一种适合宇航员出舱活动的LED照明灯

摘要

本发明公开了一种适合宇航员出舱活动的LED照明灯，其主要特征包括：发光二极管、二次光学系统，电路结构和灯具结构。二次光学系统200主要由二次光学底座、石英透镜和压盖等组成，实现将发光二极管发出的光能从顶角为140°圆锥区域汇聚到顶角为80°圆锥区域。电路结构将LED照明灯的24颗发光二极管分为完全独立的两组，并将每组LED器件构成“4并－3串”的连接方式。灯具结构实现LED照明灯在X轴向－80°～+80°大范围均匀照明和灯体的热辐射散热，调整块主要将从每颗发光二极管和二次光学系统中出射的光能向Y轴正向倾斜，实现照明灯在Y轴正向0°～+80°区域的照明。

说明书

技术领域

本发明涉及一种载人航天领域的LED空间照明技术，特别是指一种适合宇航员出舱活动的LED照明灯。

背景技术

随着“神舟五号”载人飞船空间飞行任务的圆满完成，我国载人航天工程进入航天器交会对接研制阶段，空间出舱活动和飞行器交会对接被列为我国载人航天二步需要解决的关键技术。为了保证宇航员出舱活动和飞行器交会对接任务顺利完成，必须研制为宇航员及空间摄像机提供载人运输飞船舱外照明系统。

美国的航天飞机配置有系统而复杂的照明系统，其舱外照明中各工作区采用相应的照明方案以满足不同的光照度要求。美国航天飞机的外部照明光源主要采用金卤灯。

国内在航天照明应用方面的研究起步较晚，目前在飞船舱内照明方面具有一定的应用基础(如“神舟五号”、“神舟六号”舱内照明采用泛白光冷光源制成的U形荧光灯、“神舟二号”空间生物培养照明采用热辐射光源白炽灯等)；在载人运输飞船舱外照明方面尚没有直接应用经验。

SZ-7载人运输飞船实现我国首次宇航员出舱活动，研制适合我国载人运输飞船特点和任务需求的LED照明系统，属于国内外首次。

发明内容

基于国内外空间照明技术背景和我国载人运输飞船照明系统特点需求，本发明研制了一种适用于宇航员出舱活动的泛光LED照明灯，解决我国宇航员在地影区出舱活动时的泛光照明，并为飞船外表面的监视摄像机提供稳定的白光照明，支持摄像机获得清晰的宇航员出舱活动图像。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供一种适合宇航员出舱活动的LED照明灯，主要包含以下四个部分组成：发光二极管100、二次光学系统200、电路结构300和灯具结构400，如图1所示。

发光二极管100为电光转换器件，将部分电能转换成照明用的可见光光能，该器件需通过可靠性升级筛选。

二次光学系统200主要由二次光学底座201、石英透镜202、压盖203等组成，实现将发光二极管发出的光能从顶角为140°圆锥区域汇聚到顶角为80。圆锥区域，实现光能的充分利用，光路结构如附图2所示。石英透镜表面采用一定的喷砂处理，适当消除由于发光二极管亮度大而产生的眩光，同时石英透镜能够保护发光二极管免受空间带电粒子、射线的辐照影响。

电路结构300主要由导线和电连接器组成，其将LED照明灯的24颗发光二极管分为完全独立的两组，并将每组LED器件构成“4并-3串”的连接方式，充分考虑LED器件的断路和短路两种失效模式，提高LED照明灯的整机可靠性。

灯具结构400主要有基体401、调整块402、后盖板403以及接插件压盖404等组成。基体401设计成类似“菲涅耳透镜”的形状结构，将LED照明灯的24颗光源较均匀地分布在灯体上，实现照明灯在X轴向-80°～+80°较均匀照明和同时通过其表面的高发射率热控涂层解决LED照明灯在空间真空环境条件下的辐射散热；调整块主要将部分从二次光学系统中出射的光能向Y轴正向倾斜40°，实现照明灯在Y轴正向0°～+80°区域的照明。

本发明的优点是：

1.该照明灯采用LED作为照明光源，具有高效率、高可靠性、高安全性等优势，在有限的资源条件下实现了我国载人航天任务的需求。本发明为国内乃至国际第一次将LED照明光源应用于空间飞行器舱外照明系统；

2.该照明灯的每颗发光二极管均具有独立的二次光学系统，该设计充分提高了器件的光能利用率和解决了器件的光能均匀分布。

3.该照明灯采用独立两路供电的电路结构，且每路中的12颗LED器件采用了“4并-3串”的连接模式，提高了照明灯的可靠性。

4.该照明灯的灯具结构设计成类似“菲涅耳透镜”的形状，在充分利用每颗发光二极管的光能情况下，解决了LED照明灯照明角度大、体积小、质量轻等关键矛盾性问题。

附图说明

附图1为本发明的LED照明灯的结构形状及组成图。

附图2为本发明的LED照明灯的二次光学系统结构和光路图。

附图3为本发明的LED照明灯的电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施进一步对本发明作详细阐述，系统构成的具体实现见附图1。

灯具中采用的发光二极管100的光出射角度为140°，出射角度较大，本发明中为每颗发光二极管添加独立二次光学系统200。二次光学系统主要由二次光学底座201、石英透镜202以及压盖203组成，独立的二次光学系统将每颗LED光源所发出的光能汇聚到顶角为80°的圆锥形区域，形成小角度均匀照明，同时二次光学系统可以保护LED器件免受空间粒子、射线的辐照影响。发光二极管和二次光学系统的光路结构如图2所示。

电路结构主要有导线和电连接器组成，其将照明灯的24颗光源分为完全独立的两组，每组(12颗)LED光源又采用“4并-3串”电路连接方式，保证在某颗发光二极管发生断路或者短路失效时，对LED照明灯的照明效果产生的影响最小，从而提高LED照明灯整机的可靠性。照明灯的电路结构如图3所示。

灯具主要由基体401、调整块402、后盖板403以及电连接器盖404组成。基体401设计成类似“菲涅耳透镜”的形状，将经过二次光学系统出射的光能扩展到X轴向-80°～+80°区域内且较均匀地分布，实现照明灯X轴向的照明区域要求；灯体的调整块402设计成具有向Y轴正向倾斜的凸台结构，将16个二次光学系统分别向Y轴正向倾斜40°，实现大部分光能照明在Y轴正向0°～+80°区域，同时保证在Y轴负向0°～-40°也具有一定的照明效果。后盖板403和电连接器盖404主要功能是将照明灯的导线屏蔽起来，免受空间粒子和射线的辐照影响。

根据图1中的照明灯的结构，设计了一种适合我国载人运输飞船宇航员出舱活动的LED照明灯。该照明灯的指标如下：

照明区域：X轴-80°～+80°，Y轴正向0°～+80°；

照度要求：距灯体3米处，上述空间范围内各点照度≥61x；

功耗：P≤27W；

重量：1.9kg；

体积：256×115×110mm³(长×宽×高)。