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| 中美兩國(guó)LED照明在太空領(lǐng)域的八大應(yīng)用 |
| （時(shí)間:2015-10-8 9:24:46） |
10月1號(hào)是國(guó)慶節(jié)的第一天，大家都忙著出游或在路途中，今年的國(guó)慶閱兵不再是我們要看的了，太空之謎才是我們LED人觀望的，然而你知道LED在太空有哪些應(yīng)用嗎?
在我國(guó)，LED應(yīng)用于太空的工作目前主要是由軍事科研機(jī)構(gòu)和軍工企業(yè)負(fù)責(zé)。LED在軍事上的應(yīng)用，建軍節(jié)和閱兵第二天已經(jīng)介紹過(guò)了，現(xiàn)在看看中美兩國(guó)LED在太空的應(yīng)用。
中國(guó)從神舟七號(hào)飛船(2008年)開(kāi)始將LED應(yīng)用于太空照明，是全世界第一個(gè)國(guó)家!太空照明包括艙內(nèi)照明、出艙照明、交會(huì)照明，交會(huì)即神舟飛船與天宮一號(hào)交會(huì)對(duì)接。
美國(guó)最初是將LED應(yīng)用于太空農(nóng)場(chǎng)，在這方面美國(guó)可能比中國(guó)技術(shù)更成熟，并由此衍生出了其他新的應(yīng)用技術(shù)。
1、艙內(nèi)照明
目前國(guó)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。白色發(fā)光二極管(LED)作為一種新型照明光源，非常適合航天飛行任務(wù)對(duì)照明系統(tǒng)的高可靠和安全性要求，替代熒光燈進(jìn)行艙內(nèi)照明具有很多優(yōu)勢(shì)：體積小、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(wú)頻閃、不含汞;LED容易設(shè)計(jì)特殊配光、二次光學(xué)系統(tǒng)效率高;抗震耐沖擊;容易實(shí)現(xiàn)顏色和亮度控制。
中國(guó)采用LED艙內(nèi)照明燈，不僅耐低溫，還耐震動(dòng)。太空溫差很大，晝夜變化非常明顯，在夜間溫度很低，太空的粒子輻射很強(qiáng)，通過(guò)LED燈特殊的技術(shù)實(shí)現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性。每個(gè)艙內(nèi)的全部照明均來(lái)自頂部的一盞小燈，所耗功率僅幾瓦，為航天器省下空間、負(fù)載和能耗。由于晝夜長(zhǎng)明，太空LED燈還具備“調(diào)光”功能，可根據(jù)宇航員起居作息狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。
2、出艙照明
出艙照明燈在宇航員太空行走中發(fā)揮十分重要的作用。飛船進(jìn)入軌道后，有一段時(shí)間處于地影區(qū)，屆時(shí)艙外十分漆黑，宇航員出艙行走必須有光源照明，攝像系統(tǒng)也需要照明。國(guó)外一般采用金屬燈提供太空出艙照明，中國(guó)則采用LED。LED優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光效率高，可靠性強(qiáng)，抗震性能好，使用壽命理論上長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，光的顏色、結(jié)構(gòu)能靈活調(diào)整。
中國(guó)LED出艙照明燈解決了以下技術(shù)難關(guān)：(1)外太空環(huán)境十分復(fù)雜，地影區(qū)溫度可能在零下六七十?dāng)z氏度，日照區(qū)溫度又非常高，各種太空輻射、靜電多，照明燈必須承受這些惡劣條件。(2)其次，外太空沒(méi)有空氣，照明光源無(wú)法像在地球上一樣借助于空氣對(duì)流散熱，需充分運(yùn)用金屬傳導(dǎo)和熱輻射散熱技術(shù)。(3)航天照明系統(tǒng)需做到“高功效，小功耗”。
LED出艙照明燈看似一個(gè)方盒子，但發(fā)光面是有一定弧度的多面體，作用是把光線集中到照射區(qū)域，照明視角為左右160度、上下90度。內(nèi)含24個(gè)發(fā)光源頭，總功耗27瓦。如此一個(gè)高技術(shù)含量的照明系統(tǒng)，尺寸卻不大，置于一個(gè)寬約20厘米、高約10厘米、厚約6厘米的“盒子”內(nèi)，重約1.8公斤。
3、交會(huì)照明
神舟飛船和天宮一號(hào)對(duì)接是在地影區(qū)內(nèi)，一片漆黑。而對(duì)接的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的碰撞，LED燈經(jīng)受住了考驗(yàn)，為交會(huì)對(duì)接提供了保障。
在神舟飛船與天宮一號(hào)對(duì)接的過(guò)程中，需要根據(jù)預(yù)先確定的策略進(jìn)行軌道和姿態(tài)調(diào)整，讓神舟飛船與天宮一號(hào)按時(shí)、逐步接近，通過(guò)交會(huì)對(duì)接敏感器完成測(cè)距和瞄準(zhǔn)，把兩者之間的距離逐步縮減為0，完成交會(huì)對(duì)接。對(duì)接敏感器主要包括微波雷達(dá)、激光雷達(dá)和CCD光學(xué)成像敏感器等。
CCD光學(xué)成像敏感器，它是由標(biāo)志子系統(tǒng)、攝像機(jī)子系統(tǒng)和信號(hào)處理子系統(tǒng)組成的。標(biāo)志子系統(tǒng)安裝在天宮一號(hào)上，它是由多個(gè)發(fā)光二極管(LED)目標(biāo)燈排列成的一個(gè)圖形。LED功耗低、體積小、重量輕、受環(huán)境溫度變化的影響小，非常適合作為標(biāo)志燈的發(fā)光器件。標(biāo)志燈又分為遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)志燈與近場(chǎng)標(biāo)志燈，均裝配在天宮一號(hào)實(shí)驗(yàn)艙前錐段對(duì)接口附近的艙體外表面上。遠(yuǎn)場(chǎng)標(biāo)志燈在外環(huán)，各燈相距較遠(yuǎn)，用于保證較遠(yuǎn)距離時(shí)的測(cè)量精度，近場(chǎng)標(biāo)志燈在內(nèi)環(huán)，以適應(yīng)近距離時(shí)CCD敏感器鏡頭的視場(chǎng)。有了標(biāo)志燈，飛船就可以實(shí)現(xiàn)全天候?qū)�，即使在背�?yáng)的一側(cè)也可以進(jìn)行。為了有效地排除陽(yáng)光及其他雜散光的干擾，LED目標(biāo)燈發(fā)出的是近紅外波段的光線。
4、太空農(nóng)場(chǎng)
在太空種植食材，能很好地解決長(zhǎng)途太空旅行中的一大難題：新鮮食物的供給。而就短期而言，則能起到成本削減的作用——每運(yùn)送1kg食物到國(guó)際空間站，要花費(fèi)近14000英鎊，主要都是些高熱量并能長(zhǎng)期存放的食品，新鮮食物尤其是蔬菜水果非常有限。
基于太空環(huán)境的特殊要求，植物栽培使用的光源必須具有發(fā)光效率高、輸出光譜與植物光合作用需求吻合、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、無(wú)污染等特征。LED具有這些基本特征，是太空農(nóng)業(yè)最理想的人工光源。
美國(guó)宇航局通過(guò)一項(xiàng)名為蔬菜生產(chǎn)系統(tǒng)的計(jì)劃為國(guó)際空間站的宇航員們提供太空種植的可食用蔬菜。這一太空植物種植計(jì)劃首批栽培6株萵苣，由粉紅LED燈提供光合作用所需光線。萵苣太空生長(zhǎng)周期很短，一旦種植，28天后就能成熟到可以食用的程度。
說(shuō)到肉食，要在太空艙的狹小空間中飼養(yǎng)大型動(dòng)物可能很不現(xiàn)實(shí)，中國(guó)科學(xué)家為此推薦了小個(gè)頭的蠶。他們認(rèn)為蠶的蛋白質(zhì)含量高、生長(zhǎng)周期短、生物轉(zhuǎn)化效率高、活動(dòng)所需空間小，飼養(yǎng)蠶的過(guò)程中氣味小、不產(chǎn)生廢水。因此，蠶有可能作為太空旅行所需動(dòng)物蛋白質(zhì)的最佳候選動(dòng)物。
5、園藝療法
據(jù)自1989年開(kāi)始給萊克斯島上的居民進(jìn)行園藝療法的紐約園藝學(xué)會(huì)說(shuō)，照顧植物的好處非常多，例如“減小壓力、改善心情、緩解抑郁、促進(jìn)社交、改善身心健康”和一般健康。
在廣袤無(wú)垠的太空中，即使是最堅(jiān)強(qiáng)的宇航員，也有可能會(huì)被逼到忍無(wú)可忍的地步。太空農(nóng)場(chǎng)種植植物并不只是為了食用，它們還充當(dāng)著一種情感寄托物，即園藝療法。這樣，宇航員生活在密閉的飛船艙中，他們一點(diǎn)也不感到孤獨(dú)和寂寞，更多的是興奮和自豪。
6、調(diào)節(jié)睡眠
來(lái)自LightingScience公司的RhythmDownlight不僅僅是個(gè)能發(fā)光的LED燈泡，它還能影響到使用者的精神狀態(tài)。美國(guó)宇航局在國(guó)際太空站部署類似的技術(shù)來(lái)幫助宇航員調(diào)節(jié)自己的睡眠——在28160千米/小時(shí)的速度下，宇航員們每24小時(shí)會(huì)看到16次日出和日落。
實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，波長(zhǎng)在446—477納米之間的藍(lán)光會(huì)抑制褪黑素的生成。LightingScience的工程師根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果編寫了RhythmDownlight的設(shè)置程序，包括“提神模式”(更多藍(lán)光)和“放松模式”(無(wú)藍(lán)光)。這項(xiàng)技術(shù)不僅用于宇航員，也適用于普通人。使用者可通過(guò)程序添加自己的日程安排，這樣就能在工作和起居的時(shí)候保持良好精神狀態(tài)，尤其是在午后和夜晚。
7、治療傷口
在確定LED可用于太空培養(yǎng)植物后，美國(guó)宇航局還研究LED用于光生物調(diào)節(jié)作用療法(PBMT)。PBMT是一種新型的醫(yī)療技術(shù)，通過(guò)將機(jī)體暴露于高強(qiáng)度、特定波長(zhǎng)的光的照射下，來(lái)刺激或抑制細(xì)胞活動(dòng)。PBMT調(diào)節(jié)機(jī)體的細(xì)胞器官(如線粒體、液泡和葉綠體等)，在細(xì)胞水平上利用特定波長(zhǎng)的光子能量增強(qiáng)呼吸作用，減少自然的發(fā)炎癥狀，加快傷口的愈合速度和應(yīng)激速度，促進(jìn)新城代謝。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)由航天延伸到民用商用。
8、墨水光源
一家位于美國(guó)亞利桑那州，針對(duì)照明、太陽(yáng)能和能量存儲(chǔ)等應(yīng)用從事無(wú)機(jī)印刷和柔性半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的新創(chuàng)公司NthDegree，和美國(guó)宇航局共同開(kāi)發(fā)“輕質(zhì)、低功耗”光源。
該光源使用NthDegree開(kāi)發(fā)的創(chuàng)新半導(dǎo)體墨水。NthDegree聲稱其發(fā)明了一種能將半導(dǎo)體墨水轉(zhuǎn)移到襯底上的專有方法，這種油墨內(nèi)含功能元件，如使用傳統(tǒng)晶圓制程的二極管和晶體管。固態(tài)照明裝置是在標(biāo)準(zhǔn)的InGaN異質(zhì)外延上，制成微型LED并分散于油墨黏合劑中。以一臺(tái)60公分寬的柔性凸版印刷機(jī)來(lái)說(shuō)，每分鐘可印刷出75公尺，每年運(yùn)作300天，每天工作20小時(shí)的話，大約可相等于2.5億顆A—19燈泡。
以上8大太空應(yīng)用，你都記住了，看以后誰(shuí)還敢在你面前瞧不起做LED的!
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