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(jù)國內外相關調研資料， 總結了空間站艙內照明的相關指標， 結合載人航天任務的需求分析了LED光源在空間艙內照明的適用性和可靠性， 并與熒光燈進行了相關比較。本文認為白光LED照明系統(tǒng)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(tǒng)。

1　前言

未來國家將進行空間站的建設。照明系統(tǒng)是空間站內一個重要的子系統(tǒng)。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， 照明的功耗控制也對整個航天任務的順利實施起到重要作用。在對艙內進行照明設計的過程中， 為了建立一個高可靠、高效、滿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(tǒng)， 以達到相關的艙內照明指標并滿足對照明系統(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一般照明光源為熒光燈。熒光燈技術成熟， 性能穩(wěn)定， 可靠性高， 同時具有光效高、發(fā)光均勻、表面亮度低等特點。但是其缺點是: 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、啟動快、工作電壓低、無頻閃、不含汞等特點， 非常適合航天飛行任務對照明系統(tǒng)的高可靠和安全性要求。同時在艙內照明應用中， 還應考慮LED光源的發(fā)光效能， 顯色指數(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

照明指標的實現(xiàn)是為了滿足空間站艙內環(huán)境對照明質量和數(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間工作中， 也能夠快速、準確地完成視覺作業(yè)。

(3) 視覺安全， 能夠看見艙內外作業(yè)目標周圍附近的物體， 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室內工作場所照明標準 ?？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(shù)量、光學系統(tǒng)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) 同時受到光源光譜功率分布、二次光學系統(tǒng)和驅動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行保證。

下面結合相關指標， 具體分析白光LED在艙內照明應用的性能特點及關鍵應用技術。

3　色溫和顯色指數(shù)

光源的相關色溫描述了燈發(fā)射的光的表觀顏色(燈的色品) 。色溫的選擇基于照度、室內和周圍環(huán)境中物品的顏色、周圍氣候和應用場所。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*價了光源的顯色特性， Ra越小， 顏色的顯現(xiàn)質量越低， Ra小于80 的燈不得用于人們長時期工作或停留的艙內空間 。

在滿足艙內照度標準的前提下， 艙內照明應選擇性能穩(wěn)定的LED光源， 其顯色指數(shù)Ra不應低于80。LED的色溫則需根據(jù)相關人機功效實驗來確定， 一般來說可以使用色溫在3000K至5000K之間的LED光源進行艙內照明。

LED的發(fā)光光譜會受到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行控制以保證照明質量。

4　LED艙內照明的關鍵應用技術

4.1　器件的篩選

與普通照明不同， 航天任務對產品質量要求高，用于照明系統(tǒng)中的LED器件必須經過篩選合格才能使用; 另一方面， 按照相關篩選規(guī)范篩選后的LED器件光電性能相近， 從而保證整個照明系統(tǒng)工作性能的穩(wěn)定。篩選內容根據(jù)具體的篩選對象和篩選規(guī)范來確定。

4.2　二次光學系統(tǒng)的設計

對于一個空間站內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，產生舒適的照明效果。相比之下， LED 是點光源，發(fā)光面積小， 亮度高， 燈具若出光角度控制不當則容易產生眩光。因而應根據(jù)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行重新分配， 使LED由點光源變?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系統(tǒng)的選擇和設計上， 可以使用透過率高的漫透射系統(tǒng)或者使用導光管、平面鏡反射系統(tǒng)等方式產生均勻的面光源。設計時應該以航天任務對照明系統(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較好的平衡。

4.3　驅動電源的設計

LED驅動電源為艙內LED照明燈提供穩(wěn)定的供電， 并須設置電路保護。電源輸出電流應滿足穩(wěn)定度， 輸出噪聲和啟動時間等相關要求。電路保護應包括輸入保護， 限壓保護和開路過壓保護等。驅動電源的效率應足夠高， 以實現(xiàn)艙內供電的合理利用。

此外， LED 驅動電源應具有連續(xù)調光功能， 并進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(tǒng)能夠保證LED照明燈穩(wěn)定可靠地工作。由于LED在發(fā)光的同時會產生多余的熱，如果這些熱量過多的積累在器件內部， 則會嚴重影響LED的工作性能。具體來說， 熱量積累會引起芯片的結溫升高， 進而使芯片的發(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， 結溫還會影響芯片的壽命。圖2為某公司產品壽命隨結溫的變化情況， 定義數(shù)量10%的光源下降至其初始光通量的70%時刻作為樣品的有效壽命(B10， L70) ?？梢钥闯觯?在350mA電流下， 結溫從127℃升高到135℃使該LED 的壽命降低了約3萬小時， 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電流的大小防止LED結溫過高。即一方面要針對LED燈具設計良好的散熱系統(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)定性和準確性。為了進行散熱， 可以將LED燈安裝在鋁支架上， 通過艙體進行散熱?？臻g站艙內一般是一個恒溫環(huán)境， 這對于LED工作來說是有利的。

4.5　可靠性設計與*估

由于航天飛行任務的特殊性以及與地面不同的應用條件， 應考慮LED照明系統(tǒng)在空間惡劣環(huán)境下的可靠性， 以保證航天任務的順利實施和航天員的安全。這些影響的因素包括火箭升空帶來的加速度與沖擊振動， 空間的高低溫環(huán)境， 熱真空環(huán)境等。

因此應進行器件的升級篩選和LED 艙內燈光學系統(tǒng)， 散熱系統(tǒng)和驅動電源的可靠性分析和設計， 并對燈具進行包括老煉試驗， 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(tǒng)能夠在復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為神舟七號飛船航天員出艙活動燈樣機。由于艙內環(huán)境不像艙外惡劣， 因此該飛行經歷也表明LED照明系統(tǒng)在艙內應用中同樣具備了航天任務的高可靠度要求。

圖3　神舟七號飛船航天員出艙活動燈樣機。

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， 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(tǒng)的安全性是航天飛行任務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， 在正常使用時不會產生松動和破碎情況。由于LED是冷光源， 驅動電路沒有高電壓， 因此不會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危害、眼睛的近紫外危害、視網膜藍光光化學危害、視網膜無晶狀體光化學危害、視網膜熱危害和皮膚熱危害等。在航天照明應用中， 應根據(jù)相關標準(C IE S009 /E: 2002 和IEC 60825) 嚴格避免此類傷害的出現(xiàn)。

另外艙內照明燈的外殼溫度應控制在45℃以內， 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汞。

在功耗考慮上， 高效的艙內照明系統(tǒng)實現(xiàn)了對艙內供電的合理利用。在滿足艙內照明指標的前提下， 應盡量提高驅動電源的效率和燈具效率。同時LED的發(fā)光效能還會受到結溫的影響， 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

以上幾點問題的解決是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、啟動時間快、啟動溫度范圍寬、工作電壓低、點亮后無頻閃; LED容易設計特殊配光、二次光學系統(tǒng)效率高; 耐沖擊; 容易實現(xiàn)顏色和亮度控制。這些特點為LED替代熒光燈進行艙內照明提供了優(yōu)勢。

7　LED照明系統(tǒng)的空間應用經歷

除我國在飛船軌道艙外進行了白光LED照明系統(tǒng)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行了固態(tài)照明燈( Solid STate L ightingModule ) 和一般照明燈( General LuminariesAssembly) 的實驗比較測試， 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。

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

8　結束語

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， 維護周期長， 降低運輸重量和減少航天任務次數(shù)(2) 體積重量小， 方便安裝(3) 0～100%調光， 改變艙內照度與色溫， 進而實現(xiàn)照明情景的切換因此LED光源替代熒光燈為空間站艙內提供一般照明具有可行性， 應著手進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在空間站艙內照明中應用的關鍵技術為: 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二次光學系統(tǒng)的設計; 驅動電源的效率和壽命。提高上述應用技術， 對于充分發(fā)揮LED在空間站照明應用的優(yōu)勢， 保證航天任務的高質量實施具有很大作用。隨著技術水平的提高， 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域必將有很好的應用前景。