高逼格!LED在太空的八大应用

2015-09-28 12:56:15 hlst002 8

   今天中秋佳节,赏月是必不可少的。太空总是带给我们无尽的遐想。在赏月之时,你知道LED在太空有哪些应用吗?

  在我国,LED应用于太空的工作目前主要是由军事科研机构和军工企业负责。LED在军事上的应用,建军节和阅兵第二天已经介绍过了,现在看看中美两国LED在太空的应用。

  中国从神舟七号飞船(2008年)开始将LED应用于太空照明,是全世界第一个国家!太空照明包括 舱内照明、出舱照明、交会照明,交会即神舟飞船与天宫一号交会对接。

  美国最初是将LED应用于太空农场,在这方面美国可能比中国技术更成熟,并由此衍生出了其他新的应用技术。

  1.舱内照明

  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。白色发光二极管(LED)作为一种新型照明光源,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,替代荧光灯进行舱内照明具有很多优势:体积小、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、不含汞;LED容易设计特殊配光、二次光学系统效率高;抗震耐冲击;容易实现颜色和亮度控制。

空的粒子辐射很强,通过LED 灯特殊的技术实现高可靠性、高稳定性。每个舱内的全部照明均来自顶部的一盏小灯,所耗功率仅几瓦,为航天器省下空间、负载和能耗。由于昼夜长明,太空LED 灯还具备“调光”功能,可根据宇航员起居作息状态进行调整。

  2.出舱照明

  出舱照明灯在宇航员太空行走中发挥十分重要的作用。飞船进入轨道后,有一段时间处于地影区,届时舱外十分漆黑,宇航员出舱行走必须有光源照明,摄像系统也需要照明。国外一般采用金属灯提供太空出舱照明,中国则采用LED。LED优点是发光效率高,可靠性强,抗震性能好,使用寿命理论上长达10 万小时,光的颜色、结构能灵活调整。

 

中国LED出舱照明灯解决了以下技术难关:(1)外太空环境十分复杂,地影区温度可能在零下六七十摄氏度,日照区温度又非常高,各种太空辐射、静电多,照明灯必须承受这些恶劣条件。(2)其次,外太空没有空气,照明光源无法像在地球上一样借助于空气对流散热,需充分运用金属传导和热辐射散热技术。(3)航天照明系统需做到“高功效,小功耗”。

  LED出舱照明灯看似一个方盒子,但发光面是有一定弧度的多面体,作用是把光线集中到照射区域,照明视角为左右160 度、上下90 度。内含24 个发光源头,总功耗27 瓦。如此一个高技术含量的照明系统,尺寸却不大,置于一个宽约20 厘米、高约10 厘米、厚约6 厘米的“盒子”内,重约1.8 公斤。

  3.交会照明

  神舟飞船和天宫一号对接是在地影区内,一片漆黑。而对接的时候会产生很大的碰撞,LED 灯经受住了考验,为交会对接提供了保障。

  在神舟飞船与天宫一号对接的过程中, 需要根据预先确定的策略进行轨道和姿态调整,让神舟飞船与天宫一号按时、逐步接近,通过交会对接敏感器完成测距和瞄准,把两者之间的距离逐步缩减为0,完成交会对接。对接敏感器主要包括微波雷达、激光雷达和CCD光学成像敏感器等。

  CCD光学成像敏感器,它是由标志子系统、摄像机子系统和信号处理子系统组成的。标志子系统安装在天宫一号上,它是由多个发光二极管(LED)目标灯排列成的一个图形。LED功耗低、体积小、重量轻、受环境温度变化的影响小,非常适合作为标志灯的发光器件。标志灯又分为远场标志灯与近场标志灯,均装配在天宫一号实验舱前锥段对接口附近的舱体外表面上。远场标志灯在外环,各灯相距较远,用于保证较远距离时的测量精度,近场标志灯在内环,以适应近距离时CCD敏感器镜头的视场。有了标志灯,飞船就可以实现全天候对接,即使在背阳的一侧也可以进行。为了有效地排除阳光及其他杂散光的干扰, LED 目标灯发出的是近红外波段的光线。

  4.太空农场

  在太空种植食材,能很好地解决长途太空旅行中的一大难题:新鲜食物的供给。而就短期而言,则能起到成本削减的作用——每运送1kg 食物到国际空间站,要花费近14000英镑,主要都是些高热量并能长期存放的食品,新鲜食物尤其是蔬菜水果非常有限。

  基于太空环境的特殊要求,植物栽培使用的光源必须具有发光效率高、输出光谱与植物光合作用需求吻合、体积小、重量轻、寿命长、无污染等特征。LED 具有这些基本特征,是太空农业最理想的人工光源。

  美国宇航局通过一项名为蔬菜生产系统的计划为国际空间站的宇航员们提供太空种植的可食用蔬菜。这一太空植物种植计划首批栽培6 株莴苣,由粉红LED 灯提供光合作用所需光线。莴苣太空生长周期很短,一旦种植,28 天后就能成熟到可以食用的程度。

  说到肉食,要在太空舱的狭小空间中饲养大型动物可能很不现实,中国科学家为此推荐了小个头的蚕。他们认为蚕的蛋白质含量高、生长周期短、生物转化效率高、活动所需空间小,饲养蚕的过程中气味小、不产生废水。因此,蚕有可能作为太空旅行所需动物蛋白质的最佳候选动物。

  5.园艺疗法

  据自1989 年开始给莱克斯岛上的居民进行园艺疗法的纽约园艺学会说,照顾植物的好处非常多,例如“减小压力、改善心情、缓解抑郁、促进社交、改善身心健康”和一般健康。

  在广袤无垠的太空中, 即使是最坚强的宇航员, 也有可能会被逼到忍无可忍的地步。太空农场种植植物并不只是为了食用,它们还充当着一种情感寄托物,即园艺疗法。这样,宇航员生活在密闭的飞船舱中,他们一点也不感到孤独和寂寞,更多的是兴奋和自豪。

  6.调节睡眠

  来自Lighting Science 公司的Rhythm Downlight不仅仅是个能发光的LED 灯泡,它还能影响到使用者的精神状态。美国宇航局在国际太空站部署类似的技术来帮助宇航员调节自己的睡眠——在28160千米/小时的速度下,宇航员们每24 小时会看到16 次日出和日落。

  实验发现,波长在446—477纳米之间的蓝光会抑制褪黑素的生成。Lighting Science 的工程师根据实验结果编写了Rhythm Downlight 的设置程序,包括“提神模式”(更多蓝光)和“放松模式”(无蓝光)。这项技术不仅用于宇航员,也适用于普通人。使用者可通过程序添加自己的日程安排,这样就能在工作和起居的时候保持良好精神状态,尤其是在午后和夜晚。

  7.治疗伤口

  在确定LED可用于太空培养植物后,美国宇航局还研究LED用于光生物调节作用疗法(PBMT)。 PBMT是一种新型的医疗技术,通过将机体暴露于高强度、特定波长的光的照射下,来刺激或抑制细胞活动。PBMT调节机体的细胞器官(如线粒体、液泡和叶绿体等),在细胞水平上利用特定波长的光子能量增强呼吸作用,减少自然的发炎症状,加快伤口的愈合速度和应激速度,促进新城代谢。目前,这项技术已经由航天延伸到民用商用。

  8.墨水光源

  一家位于美国亚利桑那州,针对照明、太阳能和能量存储等应用从事无机印刷和柔性半导体开发的新创公司NthDegree,和美国宇航局共同开发“轻质、低功耗”光源。

  该光源使用NthDegree开发的创新半导体墨水。NthDegree声称其发明了一种能将半导体墨水转移到衬底上的专有方法,这种油墨内含功能元件,如使用传统晶圆制程的二极管和晶体管。固态照明装置是在标准的InGaN异质外延上,制成微型LED并分散于油墨黏合剂中。以一台60公分宽的柔性凸版印刷机来说,每分钟可印刷出75公尺,每年运作300天,每天工作20小时的话,大约可相等于2.5亿颗A—19灯泡。