摘 要: 本文分析了白光LED應用于空間站艙內(nèi)照明的可行性。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)調(diào)研資料, 總結(jié)了空間站艙內(nèi)照明的相關(guān)指標, 結(jié)合載人航天任務的需求分析了LED光源在空間艙內(nèi)照明的適用性和可靠性, 并與熒光燈進行了相關(guān)比較。本文認為白光LED照明系統(tǒng)能夠替代熒光燈為艙內(nèi)提供一般照明, 應研制適合于空間站艙內(nèi)照明的LED照明系統(tǒng)。
1 前言
未來國家將進行空間站的建設。照明系統(tǒng)是空間站內(nèi)一個重要的子系統(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, 照明的功耗控制也對整個航天任務的順利實施起到重要作用。在對艙內(nèi)進行照明設計的過程中, 為了建立一個高可靠、高效、滿足人機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), 以達到相關(guān)的艙內(nèi)照明指標并滿足對照明系統(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, 同時具有光效高、發(fā)光均勻、表面亮度低等特點。但是其缺點是: 含汞、帶頻閃、不易調(diào)光、維護周期短。
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、啟動快、工作電壓低、無頻閃、不含汞等特點, 非常適合航天飛行任務對照明系統(tǒng)的高可靠和安全性要求。同時在艙內(nèi)照明應用中, 還應考慮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。
因此針對這些問題, 分析研究LED光源在飛船和空間站艙內(nèi)的應用是非常必要的。
2 空間站艙內(nèi)照明指標
照明指標的實現(xiàn)是為了滿足空間站艙內(nèi)環(huán)境對照明質(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間工作中, 也能夠快速、準確地完成視覺作業(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。
由于目前沒有針對航天應用發(fā)布的照明標準,空間站艙內(nèi)照明指標主要參考國際照明委員會室內(nèi)工作場所照明標準 。空間站艙內(nèi)照明的指標應包括:
以上指標中, (1) 、(2) 、(3) 、(4) 主要取決于光源的數(shù)量、光學系統(tǒng)的設計、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) 同時受到光源光譜功率分布、二次光學系統(tǒng)和驅(qū)動電源三者的共同影響。(7) 主要從安全可靠性設計和測試兩方面進行保證。
下面結(jié)合相關(guān)指標, 具體分析白光LED在艙內(nèi)照明應用的性能特點及關(guān)鍵應用技術(shù)。
3 色溫和顯色指數(shù)
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*價了光源的顯色特性, 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期工作或停留的艙內(nèi)空間 。
在滿足艙內(nèi)照度標準的前提下, 艙內(nèi)照明應選擇性能穩(wěn)定的LED光源, 其顯色指數(shù)Ra不應低于80。LED的色溫則需根據(jù)相關(guān)人機功效實驗來確定, 一般來說可以使用色溫在3000K至5000K之間的LED光源進行艙內(nèi)照明。
LED的發(fā)光光譜會受到LED 芯片的工作結(jié)溫, 電流的大小和透鏡材料的影響, 應用中應對這些因素進行控制以保證照明質(zhì)量。
4 LED艙內(nèi)照明的關(guān)鍵應用技術(shù)
4.1 器件的篩選
與普通照明不同, 航天任務對產(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)具體的篩選對象和篩選規(guī)范來確定。
4.2 二次光學系統(tǒng)的設計
對于一個空間站內(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 是點光源,發(fā)光面積小, 亮度高, 燈具若出光角度控制不當則容易產(chǎn)生眩光。因而應根據(jù)燈具在艙內(nèi)的安裝位置和方式對LED 光源的出光角度和強度進行重新分配, 使LED由點光源變?yōu)榫鶆虻拿婀庠矗?發(fā)光面亮度降到足夠低, 以達到限止眩光的目的。在艙內(nèi)照明燈的光學系統(tǒng)的選擇和設計上, 可以使用透過率高的漫透射系統(tǒng)或者使用導光管、平面鏡反射系統(tǒng)等方式產(chǎn)生均勻的面光源。設計時應該以航天任務對照明系統(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較好的平衡。
4.3 驅(qū)動電源的設計
LED驅(qū)動電源為艙內(nèi)LED照明燈提供穩(wěn)定的供電, 并須設置電路保護。電源輸出電流應滿足穩(wěn)定度, 輸出噪聲和啟動時間等相關(guān)要求。電路保護應包括輸入保護, 限壓保護和開路過壓保護等。驅(qū)動電源的效率應足夠高, 以實現(xiàn)艙內(nèi)供電的合理利用。
此外, LED 驅(qū)動電源應具有連續(xù)調(diào)光功能, 并進行抗輻照和電磁兼容的設計。
4.4 散熱設計
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)光的同時會產(chǎn)生多余的熱,如果這些熱量過多的積累在器件內(nèi)部, 則會嚴重影響LED的工作性能。具體來說, 熱量積累會引起芯片的結(jié)溫升高, 進而使芯片的發(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,導致輸出光與熒光粉失配, 從而造成光輸出下降的情況。
圖1 相對光輸出隨散熱基板溫度的變化。
另外, 結(jié)溫還會影響芯片的壽命。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, 下降程度達50%, 即LED隨結(jié)溫上升的失效可能性增大, 這在艙內(nèi)照明的應用中是必須避免的。
圖2 壽命與結(jié)溫的關(guān)系。
針對以上情況, 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)動電流的大小防止LED結(jié)溫過高。即一方面要針對LED燈具設計良好的散熱系統(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)定性和準確性。為了進行散熱, 可以將LED燈安裝在鋁支架上, 通過艙體進行散熱。空間站艙內(nèi)一般是一個恒溫環(huán)境, 這對于LED工作來說是有利的。
4.5 可靠性設計與*估
由于航天飛行任務的特殊性以及與地面不同的應用條件, 應考慮LED照明系統(tǒng)在空間惡劣環(huán)境下的可靠性, 以保證航天任務的順利實施和航天員的安全。這些影響的因素包括火箭升空帶來的加速度與沖擊振動, 空間的高低溫環(huán)境, 熱真空環(huán)境等。
因此應進行器件的升級篩選和LED 艙內(nèi)燈光學系統(tǒng), 散熱系統(tǒng)和驅(qū)動電源的可靠性分析和設計, 并對燈具進行包括老煉試驗, 熱循環(huán)試驗, 熱真空試驗, 抗輻照試驗, 加速度試驗, 沖擊試驗在內(nèi)的一系列可靠性試驗。
我國于2008年9月發(fā)射的神舟七號飛船上便使用了LED燈為航天員提供艙外照明。這驗證了LED照明系統(tǒng)能夠在復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為神舟七號飛船航天員出艙活動燈樣機。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)應用中同樣具備了航天任務的高可靠度要求。
圖3 神舟七號飛船航天員出艙活動燈樣機。
總體上來講, LED 是固態(tài)發(fā)光器件, 壽命長、不含汞、體積小、耐沖擊振動, 在艙內(nèi)照明中相比氣體放電光源具有更好的可靠性。
5 安全性, 功耗與效率
照明系統(tǒng)的安全性是航天飛行任務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方面考慮。
(1) LED光源是由硅膠、半導體材料、金屬材料等封裝的固態(tài)器件, 結(jié)構(gòu)堅固, 在正常使用時不會產(chǎn)生松動和破碎情況。由于LED是冷光源, 驅(qū)動電路沒有高電壓, 因此不會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危害、眼睛的近紫外危害、視網(wǎng)膜藍光光化學危害、視網(wǎng)膜無晶狀體光化學危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等。在航天照明應用中, 應根據(jù)相關(guān)標準(C IE S009 /E: 2002 和IEC 60825) 嚴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)實現(xiàn)了對艙內(nèi)供電的合理利用。在滿足艙內(nèi)照明指標的前提下, 應盡量提高驅(qū)動電源的效率和燈具效率。同時LED的發(fā)光效能還會受到結(jié)溫的影響, 使用中應嚴格控制其結(jié)溫在一定水平, 以保證燈具有足夠的光輸出。
6 其他
以上幾點問題的解決是LED在空間站照明中應用的基礎和前提。除此之外, LED光源發(fā)光效能高、啟動時間快、啟動溫度范圍寬、工作電壓低、點亮后無頻閃; LED容易設計特殊配光、二次光學系統(tǒng)效率高; 耐沖擊; 容易實現(xiàn)顏色和亮度控制。這些特點為LED替代熒光燈進行艙內(nèi)照明提供了優(yōu)勢。
7 LED照明系統(tǒng)的空間應用經(jīng)歷
除我國在飛船軌道艙外進行了白光LED照明系統(tǒng)的應用外, 美國國家航天航空局于2008年在國際空間站艙內(nèi)進行了固態(tài)照明燈( Solid STate L ightingModule ) 和一般照明燈( General LuminariesAssembly) 的實驗比較測試, 以驗證LED在空間照明應用的可行性。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 。
表1 國際空間站的熒光燈與LED燈具比較
圖4 國際空間站艙內(nèi)一般照明用熒光燈和LED燈具。
從上述實例可以看出, 用LED光源替代熒光燈進行艙內(nèi)照明是具有優(yōu)勢并可行的。
8 結(jié)束語
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, 維護周期長, 降低運輸重量和減少航天任務次數(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, 進而實現(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, 應著手進行適合于未來載人空間站的LED照明系統(tǒng)的研制。
從前面分析可知, 目前LED在空間站艙內(nèi)照明中應用的關(guān)鍵技術(shù)為: LED器件的篩選; LED燈具的散熱設計和結(jié)溫控制; 適合艙內(nèi)空間照明的LED二次光學系統(tǒng)的設計; 驅(qū)動電源的效率和壽命。提高上述應用技術(shù), 對于充分發(fā)揮LED在空間站照明應用的優(yōu)勢, 保證航天任務的高質(zhì)量實施具有很大作用。隨著技術(shù)水平的提高, LED的光效, 顯色指數(shù), 壽命等還有很大的提升空間, LED在未來空間站照明領(lǐng)域必將有很好的應用前景。