤器、分水器、集水器和水箱等组成。系统压力和流量由水泵提供；灯室和积分器通过换热器的冷量实现冷却；过滤器保证冷却水过滤粒径<10 μm；水箱用于系统稳压和水泵启动时的供水。
6.3 低压氮气冷却系统
采用氮气冷却氙灯泡壳、积分器场镜和投影镜。要求氮气流量为 9000m3/h，进口温度为 20℃，灯室压力低于 2000Pa（表压），氮气过滤达到 EU7标准，开机点灯前具有氮气对灯室进行冲洗的功能。系统采用密闭循环系统，由氮气源系统提供气源，经调节阀减压后进入流程，进气管路上配有调节阀，以调节进入系统的氮气流量。氮气经风机加压后通过热交换器与冷却水进行热量交换，使其温度降低到设计要求值，然后经过氮气
过滤器过滤后通入光学设备。积分器与灯室的氮气冷却回路串联，经过过滤器过滤后满足等级要求的氮气首先进入积分器，积分器氮气出口与灯室氮气入口以管路串联，由积分器流出的氮气经过灯室，再返回系统主管路。
另外，制冷系统采用氟利昂冷水机组为太阳模拟器提供冷源，去离子水系统给高压水冷却系统、低压水冷却系统和制冷系统提供去离子水。
7 装校系统设计
KM6 太阳模拟器装校系统设计，由氙灯单元组件装校装置设计和太阳模拟器准直系统装校装置设计两部分组成。 氙灯单元组件装校装置用来检测氙灯单元组件装校是否满足设计要求，再利用氙灯单元组件安装机构将 19 个检测合格的氙灯单元组件安装到灯室球面封头上。太阳模拟器准直系统装校装置是依据激光球面自校准原理设计的，用来装校太阳模拟器大口径拼接准直镜使之满足设计要求。
8 辐照均匀性测试仪设计
为了测量 KM6 太阳模拟器辐照面和空间的辐照均匀性，设计了辐照均匀性测试仪。可在 x-y平面内连续扫描，测量 5000mm×5000mm 范围内的辐照度并计算出面辐照均匀性。测试仪可沿z 向移动 4m，测量出体辐照均匀性。该测试仪采用温控硅光电池为探测器，计算机控制扫描、数采，具有绘制打印辐照均匀性分布图的功能。
9 结束语
KM6太阳模拟器是 KM6 载人空间环境模拟试验设备的分系统，因没能与真空容器主系统同期研制，太阳模拟器的优化设计、光学设计、光学装校等受到了已建成设备和基建的约束，增加了研制的难度。在研制大型空间环境模拟设备中，国内外专家总结出一个重要的经验，就是由于太阳模拟器结构复杂，应首先优选光学系统方案，再确定空间环境模拟设备的总体结构方案。这一经验在研制过程中应努力去实现。
