白光LED應用于空間站艙內照明的分析與探討

摘　要: 本文分析了白光LED應用于空間站艙內照明的可行性。根據國內外相關(guān)調研資料， 總結了空間站艙內照明的相關(guān)指標， 結合載人航天任務(wù)的需求分析了LED光源在空間艙內照明的適用性和可靠性， 并與熒光燈進(jìn)行了相關(guān)比較。本文認為白光LED照明系統能夠替代熒光燈為艙內提供一般照明， 應研制適合于空間站艙內照明的LED照明系統。

1　前言

未來(lái)國家將進(jìn)行空間站的建設。照明系統是空間站內一個(gè)重要的子系統。配套舒適的照明能為航天員的艙內生活， 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整個(gè)航天任務(wù)的順利實(shí)施起到重要作用。在對艙內進(jìn)行照明設計的過(guò)程中， 為了建立一個(gè)高可靠、高效、滿(mǎn)足人機功效要求的空間站艙內照明環(huán)境， 必須選擇合適的照明系統， 以達到相關(guān)的艙內照明指標并滿(mǎn)足對照明系統體積、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一般照明光源為熒光燈。熒光燈技術(shù)成熟， 性能穩定， 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(cháng)、啟動(dòng)快、工作電壓低、無(wú)頻閃、不含汞等特點(diǎn)， 非常適合航天飛行任務(wù)對照明系統的高可靠和安全性要求。同時(shí)在艙內照明應用中， 還應考慮LED光源的發(fā)光效能， 顯色指數， 色溫以及眩光防止等問(wèn)題。

因此針對這些問(wèn)題， 分析研究LED光源在飛船和空間站艙內的應用是非常必要的。

2　空間站艙內照明指標

照明指標的實(shí)現是為了滿(mǎn)足空間站艙內環(huán)境對照明質(zhì)量和數量的要求， 即確保:

(1) 視覺(jué)舒適性， 航天員感覺(jué)到舒適。

(2) 視覺(jué)功效， 航天員在困難條件和長(cháng)時(shí)間工作中， 也能夠快速、準確地完成視覺(jué)作業(yè)。

(3) 視覺(jué)安全， 能夠看見(jiàn)艙內外作業(yè)目標周?chē)浇奈矬w， 防止誤操作或發(fā)現異常情況。

由于目前沒(méi)有針對航天應用發(fā)布的照明標準，空間站艙內照明指標主要參考國際照明委員會(huì )室內工作場(chǎng)所照明標準 ?？臻g站艙內照明的指標應包括:

以上指標中， (1) 、(2) 、(3) 、(4) 主要取決于光源的數量、光學(xué)系統的設計、燈具的安裝位置和分布、照明的方式、艙內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)系統和驅動(dòng)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(jìn)行保證。

下面結合相關(guān)指標， 具體分析白光LED在艙內照明應用的性能特點(diǎn)及關(guān)鍵應用技術(shù)。

3　色溫和顯色指數

光源的相關(guān)色溫描述了燈發(fā)射的光的表觀(guān)顏色(燈的色品) 。色溫的選擇基于照度、室內和周?chē)h(huán)境中物品的顏色、周?chē)鷼夂蚝蛻脠?chǎng)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Ra*價(jià)了光源的顯色特性， Ra越小， 顏色的顯現質(zhì)量越低， Ra小于80 的燈不得用于人們長(cháng)時(shí)期工作或停留的艙內空間 。

在滿(mǎn)足艙內照度標準的前提下， 艙內照明應選擇性能穩定的LED光源， 其顯色指數Ra不應低于80。LED的色溫則需根據相關(guān)人機功效實(shí)驗來(lái)確定， 一般來(lái)說(shuō)可以使用色溫在3000K至5000K之間的LED光源進(jìn)行艙內照明。

LED的發(fā)光光譜會(huì )受到LED 芯片的工作結溫， 電流的大小和透鏡材料的影響， 應用中應對這些因素進(jìn)行控制以保證照明質(zhì)量。

4　LED艙內照明的關(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(wù)對產(chǎn)品質(zhì)量要求高，用于照明系統中的LED器件必須經(jīng)過(guò)篩選合格才能使用; 另一方面， 按照相關(guān)篩選規范篩選后的LED器件光電性能相近， 從而保證整個(gè)照明系統工作性能的穩定。篩選內容根據具體的篩選對象和篩選規范來(lái)確定。

4.2　二次光學(xué)系統的設計

對于一個(gè)空間站內部類(lèi)似長(cháng)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(mǎn)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(xiàn)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則容易產(chǎn)生眩光。因而應根據燈具在艙內的安裝位置和方式對LED 光源的出光角度和強度進(jìn)行重新分配， 使LED由點(diǎn)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。在艙內照明燈的光學(xué)系統的選擇和設計上， 可以使用透過(guò)率高的漫透射系統或者使用導光管、平面鏡反射系統等方式產(chǎn)生均勻的面光源。設計時(shí)應該以航天任務(wù)對照明系統的重量， 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　驅動(dòng)電源的設計

LED驅動(dòng)電源為艙內LED照明燈提供穩定的供電， 并須設置電路保護。電源輸出電流應滿(mǎn)足穩定度， 輸出噪聲和啟動(dòng)時(shí)間等相關(guān)要求。電路保護應包括輸入保護， 限壓保護和開(kāi)路過(guò)壓保護等。驅動(dòng)電源的效率應足夠高， 以實(shí)現艙內供電的合理利用。

此外， LED 驅動(dòng)電源應具有連續調光功能， 并進(jìn)行抗輻照和電磁兼容的設計。

4.4　散熱設計

高效的散熱系統能夠保證LED照明燈穩定可靠地工作。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(guò)多的積累在器件內部， 則會(huì )嚴重影響LED的工作性能。具體來(lái)說(shuō)， 熱量積累會(huì )引起芯片的結溫升高， 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， 結溫還會(huì )影響芯片的壽命。圖2為某公司產(chǎn)品壽命隨結溫的變化情況， 定義數量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) ?？梢钥闯?， 在350mA電流下， 結溫從127℃升高到135℃使該LED 的壽命降低了約3萬(wàn)小時(shí)， 下降程度達50%， 即LED隨結溫上升的失效可能性增大， 這在艙內照明的應用中是必須避免的。

圖2　壽命與結溫的關(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動(dòng)電流的大小防止LED結溫過(guò)高。即一方面要針對LED燈具設計良好的散熱系統， 減小芯片到艙體的熱阻; 另一方面要保證恒流電源的穩定性和準確性。為了進(jìn)行散熱， 可以將LED燈安裝在鋁支架上， 通過(guò)艙體進(jìn)行散熱?？臻g站艙內一般是一個(gè)恒溫環(huán)境， 這對于LED工作來(lái)說(shuō)是有利的。

4.5　可靠性設計與*估

由于航天飛行任務(wù)的特殊性以及與地面不同的應用條件， 應考慮LED照明系統在空間惡劣環(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(lái)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。

因此應進(jìn)行器件的升級篩選和LED 艙內燈光學(xué)系統， 散熱系統和驅動(dòng)電源的可靠性分析和設計， 并對燈具進(jìn)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照明系統能夠在復雜惡劣的艙外空間環(huán)境可靠穩定地工作， 具有很高的可靠度。圖3為神舟七號飛船航天員出艙活動(dòng)燈樣機。由于艙內環(huán)境不像艙外惡劣， 因此該飛行經(jīng)歷也表明LED照明系統在艙內應用中同樣具備了航天任務(wù)的高可靠度要求。

圖3　神舟七號飛船航天員出艙活動(dòng)燈樣機。

總體上來(lái)講， LED 是固態(tài)發(fā)光器件， 壽命長(cháng)、不含汞、體積小、耐沖擊振動(dòng)， 在艙內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

照明系統的安全性是航天飛行任務(wù)必須滿(mǎn)足的最高要求。LED照明系統的安全性主要從以下兩個(gè)方面考慮。

(1) LED光源是由硅膠、半導體材料、金屬材料等封裝的固態(tài)器件， 結構堅固， 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， 驅動(dòng)電路沒(méi)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)膜藍光光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜無(wú)晶狀體光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等。在航天照明應用中， 應根據相關(guān)標準(C IE S009 /E: 2002 和IEC 60825) 嚴格避免此類(lèi)傷害的出現。

另外艙內照明燈的外殼溫度應控制在45℃以?xún)龋?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， 高效的艙內照明系統實(shí)現了對艙內供電的合理利用。在滿(mǎn)足艙內照明指標的前提下， 應盡量提高驅動(dòng)電源的效率和燈具效率。同時(shí)LED的發(fā)光效能還會(huì )受到結溫的影響， 使用中應嚴格控制其結溫在一定水平， 以保證燈具有足夠的光輸出。

6　其他

以上幾點(diǎn)問(wèn)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(dòng)時(shí)間快、啟動(dòng)溫度范圍寬、工作電壓低、點(diǎn)亮后無(wú)頻閃; LED容易設計特殊配光、二次光學(xué)系統效率高; 耐沖擊; 容易實(shí)現顏色和亮度控制。這些特點(diǎn)為L(cháng)ED替代熒光燈進(jìn)行艙內照明提供了優(yōu)勢。

7　LED照明系統的空間應用經(jīng)歷

除我國在飛船軌道艙外進(jìn)行了白光LED照明系統的應用外， 美國國家航天航空局于2008年在國際空間站艙內進(jìn)行了固態(tài)照明燈( Solid STate L ightingModule ) 和一般照明燈( General LuminariesAssembly) 的實(shí)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　國際空間站艙內一般照明用熒光燈和LED燈具。

從上述實(shí)例可以看出， 用LED光源替代熒光燈進(jìn)行艙內照明是具有優(yōu)勢并可行的。

8　結束語(yǔ)

相比熒光燈來(lái)說(shuō)LED照明系統在空間站照明具有更大的優(yōu)勢， 包括(1) 壽命長(cháng)， 維護周期長(cháng)， 降低運輸重量和減少航天任務(wù)次數(2) 體積重量小， 方便安裝(3) 0～100%調光， 改變艙內照度與色溫， 進(jìn)而實(shí)現照明情景的切換因此LED光源替代熒光燈為空間站艙內提供一般照明具有可行性， 應著(zhù)手進(jìn)行適合于未來(lái)載人空間站的LED照明系統的研制。

從前面分析可知， 目前LED在空間站艙內照明中應用的關(guān)鍵技術(shù)為: LED器件的篩選; LED燈具的散熱設計和結溫控制; 適合艙內空間照明的LED二次光學(xué)系統的設計; 驅動(dòng)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(wù)的高質(zhì)量實(shí)施具有很大作用。隨著(zhù)技術(shù)水平的提高， LED的光效， 顯色指數， 壽命等還有很大的提升空間， LED在未來(lái)空間站照明領(lǐng)域必將有很好的應用前景。