白光LED应用于空间站舱内照明的分析与探讨

摘　要: 本文分析了白光LED应用于空间站舱内照明的可行性。根据国内外相关调研资料， 总结了空间站舱内照明的相关指标， 结合载人航天任务的需求分析了LED光源在空间舱内照明的适用性和可靠性， 并与荧光灯进行了相关比较。本文认为白光LED照明系统能够替代荧光灯为舱内提供一般照明， 应研制适合于空间站舱内照明的LED照明系统。

1　前言

未来国家将进行空间站的建设。照明系统是空间站内一个重要的子系统。配套舒适的照明能为航天员的舱内生活， 作业提供良好的照明环境， 保障航天员的人身安全; 同时， 照明的功耗控制也对整个航天任务的顺利实施起到重要作用。在对舱内进行照明设计的过程中， 为了建立一个高可靠、高效、满足人机功效要求的空间站舱内照明环境， 必须选择合适的照明系统， 以达到相关的舱内照明指标并满足对照明系统体积、重量、功耗的限制和可靠性的要求 。

目前国际空间站各舱室内一般照明光源为荧光灯。荧光灯技术成熟， 性能稳定， 可靠性高， 同时具有光效高、发光均匀、表面亮度低等特点。但是其缺点是: 含汞、带频闪、不易调光、维护周期短。

相比之下， 白色发光二极管(LED) 作为一种新型照明光源， 具有体积小、抗震耐冲击、寿命长、启动快、工作电压低、无频闪、不含汞等特点， 非常适合航天飞行任务对照明系统的高可靠和安全性要求。同时在舱内照明应用中， 还应考虑LED光源的发光效能， 显色指数， 色温以及眩光防止等问题。

因此针对这些问题， 分析研究LED光源在飞船和空间站舱内的应用是非常必要的。

2　空间站舱内照明指标

照明指标的实现是为了满足空间站舱内环境对照明质量和数量的要求， 即确保:

(1) 视觉舒适性， 航天员感觉到舒适。

(2) 视觉功效， 航天员在困难条件和长时间工作中， 也能够快速、准确地完成视觉作业。

(3) 视觉安全， 能够看见舱内外作业目标周围附近的物体， 防止误操作或发现异常情况。

由于目前没有针对航天应用发布的照明标准，空间站舱内照明指标主要参考国际照明委员会室内工作场所照明标准 。空间站舱内照明的指标应包括:

以上指标中， (1) 、(2) 、(3) 、(4) 主要取决于光源的数量、光学系统的设计、灯具的安装位置和分布、照明的方式、舱内空间的大小形状以及被照表面的材料特性等。(5) 、(6) 同时受到光源光谱功率分布、二次光学系统和驱动电源三者的共同影响。(7) 主要从安全可靠性设计和测试两方面进行保证。

下面结合相关指标， 具体分析白光LED在舱内照明应用的性能特点及关键应用技术。

3　色温和显色指数

光源的相关色温描述了灯发射的光的表观颜色(灯的色品) 。色温的选择基于照度、室内和周围环境中物品的颜色、周围气候和应用场所。通常在温暖气候条件下冷光的色温更受欢迎， 而寒冷气候条件下暖光的色温更受欢迎。光源的一般显色指数Ra*价了光源的显色特性， Ra越小， 颜色的显现质量越低， Ra小于80 的灯不得用于人们长时期工作或停留的舱内空间 。

在满足舱内照度标准的前提下， 舱内照明应选择性能稳定的LED光源， 其显色指数Ra不应低于80。LED的色温则需根据相关人机功效实验来确定， 一般来说可以使用色温在3000K至5000K之间的LED光源进行舱内照明。

LED的发光光谱会受到LED 芯片的工作结温， 电流的大小和透镜材料的影响， 应用中应对这些因素进行控制以保证照明质量。

4　LED舱内照明的关键应用技术

4.1　器件的筛选

与普通照明不同， 航天任务对产品质量要求高，用于照明系统中的LED器件必须经过筛选合格才能使用; 另一方面， 按照相关筛选规范筛选后的LED器件光电性能相近， 从而保证整个照明系统工作性能的稳定。筛选内容根据具体的筛选对象和筛选规范来确定。

4.2　二次光学系统的设计

对于一个空间站内部类似长方体的低矮空间而言， 航天员处在微重力环境下， 其眼睛可能朝向各个方向并与光源距离不一， 因此灯具必须满足眩光限止的要求。

荧光灯由于其发光面积大， 表面亮度低， 光线柔和， 只需要使用某些漫透射材料即能减少眩光，产生舒适的照明效果。相比之下， LED 是点光源，发光面积小， 亮度高， 灯具若出光角度控制不当则容易产生眩光。因而应根据灯具在舱内的安装位置和方式对LED 光源的出光角度和强度进行重新分配， 使LED由点光源变为均匀的面光源， 发光面亮度降到足够低， 以达到限止眩光的目的。在舱内照明灯的光学系统的选择和设计上， 可以使用透过率高的漫透射系统或者使用导光管、平面镜反射系统等方式产生均匀的面光源。设计时应该以航天任务对照明系统的重量， 体积和功耗的限制为前提， 将其与不舒适眩光值之间取得一个较好的平衡。

4.3　驱动电源的设计

LED驱动电源为舱内LED照明灯提供稳定的供电， 并须设置电路保护。电源输出电流应满足稳定度， 输出噪声和启动时间等相关要求。电路保护应包括输入保护， 限压保护和开路过压保护等。驱动电源的效率应足够高， 以实现舱内供电的合理利用。

此外， LED 驱动电源应具有连续调光功能， 并进行抗辐照和电磁兼容的设计。

4.4　散热设计

高效的散热系统能够保证LED照明灯稳定可靠地工作。由于LED在发光的同时会产生多余的热，如果这些热量过多的积累在器件内部， 则会严重影响LED的工作性能。具体来说， 热量积累会引起芯片的结温升高， 进而使芯片的发光效率降低， 色温发生漂移， 显色指数变劣， 最终导致LED灯寿命缩短。

图1显示了不同颜色LED样品由于结温升高，导致输出光与荧光粉失配， 从而造成光输出下降的情况。

图1　相对光输出随散热基板温度的变化。

另外， 结温还会影响芯片的寿命。图2为某公司产品寿命随结温的变化情况， 定义数量10%的光源下降至其初始光通量的70%时刻作为样品的有效寿命(B10， L70) 。可以看出， 在350mA电流下， 结温从127℃升高到135℃使该LED 的寿命降低了约3万小时， 下降程度达50%， 即LED随结温上升的失效可能性增大， 这在舱内照明的应用中是必须避免的。

图2　寿命与结温的关系。

针对以上情况， 除了筛选性能良好的LED器件外， 在使用条件上必须保证LED能充分地散热并控制驱动电流的大小防止LED结温过高。即一方面要针对LED灯具设计良好的散热系统， 减小芯片到舱体的热阻; 另一方面要保证恒流电源的稳定性和准确性。为了进行散热， 可以将LED灯安装在铝支架上， 通过舱体进行散热。空间站舱内一般是一个恒温环境， 这对于LED工作来说是有利的。

4.5　可靠性设计与*估

由于航天飞行任务的特殊性以及与地面不同的应用条件， 应考虑LED照明系统在空间恶劣环境下的可靠性， 以保证航天任务的顺利实施和航天员的安全。这些影响的因素包括火箭升空带来的加速度与冲击振动， 空间的高低温环境， 热真空环境等。

因此应进行器件的升级筛选和LED 舱内灯光学系统， 散热系统和驱动电源的可靠性分析和设计， 并对灯具进行包括老炼试验， 热循环试验， 热真空试验， 抗辐照试验， 加速度试验， 冲击试验在内的一系列可靠性试验。

我国于2008年9月发射的神舟七号飞船上便使用了LED灯为航天员提供舱外照明。这验证了LED照明系统能够在复杂恶劣的舱外空间环境可靠稳定地工作， 具有很高的可靠度。图3为神舟七号飞船航天员出舱活动灯样机。由于舱内环境不像舱外恶劣， 因此该飞行经历也表明LED照明系统在舱内应用中同样具备了航天任务的高可靠度要求。

 

图3　神舟七号飞船航天员出舱活动灯样机。

总体上来讲， LED 是固态发光器件， 寿命长、不含汞、体积小、耐冲击振动， 在舱内照明中相比气体放电光源具有更好的可靠性。

5　安全性， 功耗与效率

照明系统的安全性是航天飞行任务必须满足的最高要求。LED照明系统的安全性主要从以下两个方面考虑。

(1) LED光源是由硅胶、半导体材料、金属材料等封装的固态器件， 结构坚固， 在正常使用时不会产生松动和破碎情况。由于LED是冷光源， 驱动电路没有高电压， 因此不会由于高温和破碎后引发连带触电事故， 自身的安全性和对外界环境的安全性都很好。

(2) LED的光辐射可能造成皮肤和眼睛的光化学危害、眼睛的近紫外危害、视网膜蓝光光化学危害、视网膜无晶状体光化学危害、视网膜热危害和皮肤热危害等。在航天照明应用中， 应根据相关标准(C IE S009 /E: 2002 和IEC 60825) 严格避免此类伤害的出现。

另外舱内照明灯的外壳温度应控制在45℃以内， 以避免给航天员造成烫伤。与荧光灯相比，LED光源不含对人体有害的物质汞。

在功耗考虑上， 高效的舱内照明系统实现了对舱内供电的合理利用。在满足舱内照明指标的前提下， 应尽量提高驱动电源的效率和灯具效率。同时LED的发光效能还会受到结温的影响， 使用中应严格控制其结温在一定水平， 以保证灯具有足够的光输出。

6　其他

以上几点问题的解决是LED在空间站照明中应用的基础和前提。除此之外， LED光源发光效能高、启动时间快、启动温度范围宽、工作电压低、点亮后无频闪; LED容易设计特殊配光、二次光学系统效率高; 耐冲击; 容易实现颜色和亮度控制。这些特点为LED替代荧光灯进行舱内照明提供了优势。

7　LED照明系统的空间应用经历

除我国在飞船轨道舱外进行了白光LED照明系统的应用外， 美国国家航天航空局于2008年在国际空间站舱内进行了固态照明灯( Solid STate L ightingModule ) 和一般照明灯( General LuminariesAssembly) 的实验比较测试， 以验证LED在空间照明应用的可行性。图4上为国际空间站舱内的荧光灯(GLA) ， 下为替代的LED 灯具( SSLM) 。表1为NASA公布的两种照明灯具的测试结果 。

表1　国际空间站的荧光灯与LED灯具比较

 

图4　国际空间站舱内一般照明用荧光灯和LED灯具。

从上述实例可以看出， 用LED光源替代荧光灯进行舱内照明是具有优势并可行的。

8　结束语

相比荧光灯来说LED照明系统在空间站照明具有更大的优势， 包括(1) 寿命长， 维护周期长， 降低运输重量和减少航天任务次数(2) 体积重量小， 方便安装(3) 0～100%调光， 改变舱内照度与色温， 进而实现照明情景的切换因此LED光源替代荧光灯为空间站舱内提供一般照明具有可行性， 应着手进行适合于未来载人空间站的LED照明系统的研制。

从前面分析可知， 目前LED在空间站舱内照明中应用的关键技术为: LED器件的筛选; LED灯具的散热设计和结温控制; 适合舱内空间照明的LED二次光学系统的设计; 驱动电源的效率和寿命。提高上述应用技术， 对于充分发挥LED在空间站照明应用的优势， 保证航天任务的高质量实施具有很大作用。随着技术水平的提高， LED的光效， 显色指数， 寿命等还有很大的提升空间， LED在未来空间站照明领域必将有很好的应用前景。