在航天器熱平衡試驗(yàn)領(lǐng)域，傳統(tǒng)吸收熱流模擬方法已難以滿足新型航天器復(fù)雜構(gòu)形與差異化表面熱光學(xué)性能的需求。太陽模擬器憑借精準(zhǔn)模擬太陽輻照的準(zhǔn)直性、均勻性和光譜特性的能力，成為深空探測(cè)等前沿任務(wù)的核心裝備。Luminbox全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器系統(tǒng)可集成于模擬近地軌道及深空環(huán)境的多功能實(shí)驗(yàn)艙，為航天裝備測(cè)試提供精準(zhǔn)光輻照條件。

太陽模擬器的原理

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基于太陽模擬器的熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

太陽模擬器可以在地面較為真實(shí)地模擬太陽光的輻照度和光譜分布等參數(shù)。其熱平衡試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，太陽模擬器由光學(xué)系統(tǒng)、光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源與控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)模擬器系統(tǒng)等組成。

光學(xué)系統(tǒng)作為核心部分，主要由氙燈、聚光鏡、光學(xué)積分器和準(zhǔn)直系統(tǒng)4 部分組成，采用離軸方式，使得光學(xué)系統(tǒng)光軸與均勻輻照體積的對(duì)稱軸成一定角度。

太陽模擬器的性能參數(shù)

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太陽模擬器的性能直接決定了熱平衡試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性，其主要性能參數(shù)包括輻照面積和輻照度、輻照不均勻度、輻照不穩(wěn)定度、準(zhǔn)直角以及光譜匹配性等。

輻照面積：模擬器可提供的有效輻照面尺寸，分大型（＞4m）、中型（1~3m）、小型（＜1m）。

輻照度：垂直照射方向的功率密度（W/m2），標(biāo)準(zhǔn)需達(dá) 1 個(gè)太陽常數(shù)(1367W/m2），受光源功率、光學(xué)組件效率影響。

輻照不均勻度：輻照不均勻度用于衡量試驗(yàn)空間內(nèi)各位置輻照度的不一致程度，分為面不均勻度和體不均勻度。

輻照不穩(wěn)定度：輻照不穩(wěn)定度是指在有效輻照面內(nèi)任一位置，規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)輻照度隨時(shí)間變化的最大相對(duì)偏差。

準(zhǔn)直角：模擬光線的非平行度參數(shù)，影響航天器陰影區(qū)模擬精度。真實(shí)太陽光準(zhǔn)直角為 32'，模擬器通?？刂圃?±2° 以內(nèi)，避免陰影變形誤差。

光譜匹配性：模擬光譜與空間太陽光譜（AM0）的一致性，直接影響試驗(yàn)誤差。不同場景需求不同，如光電測(cè)試需嚴(yán)格匹配，熱平衡試驗(yàn)可結(jié)合試件特性調(diào)整。

國外太陽模擬器設(shè)備現(xiàn)狀

美國：以 JPL 為代表，其大型模擬器經(jīng) 60 余年迭代，輻照均勻度（面 ±4%，體 ±5%）與準(zhǔn)直角（±1°）達(dá)全球頂尖水平，支撐 “好奇號(hào)” 等深空探測(cè)器試驗(yàn)。

歐洲：ESTEC 模擬器以輻照面積大（直徑 6m）、多指標(biāo) A 級(jí)（不穩(wěn)定度 ±0.5%/h）成為國際共享平臺(tái)，設(shè)計(jì)理念被中國 KM6 模擬器借鑒。

日韓印等：日本 NASDA 模擬器面均勻度達(dá) A 級(jí)，但體均勻度稍遜（±10%）；印度、韓國近年建成中型模擬器，逐步進(jìn)入航天應(yīng)用領(lǐng)域。

國內(nèi)太陽模擬器設(shè)備現(xiàn)狀

我國太陽模擬器性能參數(shù)表

大型化突破：KM6 模擬器輻照面直徑 5m，超越日本（4.5m）、印度（4.5m）等國家，接近歐空局 ESTEC（6m），滿足大型航天器（如空間站艙段）試驗(yàn)需求。

穩(wěn)定性提升：KM6 不穩(wěn)定度 ±0.5%/h（優(yōu)于美國 JPL 的 ±1%/h），達(dá)到 ASTM A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，適合長時(shí)間熱平衡測(cè)試。

我國太陽模擬器KM6等設(shè)備標(biāo)志著大型化與穩(wěn)定性達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在極端環(huán)境模擬、光譜精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力方面仍需突破。

綜上所述太陽模擬器的核心原理與系統(tǒng)組成，揭示了其通過離軸光學(xué)設(shè)計(jì)、氙燈光源和精密準(zhǔn)直技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽輻照的準(zhǔn)直性、均勻性及光譜特性的高精度模擬。本文深入分析了關(guān)鍵性能參數(shù)（如輻照面積、不均勻度、準(zhǔn)直角等）的定義、標(biāo)準(zhǔn)及影響因素，并通過國內(nèi)外設(shè)備對(duì)比，凸顯了我國KM6等模擬器在輻照面積和均勻性上已接近國際先進(jìn)水平，但在高輻照擴(kuò)展和光譜匹配性方面仍需突破。

Luminbox 全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器

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Luminbox 全光譜準(zhǔn)直型太陽光模擬器為跨行業(yè)材料提供高精度老化測(cè)試與性能驗(yàn)證，能精準(zhǔn)模擬自然光環(huán)境，支持光譜 / 亮度 / 色溫調(diào)控。

全光譜覆蓋：350nm-1100nm 光譜，貼近自然光權(quán)重

高動(dòng)態(tài)亮度：2 米處 20,000-150,000Lux，滿足 HUD 亮度響應(yīng)測(cè)試

強(qiáng)光抗擾驗(yàn)證：直射模擬復(fù)現(xiàn)圖像模糊 / 重影問題場景

多場景適應(yīng)：支持日間 / 夜間 / 隧道等光照動(dòng)態(tài)切換測(cè)試

隨著深空探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜化，太陽模擬器需向更高輻照范圍（如10個(gè)太陽常數(shù)）、更低背景熱流干擾（如木星探測(cè)）及智能化動(dòng)態(tài)調(diào)控方向發(fā)展。LuminBox等新型模擬器展現(xiàn)的技術(shù)路線，為傳統(tǒng)大型設(shè)備的性能提升提供了有益參考。