白光LED應(yīng)用于空間站艙內(nèi)照明的分析與探討

摘　要: 本文分析了白光LED應(yīng)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(biāo)， 結(jié)合載人航天任務(wù)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(jìn)行了相關(guān)比較。本文認(rèn)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(yīng)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(jìn)行空間站的建設(shè)。照明系統(tǒng)是空間站內(nèi)一個(gè)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(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(nèi)進(jìn)行照明設(shè)計(jì)的過程中， 為了建立一個(gè)高可靠、高效、滿足人機(jī)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(dá)到相關(guān)的艙內(nèi)照明指標(biāo)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(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(diào)光、維護(hù)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(dòng)快、工作電壓低、無頻閃、不含汞等特點(diǎn)， 非常適合航天飛行任務(wù)對照明系統(tǒng)的高可靠和安全性要求。同時(shí)在艙內(nèi)照明應(yīng)用中， 還應(yīng)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(yīng)用是非常必要的。

2　空間站艙內(nèi)照明指標(biāo)

照明指標(biāo)的實(shí)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(shí)間工作中， 也能夠快速、準(zhǔn)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(biāo)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(yīng)用發(fā)布的照明標(biāo)準(zhǔn)，空間站艙內(nèi)照明指標(biāo)主要參考國際照明委員會(huì)室內(nèi)工作場所照明標(biāo)準(zhǔn) ?？臻g站艙內(nèi)照明的指標(biāo)應(yīng)包括:

以上指標(biāo)中， (1) 、(2) 、(3) 、(4) 主要取決于光源的數(shù)量、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、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(shí)受到光源光譜功率分布、二次光學(xué)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源三者的共同影響。(7) 主要從安全可靠性設(shè)計(jì)和測試兩方面進(jìn)行保證。

下面結(jié)合相關(guān)指標(biāo)， 具體分析白光LED在艙內(nèi)照明應(yīng)用的性能特點(diǎn)及關(guān)鍵應(yīng)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(yīng)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(jià)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(shí)期工作或停留的艙內(nèi)空間 。

在滿足艙內(nèi)照度標(biāo)準(zhǔn)的前提下， 艙內(nèi)照明應(yīng)選擇性能穩(wěn)定的LED光源， 其顯色指數(shù)Ra不應(yīng)低于80。LED的色溫則需根據(jù)相關(guān)人機(jī)功效實(shí)驗(yàn)來確定， 一般來說可以使用色溫在3000K至5000K之間的LED光源進(jìn)行艙內(nèi)照明。

LED的發(fā)光光譜會(huì)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(yīng)用中應(yīng)對這些因素進(jìn)行控制以保證照明質(zhì)量。

4　LED艙內(nèi)照明的關(guān)鍵應(yīng)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(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(gè)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(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對于一個(gè)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(gè)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(diǎn)光源，發(fā)光面積小， 亮度高， 燈具若出光角度控制不當(dāng)則容易產(chǎn)生眩光。因而應(yīng)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(qiáng)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(dá)到限止眩光的目的。在艙內(nèi)照明燈的光學(xué)系統(tǒng)的選擇和設(shè)計(jì)上， 可以使用透過率高的漫透射系統(tǒng)或者使用導(dǎo)光管、平面鏡反射系統(tǒng)等方式產(chǎn)生均勻的面光源。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該以航天任務(wù)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(gè)較好的平衡。

4.3　驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)

LED驅(qū)動(dòng)電源為艙內(nèi)LED照明燈提供穩(wěn)定的供電， 并須設(shè)置電路保護(hù)。電源輸出電流應(yīng)滿足穩(wěn)定度， 輸出噪聲和啟動(dòng)時(shí)間等相關(guān)要求。電路保護(hù)應(yīng)包括輸入保護(hù)， 限壓保護(hù)和開路過壓保護(hù)等。驅(qū)動(dòng)電源的效率應(yīng)足夠高， 以實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)供電的合理利用。

此外， LED 驅(qū)動(dòng)電源應(yīng)具有連續(xù)調(diào)光功能， 并進(jìn)行抗輻照和電磁兼容的設(shè)計(jì)。

4.4　散熱設(shè)計(jì)

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(shí)會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響LED的工作性能。具體來說， 熱量積累會(huì)引起芯片的結(jié)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(shù)變劣， 最終導(dǎo)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(dǎo)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(huì)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(shí)刻作為樣品的有效壽命(B10， L70) ?？梢钥闯?， 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(shí)， 下降程度達(dá)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(yīng)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(dòng)電流的大小防止LED結(jié)溫過高。即一方面要針對LED燈具設(shè)計(jì)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(zhǔn)確性。為了進(jìn)行散熱， 可以將LED燈安裝在鋁支架上， 通過艙體進(jìn)行散熱?？臻g站艙內(nèi)一般是一個(gè)恒溫環(huán)境， 這對于LED工作來說是有利的。

4.5　可靠性設(shè)計(jì)與*估

由于航天飛行任務(wù)的特殊性以及與地面不同的應(yīng)用條件， 應(yīng)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(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(yīng)進(jìn)行器件的升級篩選和LED 艙內(nèi)燈光學(xué)系統(tǒng)， 散熱系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電源的可靠性分析和設(shè)計(jì)， 并對燈具進(jìn)行包括老煉試驗(yàn)， 熱循環(huán)試驗(yàn)， 熱真空試驗(yàn)， 抗輻照試驗(yàn)， 加速度試驗(yàn)， 沖擊試驗(yàn)在內(nèi)的一系列可靠性試驗(yàn)。

我國于2008年9月發(fā)射的神舟七號(hào)飛船上便使用了LED燈為航天員提供艙外照明。這驗(yàn)證了LED照明系統(tǒng)能夠在復(fù)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(hào)飛船航天員出艙活動(dòng)燈樣機(jī)。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(yīng)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(hào)飛船航天員出艙活動(dòng)燈樣機(jī)。

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(dòng)， 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(wù)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(gè)方面考慮。

(1) LED光源是由硅膠、半導(dǎo)體材料、金屬材料等封裝的固態(tài)器件， 結(jié)構(gòu)堅(jiān)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(qū)動(dòng)電路沒有高電壓， 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(lán)光光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜無晶狀體光化學(xué)危害、視網(wǎng)膜熱危害和皮膚熱危害等。在航天照明應(yīng)用中， 應(yīng)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(C IE S009 /E: 2002 和IEC 60825) 嚴(yán)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(yīng)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(shí)現(xiàn)了對艙內(nèi)供電的合理利用。在滿足艙內(nèi)照明指標(biāo)的前提下， 應(yīng)盡量提高驅(qū)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(jié)溫的影響， 使用中應(yīng)嚴(yán)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(diǎn)問題的解決是LED在空間站照明中應(yīng)用的基礎(chǔ)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)亮后無頻閃; LED容易設(shè)計(jì)特殊配光、二次光學(xué)系統(tǒng)效率高; 耐沖擊; 容易實(shí)現(xiàn)顏色和亮度控制。這些特點(diǎn)為LED替代熒光燈進(jìn)行艙內(nèi)照明提供了優(yōu)勢。

7　LED照明系統(tǒng)的空間應(yīng)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(tǒng)的應(yīng)用外， 美國國家航天航空局于2008年在國際空間站艙內(nèi)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(yàn)比較測試， 以驗(yàn)證LED在空間照明應(yīng)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(shí)例可以看出， 用LED光源替代熒光燈進(jìn)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(hù)周期長， 降低運(yùn)輸重量和減少航天任務(wù)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(jìn)而實(shí)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(yīng)著手進(jìn)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(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)為: LED器件的篩選; LED燈具的散熱設(shè)計(jì)和結(jié)溫控制; 適合艙內(nèi)空間照明的LED二次光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì); 驅(qū)動(dòng)電源的效率和壽命。提高上述應(yīng)用技術(shù)， 對于充分發(fā)揮LED在空間站照明應(yīng)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(yīng)用前景。