遠距離大容量連續無線功率傳輸的機遇與挑戰

李明,董士偉,石德樂

1.中國空間技術研究院,北京 100094 2.中國空間技術研究院西安分院,空間微波技術國家級重點實驗室,西安 710100 3.山東航天電子技術研究所,煙臺 264000

電能是人類社會生活和生產最重要的能源。2021年中國全社會發電總量達到8.11萬億千瓦時,其中太陽能發電量占到2.26%,該占比距離2030碳達峰和2060年碳中和能源結構中的27%和47%,差距還相當大。地面太陽能光伏發電因為日夜循環、氣象條件、大氣損耗等因素影響,光照利用效率非常低;而空間太陽能發電光照利用效率遠遠高于地面光伏發電,因此有望成為太陽能發電產業的新增長點。

空間太陽能開發和利用需要解決的一個核心問題是:如何將空間光伏所發的電力遠距離傳輸回地面?從36000km高的地球靜止軌道到地面,無線功率傳輸成為唯一可能[1-3]。在麥克斯韋方程提出25年后的1899年,尼古拉·特斯拉就開展了利用無線電波傳輸電能的試驗。1926年,日本的八木和宇田成功地進行了電磁波功率傳輸試驗[4]。1964年,W·C·布朗成功利用微波功率驅動一架無人機模型,建立了微波功率傳輸的技術內涵和系統架構[2]。

遠距離無線功率傳輸可以采用的載波包括微波和激光。頻率在300MHz～300GHz、對應波長范圍在1m～1mm的電磁波都屬于微波。常用于無線功率傳輸的微波頻率包括2.45/5.8/10/35GHz等;激光功率傳輸則常采用800nm或1064nm波段。美國海軍實驗室的P.Jaffe曾用三個“1”定義無線功率傳輸的基本特征:總效率優于1%,傳輸距離遠于1m,連續工作時間長于1min[5]。對于遠距離連續大容量無線功率傳輸,我們認為應具備如下特征:1)傳輸距離在1km以遠;2)接收端可用功率在1kW以上;3)連續工作時間在1h以上;4)傳輸總效率在10%以上;5)采用微波或激光作為電能的載體。

19世紀末信息傳輸從有線到無線的跨越已經極大地改變了人類的生產和生活方式,能量的無線傳輸必將像無線通信技術那樣,更深刻地改變人類生活方式,更積極地優化社會生產方式,進一步推動人類歷史文明進程。

本文全面論述了遠距離大容量連續無線功率傳輸技術的發展現狀、面臨的發展機遇和挑戰,并提出了中國發展遠距離連續大功率無線功率傳輸的建議。

2.1 空間太陽能電站事業發展曙光初現

為了應對氣候變化問題,2015年12月巴黎氣候變化大會正式通過《巴黎協定》,確定了“在本世紀后半葉實現凈零排放”的長期目標。中國的二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現碳中和。凈零排放的根本解決之道在于發展綠色清潔能源?？臻g太陽能電站作為一項具有重要戰略意義的航天工程,不僅可以解決基礎能源問題,還可以為碳排放凈零提供重要支撐,已經在國內外受到高度關注。

2021年初,美國空軍研究實驗室宣布了“空間太陽能增強驗證與研究(SSPIDR)”計劃,它分為4個階段,第一階段包括3次在軌試驗,首次星地微波功率傳輸試驗計劃于2023年進行[6]。2022年5月,美國宇航局(NASA)也宣布將重新評估空間太陽能電站的可行性。2021年12月日本宇宙航空研究開發機構(JAXA)發布空間工程新的發展計劃,將持續改進微波功率傳輸各環節效率,并于2025年開展近地軌道星地微波功率傳輸演示驗證。英國于2022年3月成立了空間太陽能推動(SEI)組織,將聯合開展空間太陽能電站的技術發展和演示驗證。目標是在2030年開展第一次在軌試驗,在2040年實現向電網供電,并開始取代部分化石能源發電[7]。

中國空間技術研究院和西安電子科技大學分別提出了多旋轉關節空間太陽能電站(MR-SPS)[8]和歐米茄空間太陽能電站(OMEGA-SPS)系統方案[9]。2014年,相關部門聯合提出中國空間太陽能電站“兩大步,三小步”的發展設想。近期完善了該設想,計劃于2025年前后開展星地微波功率傳輸和星間激光功率傳輸試驗[10]。

上述發展新態勢無疑為遠距離大容量連續無線功率傳輸的發展提供了機遇。

2.2 深空探測重大專項強力牽引

月球探測和開發利用是深空探測重大專項的重點發展方向,由于月球特殊的長達14天的月夜條件,而且月球南北極永久陰影區全年沒有太陽光照,能源供給成為月球探測和月球資源開發利用的核心技術之一。通過環月軌道或著陸器上的高功率激光無線功率傳輸系統,為月球探測器進行能源供給,將大幅提高月球探測器在月表工作時間和活動范圍。未來的月球基地可以利用無線功率傳輸為各種移動設備進行靈活供電,相關應用設想亟需解決遠距離、大功率的空間無線功率傳輸關鍵技術[11]。

2.3 航天器供電模式變革持續深入

隨著新型航天器概念系統的不斷出現,其供電模式的變革也在持續深入地開展,星間無線功率傳輸就是一種顛覆性供電模式。星間無線功率傳輸的收發兩端都在空間飛行器平臺上,收發設備的體積和質量都受到平臺承載能力的限制,而功率波束卻不存在傳輸媒質的影響。因此,無線功率傳輸應采用更高頻率的電磁波甚至光波。這種應用下傳輸距離為千米到10千米量級,傳輸的電功率達百瓦到千瓦量級,可以采用的電磁波頻率應達到毫米波、亞毫米波頻段,可采用的激光波長有800nm以及1060nm波段[12]。

2.4 其他應用場景層出不窮

微波功率傳輸技術發展初期的目的是維持無人飛行器長航時飛行[2],這至今仍然是一個顯著的需求。目前,無人飛行器在科考與資源勘探、海島無人值守、環境態勢感知、應急救災等應用中具有重要的潛力,通過陸基、車載、艦載等無線功率發射裝置為無人飛行器無線供電,可以使之長期連續工作。另外一類比較特殊的應用就是山區、海島等極端環境的靈活供電,以及災害地區的應急供電。平流層太陽能電站則是空間太陽能電站的重要階段,既能滿足某些實際的應用需求,也能比較充分地驗證空間太陽能電站的關鍵技術。在這些應用中,其供電需求與具體應用場景有關,差異較大。

上述種種典型應用場景的需求為遠距離連續大容量無線功率傳輸提供了發展機遇,隨著技術本身的發展,更多的應用需求將會得到開發和拓展,它們反過來又將為技術發展帶來新的機遇。

3.1 系統研究概述

美國至今仍然保持著微波功率傳輸距離最遠、功率最大、效率最高的3項紀錄。進入新的發展階段以來,美國的微波功率傳輸技術研究主要面向空間太陽能電站和軍事任務增強兩類應用。

2020年5月,X-37B空天飛行器裝載了 “光伏射頻天線模塊(PRAM)”,其尺寸為0.3m×0.3m,可以接收太陽能并將其轉化為電能,進一步轉化為微波能量。該模塊在軌期間最高生成8.4W微波功率,光生微波效率為8%[6]。這次試驗是專門為太陽能發電衛星設計的設備首次在空間進行試驗。2021年海軍研究實驗室組織開展了2次遠距離大功率地面微波功率傳輸試驗,首先采用5.4m口徑拋物面天線和1.02m×1.09m整流表面陣進行了1046m功率傳輸,工作頻率9.73GHz,微波功率源輸出91.2kW,整流輸出功率1.65kW。然后采用36.6m口徑卡塞格倫天線和2.06m×2.19m圓極化整流表面陣進行了1141m微波功率傳輸,工作頻率10.5GHz,發射功率可達210kW以上,整流輸出功率為1030W。這2次微波功率傳輸試驗是第一次頻率高達X頻段、距離超過1km、傳輸電功率大于1kW的試驗[13]。

2019年5月,PowerLight公司開展了激光功率傳輸試驗,發射激光2kW,傳輸距離325m,接收電功率約400W[14]。2022年6月,美國國防高級研究計劃局(DARPA)發布 “機載能源井”(airborne energy wells)的吊艙項目,利用激光為無人機進行無線充電。DARPA要求吊艙的激光功率達到100kW以上,并認為機載能源井可成為“更廣泛的發電、電力中繼和接收的能源網絡的一部分”。

日本對遠距離大容量連續微波功率傳輸的研究廣泛而深入,規劃長遠且執行有力,2015年開展了遠距離水平微波功率傳輸地面試驗,之后進入垂直傳輸驗證階段[15]。2019年5月,相關團隊聯合開展了用微波功率波束驅動無人機飛行的垂直傳輸試驗,地面功率發射天線采用1.2m×1.2m固態相控陣,整流天線采用200mm×186mm輕量化整流表面,無人機在10m和30m高度飛行時整流輸出功率分別達到60W和42W,為無人機電池充電的同時點亮LED燈[16]。這次試驗利用無人機實現了地對空的微波功率傳輸,測量了功率方向圖,還驗證了反向波束控制技術。

2020年,京都大學基于相控電真空微波源和波導縫隙陣列開發了微波功率發射陣列,天線口徑尺寸為1.0m×0.58m,發射功率達到1340W,整流輸出功率為142W。功率波束指向可以在±3°范圍內調控[17]。這項工作為實現地面低成本大功率微波功率傳輸系統探索了技術途徑。

2016年5月,JAXA等機構利用213m高的電梯研究開展了高精度激光無線功率傳輸試驗,1070nm激光器最高輸出功率350W,發射望遠鏡口徑為12cm,光束精度達到2.5 μrad,輸出電力74.7W,光電轉化效率達到21.3%。

中國的微波功率傳輸研究在空間太陽能電站等應用牽引下迅速開展起來。2020年,中船701所利用35GHz微波功率傳輸試驗驗證了微波功率波束的無衍射傳輸,發射端采用電真空功率源和波導縫隙陣列,接收端采用GaN整流天線,發射功率近1kW,傳輸距離300m,總體效率達到9.89%。這項工作的意義在于遠距離傳輸條件下提高波束收集效率。四川大學于2020年開展了10m傳輸距離的微波功率傳輸試驗,總體效率達到18.5%[18]。重慶大學在2014年就開展了基于氣球的微波功率垂直傳輸演示試驗,近年來又在微波驅動斯特林發電機技術方面取得一系列進展,可用于大功率微波整流,并基于此提出了新的微波功率垂直傳輸試驗方案。2021年6月,中國空間技術研究院西安分院面向空間太陽能電站應用開展了C頻段全功能微波功率傳輸驗證試驗,發射端采用1.2m×1.2m固態相控陣,發射功率900W,傳輸距離30m;接收端采用包絡為2m×2m的非均勻序整流表面,整流輸出功率37W;還開展了波束指向控制試驗,指向精度為0.266°,最高精度優于0.1°[19],該精度指標是見諸報道的最高水平。2022年6月,西安電子科技大學面向空間太陽能電站應用開展了第一次全鏈路功率轉換與傳輸試驗,演示了從太陽光匯聚到微波整流輸出的全部功率轉換和傳輸環節,其中微波發射功率達到2081W,傳輸距離55m,傳輸效率達到15.5%。

山東航天電子技術研究所在“十二五”期間進行了遠距離的激光無線功率傳輸地面試驗,在國際上首次實現兩飛艇之間的激光無線功率傳輸,實現了100W傳輸功率和16.08%的傳輸效率[20]?！笆濉逼陂g,開展了無人機激光無線功率傳輸試驗,傳輸距離約200m,激光發射功率為700W,接收端功率為150W。2020年,上海光機所基于全固態激光器的諧振光束實現了無線充電,輸出光功率為10.18W,將2W的電功率最遠傳輸到2.6m的距離,通過進一步提升諧振腔的可移動性,該技術有望廣泛應用于手機等電子器件的遠程無線充電。

2019年,韓國參加了韓美微波功率傳輸聯合試驗,在暗室內用微波功率波束為氣球供電[21]。近年來,韓國還開發了X頻段微波功率發射端,采用GaN功放MMIC和平面天線陣,發射功率達到1500W。

英國的空間太陽能電站系統直接以微波功率發射天線來命名——恒定口徑固態集成在軌相控陣(CASSIOPeiA)。該相控陣采用了具有360°掃描能力的單元,每個單元又包含3個全向天線,通過調整3個天線上電流的相對幅度和相位,可以形成零點在任意位置的心形方向圖,從而可以優化大范圍掃描時的柵瓣特性[22]。

歐空局月球車項目PHILIP(powering rovers by high intensity laser induction on planets)目標是設計一套激光系統,執行任務的著陸器將攜帶一個太陽能驅動的500W紅外激光器,在15km以上的距離為月球南極隕石坑永久陰影區內的月球車提供能源。2016年10月,俄羅斯能源火箭航天公司對1.5km之外的手機進行了激光充電試驗,光電轉換效率高達60%。2021年11月,該公司宣布將進行太空能源的激光無線傳輸測試。

無線能量傳輸技術的發展在系統驗證中表現為傳輸距離越來越遠、效率越來越高,其中微波能量傳輸系統的規模呈現出逐漸增大的趨勢,而且直接面向應用的在軌驗證已經逐步開展起來。

3.2 高集成度有源相控陣天線

空間大容量微波功率傳輸發射端的主體是大口徑有源相控陣天線,其主要發展需求是低面密度和高效率,而低面密度的實現途徑是高集成度和先進材料應用。當前,多功能結構(MFS)和薄膜天線都得到了快速發展。

多功能結構(MFS)是一種將系統的結構機構、供配電、熱控、電子等功能子系統和部件進行集成的設計思想和實現方式,由洛克希德·馬丁公司提出[24-26]。多功能結構思想已經用于星載SAR天線的開發,C頻段SAR天線陣列的面密度已經達到10kg/m2。該思想同樣可用于開發微波功率發射陣列,并繼續減小陣列面密度。

加州理工學院在低面密度微波功率發射陣列方面取得了重要進展。2019年他們面向空間太陽能電站開發了有源相控陣樣機,其中有源部分是基于CMOS工藝的射頻芯片,稱為功率同步與控制單元(PSCU),具有信號同步、幅相控制、信號采樣、功率放大等功能,為每個輻射單元提供50mW的微波功率。高效輻射陣列采用聚酰亞胺為支撐結構,單元采用獨立貼片形式。金屬貼片和接地板部分進行了打薄或采用網格結構;貼片天線采用空氣基板[27]。通過上述技術手段,微波功率發射陣列的面密度達到1kg/m2,在面密度方面已經滿足了空間太陽能電站的要求,但是其功率密度較低。

日本開發了多套微波功率發射陣列試驗樣機,JAXA從2017年開始著手開展高集成度有源相控陣天線,目標是達到3.3kg/m2的面密度,其中最重的部分是微波電路的基板。這項研究預計在2023年完成,支撐空到地的微波功率垂直傳輸驗證。

3.3 高效直流-微波轉換

微波功率器件與電路的轉換效率是決定微波功率傳輸效率的關鍵因素之一。目前商業化的微波功率器件,對于無線通信應用強調的是帶寬、線性度等指標,對于雷達應用強調的是脈沖功率、帶寬等指標。對于微波功率傳輸這種要求窄帶、高效的應用,有針對性的研究并不多見,在固態器件方面,第三代半導體已經廣泛應用,研究主要體現在效率的提升;在電真空器件方面,研究主要體現在開展低成本器件的相位控制和可靠性提升。

日本電氣通信大學基于GaN HEMT器件,利用諧波阻抗調控原理,為微波功率傳輸研制的5.8GHz功率放大器轉換效率已經達到79%,輸出功率為21.3W。這樣的效率已經接近空間太陽能電站的指標需求。

京都大學立足于電真空器件大功率、低成本的優勢,利用注入鎖相原理實現磁控管幅相可控特性,取得良好效果,實現了4只功率源鎖在同頻,單管輸出功率可達450W,相位控制精度達到1°,功率波束有效合成和掃描。還探索了磁控管的輸出功率和相位同時控制的新原理,已經實現了5.8GHz幅相可控磁控管,單管最大輸出功率達1800W,轉換效率達61%[17]。另一個重要研究方向是可靠性提升,已有技術途徑包括:新型陰極材料、冷陰極等。當前開發的技術途徑是電子軌跡調控。

3.4 高效整流器

微波整流器件與電路的轉換效率是決定微波功率傳輸效率的又一關鍵因素。目前可采用的微波整流器件主要是肖特基二極管和晶體管,但并沒有專門針對微波功率傳輸應用的產品。1974年雷聲公司的W.C.Brown研制了一批GaAs肖特基二極管,整流效率達到90.6%,但該技術并未固化下來。

2021年初,京都大學基于GaAs工藝研制出了2.45GHz肖特基整流器,在5W輸入下整流效率達到91%,創下了新的效率記錄。他們深入分析了二極管串聯電阻、結電容等因素對效率的影響權重,通過增大金屬-半導體結的面積來減小結電阻,提高擊穿電壓,同時實現了高效率和高功率容量。GaAs二極管能夠滿足微波功率傳輸對效率的要求,可作為主要技術途徑。GaN肖特基二極管具有功率容量高的特點,適用于一些傳能系統。西安電子科技大學研制了5.8GHz GaN肖特基二極管,基于此設計的整流電路達到了71%的轉換效率。

利用時間對偶原理,用晶體管也可以開發微波整流器,從目前的研究成果看,晶體管整流器可以滿足單管10W級功率容量的應用,效率接近80%[29]。

還有一類電真空器件可用于微波整流,即快回旋電子束波整流器(回旋波整流器)。這類器件可以實現單管10kW級以上的整流,效率達到85%～90%,最早由莫斯科大學提出并開發,但因需求牽引不足,后續并未開展持續研究,目前俄羅斯Istok公司和電子科技大學具有一定研究基礎。

3.5 高精度無線功率反向波束控制

反向波束控制是保證微波功率傳輸波束收集效率(BCE)的主要技術措施,是遠距離無線功率傳輸的重要技術譜系組成。軟件化方向回溯和相位共軛是2種基本的反向波束控制技術。

軟件化方向回溯是將導引信號來波方向測量和相控陣波束指向控制結合起來、基于數字信號處理的方法。軟件化方向回溯的指向精度取決于相控通道的數量和相位偏差特性,是一種規模隨適的技術途徑,也就是說隨著系統規模增大,波束指向精度的要求越高,實現高精度的條件也容易得到保證。西安分院通過30m傳輸試驗系統驗證軟件化方向回溯方法,導引信號測向精度達到0.03°,指向控制精度最高優于0.1°[30]。

相位共軛是直接利用導引信號相位信息的方法。該方法不依賴導引信號來波方向解算,適用于遠、近場條件下的傳輸鏈路。美國西弗吉尼亞大學和南京航空航天大學長期開展相位共軛技術研究,試驗驗證了基于硬件變換和數字變換的相位共軛方法,利用4通道相位共軛回復反射陣實現了對移動目標的跟蹤輸電,指向控制精度達到0.5°[30]。

在遠距離激光傳能中需要進行激光光束控制,確保遠端激光光斑尺寸與激光電池板相匹配,并精確對準,滿足傳輸效率要求。對動態目標要進行精確、實時跟蹤,進行連續工作。光束控制包括光束的準直、變焦發射、跟瞄對準等[31]。山東航天電子技術研究所采用了復合軸控制、預測跟蹤等技術,通過飛艇間、無人機激光傳能實驗驗證,實現了87μrad@3°/s的跟蹤精度。同國外合作,研制了貝塞爾光束形成系統[32],大氣條件下無衍射距離超過3km,光功率密度是普通高斯光束的2.1倍。

3.6 大功率高效高光束質量激光器

激光器的輸出功率、光束質量是決定激光無線功率傳輸性能的關鍵因素之一。半導體激光器和光纖激光器是目前常用的激光無線功率傳輸系統激光源,光譜合束、光纖光柵等激光器技術的進步為激光器的實用化發展奠定了堅實基礎。

800nm波段半導體激光器具有的體積小、電光轉換效率高、與GaAs光電池響應度高等特點對激光無線功率傳輸系統提供良好的傳輸效率基礎,進一步通過光譜合束、空間及偏振合束等技術可實現高功率、高光束質量、高亮度激光輸出?；诠庾V合束技術,美國Teradiode公司開發出功率為百瓦至近萬瓦量級的光源樣機,Trumpf公司也實現了芯徑為200μm的光纖輸出連續功率達5kW的半導體激光器系統。

光纖激光器指采用光纖作為增益介質,結構簡單、光束質量好、散熱性能好,是激光功率傳輸最具前景的發展方向之一。光譜組束技術的逐步成熟加速了光纖激光器的發展,大大提高了高功率組束光纖激光器的光束質量。美國洛克希德·馬丁公司于2014年通過密集陣光譜組束技術實現了30kW近衍射極限的光纖激光輸出,達到了世界最先進水平[33]。2017年該公司又向美國陸軍交付了一款60kW級激光器,創下了這種激光器的世界紀錄。

3.7 高效激光電池

激光光伏電池的轉換效率不僅影響激光功率傳輸系統的效率,而且影響著具有一定輸出電功率的功率傳輸系統中電池組件的面積、組件對散熱的要求、對激光器功率的要求等。通過多結層疊激光電池技術的發展,以及液相外延技術、電極圖形的優化設計、減反膜的優化設計和制備等激光電池制備關鍵技術工藝的提升,獲得了更高光電轉換效率、高功率密度、高開路電壓的GaAs光伏電池和InGaAs光伏電池[35-36]。

2020年,俄羅斯約飛物理技術研究所在1064nm激光輻照強度4.2W/cm2下,實現了高達50.8%的InGaAs電池轉換效率。2022年,中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研制的高壓GaAs 激光光伏電池,該六結光電池響應808nm波段激光,激光輻照功率密度為37.75W/cm2,最大光電轉換效率達60.23%。電科十八所研制的808nm剛性多結激光電池在62.5W/cm2的強度激光照射下,最大光電轉換效率超過60%。

除了上述核心技術,無線功率傳輸的其他支撐技術也取得重要進展。在微波功率接收天線方面引入電磁超表面的概念,將微波吸收效率提升至96%以上;引入濾波天線的概念,將整流器的濾波功能集成到接收天線單元上,簡化了整流器設計;引入差分天線的概念,提高了整流器在低接收功率密度時的效率。這些進展都為微波功率傳輸的發展提供了動力。

盡管遠距離連續大功率無線功率傳輸遇到較好的發展時機,但仍然存在諸多挑戰。深刻認識這些挑戰,認真面對這些挑戰,是突破瓶頸、實現跨越的前提。

4.1 無線功率傳輸理論亟待完善

麥克斯韋建立了描述電磁場和電磁波的基礎理論,它首先推動了無線通信和雷達應用的發展,科學家們分別提出了著名的香農定理、弗里斯傳輸公式以及雷達方程,闡述無線通信和雷達系統的基本原理。自1964年Brown提出用電磁波進行功率傳輸以來已經發展了60年,但尚未出現像通信系統的香農理論、雷達系統的雷達方程那樣的基礎理論。

坡印亭定理從場的角度描述了功率的轉移行為,但未能關聯起系統的發射、接收和鏈路特性。截至目前,已經有專家和學者針對無線功率傳輸討論了空間匹配、多界面匹配以及無衍射傳輸等理論[37],都為無線功率傳輸基礎理論做出了有益探索,但還沒有發展成為該領域的基本原理。

4.2 空間巨型天線超柔性動力學行為及其控制原理研究極為不足

“如何實現極大口徑星載天線在軌展開、組裝及建造”入選了中國科協2022年10大工程技術難題,而空間巨型天線的動力學行為也是宇航領域的世界難題之一?？臻g公里級口徑微波功率發射天線是典型的巨型星載天線,它的縱橫比將達到10000左右,將表現出超柔性特性。同時,在太陽光壓、微重力、空間熱循環等環境要素和工作熱環境的綜合作用下,空間公里級口徑微波功率發射天線將表現出怎樣的動力學行為,這是遠距離大容量微波功率傳輸面臨的重大科學問題。

公里級口徑微波功率發射天線動力學特性將導致天線型面產生時域變化,這種變化無疑將引起微波功率波束合成效率和指向精度降低,這是遠距離大容量連續微波功率傳輸系統要盡量抑制的效應,因此超柔性動力學行為的控制自然成為遠距離大容量微波功率傳輸面臨的又一個問題。

無論是公里級口徑微波功率發射天線動力學行為,還是它的控制,因為存在復雜因素的影響、超常規的結構尺度,研究都極具挑戰性,尤其表現在試驗驗證方面。

4.3 與傳輸媒質相互作用機制及環境安全性問題研究存在空白

功率波束與傳輸媒質的相互作用機制是影響功率傳輸可行性的關鍵因素,環境安全性尤其是生物安全性問題是影響公眾心理和社會接受程度的主要因素,美國、日本在開展空間太陽能電站研究的初期就重點關注了這一問題。在中國,電科集團第22研究所等單位開展相互作用機制研究主要面向通信、雷達等系統的信號,對功率傳輸這種高功率密度、連續波、長期工作的信號,還沒有開展深入研究。國內對環境安全性的研究存在顯著空白。

如果功率密度偏低,其結果是總傳輸功率低,而且也導致整流效率降低;而功率密度超過特定值,則會導致功率波束在電離層發生非線性效應,既增加功率波束的損耗,也影響傳輸媒質的物理特性。開展功率波束與傳輸媒質相互作用研究的工程目的是確定功率密度的可行范圍,有如下要求:

首先是要全面覆蓋電離層、大氣層等傳輸媒質。星地無線功率傳輸的功率波束將通過星地鏈路全部媒質,這些媒質的分布范圍超過1000km,核心部分也超過數百公里。在發射功率需求高,而近期平臺能力不足的條件下,一次性進行全鏈路實驗研究的挑戰非常大。通過短距離無線功率傳輸分段進行研究是可能的解決途徑。

其次是要關注國土內重點區域上空傳輸媒質。世界各國上空的傳輸媒質互不相同,因此有志于發展星地無線功率傳輸的國家,都需要著眼于國土范圍內接收的前提,針對重點區域上空傳輸媒質進行專門研究,而其他國家的研究結果并不具備直接參考價值。

另外還要關注傳輸媒質的長期演化情況。地球大氣層、電離層特性是時變的,全面掌握各種媒質條件下功率波束與其相互作用是必要的。

環境安全性及生物安全性問題涉及遠距離大容量連續無線功率傳輸應用前的可行性論證、應用中的法律法規等問題。對這一問題的關注反映了對空間太陽能開發與利用的認知。這一綜合了自然科學、社會科學的問題是無線功率傳輸面臨的巨大挑戰。

綜上所述,功率波束與傳輸媒質的相互作用機制研究、環境安全性問題也是極具挑戰性的工作,尤其是在試驗研究方面。

4.4 系統資源極大限制著無線功率傳輸應用

從無線功率傳輸系統工作原理考慮,高效率的功率傳輸對大容量無線功率傳輸系統規模提出了極高要求。而按照當前的技術水平評估,各種應用平臺都對大容量無線功率傳輸系統的規模施加了苛刻的限制,克服這一矛盾難度巨大。

(1)系統工作原理的要求

在工作波長和傳輸距離確定的情況下,微波功率傳輸系統主要依靠增大收發口徑積來保證高的波束收集效率。同時考慮發射功率、熱管理等內在制約因素,那么微波功率發射陣列和接收整流陣列的口徑尺寸都要比通信、雷達等無線系統的天線大2～3個數量級。

以空間太陽能電站為例,波束收集效率應該達到95%以上。表1所列是3種傳輸距離的空間太陽能電站和平流層太陽能電站的系統參數,通過對比可見,對于36000km、400km和20km的傳輸距離和5.8GHz工作頻率,微波功率發射陣列口徑分別達到1000m、110m和22m以上。與之對應,空間微波功率發射陣列總質量分別為10000t、120t和4.8t以上(面密度按10kg/m2計)。

(2)平臺的限制

無論衛星平臺還是平流層平臺,承載能力都非常有限。目前國際上的衛星平臺載荷承重能力有限,如中國靜止軌道衛星平臺東方紅5號的載荷能力為2t,與微波功率傳輸系統對平臺的需求之間存在巨大鴻溝?？臻g太陽能電站可能突破傳統的“平臺+載荷”這樣的構建思路,而是采用分布式構建模式和控制方式。近年來發展起來的“天線衛星”的概念或許將為建設空間大規模微波功率傳輸系統提供重要的啟示。

對于平流層太陽能電站的微波功率傳輸系統,則必須考慮飛艇或飛艇陣平臺。目前見諸報道的平流層飛艇載荷能力最強的是美國空軍和國防高級研究規劃局提出的“傳感器與結構一體化(ISIS)”飛艇,它長度達305m,直徑100m,最大載重達到17.6t。因飛艇結構研制難度太大,該項目已經暫停。法國計劃開發的Stratobus飛艇長度超過100m,直徑為33m,承載能力可達450kg?？梢?目前已實現的平流層飛艇平臺承載能力距離微波發射陣列的要求存在1個數量級以上的差距。

4.5 先進集成技術與工藝短板明顯

如前所述,高密度集成微波功率發射陣列是實現空間大規模功率傳輸系統的前提,目前具有潛質的先進集成思想如多功能結構、薄膜集成相控陣等還存在技術困難。

多功能結構思想應用于大規模微波功率發射陣列時面臨的問題是:連續波工作模式引起熱管理條件更為嚴苛,陣列口徑尺寸增大后,陣面形狀保持難度急劇增大,等等。對于SAR系統,發射信號的占空比一般為5%～20%,平均發射功率密度并不高,以美國的SRTM為例,僅有48.3W/m2,而功率傳輸的微波發射功率密度達到1000W/m2,可知后者的發熱密度也比前者高1～2個數量級,這對熱管理是巨大的挑戰。目前SAR天線的口徑尺寸已達20m,中國的高分三號天線也達到15m[38],但空間微波功率發射陣列口徑尺寸將達1000m,在如此大的尺度上保持陣列型面,而且采用分布式控制,這是又一個挑戰。同時多功能結構有源相控陣本身的支撐技術,如多功能綜合背板的開發、結構內三維互連,也存在一些挑戰。

采用薄膜相控陣設計方案開發微波功率發射陣列地面樣機已經取得重要成功,性能指標非常優異。但進一步結合空間應用系統還存在如下挑戰。首先是與聚光、光伏集成后,模塊的剖面顯著增大,陣列的折展難度顯著提高,同時折疊后體積增大,也對運載提出更高要求。其次是薄膜結構的柔性更強,構建的大口徑天線陣列表現出更明顯的形面不穩定性,對陣列姿態控制提出更高要求。最后,適應薄膜有源陣列的柔性電子技術發展還存在明顯差距,對薄膜相控陣的集成工藝提出了挑戰[39]。

4.6 高效功率轉換器件需根本突破

如上所述,無線功率轉換器件已經取得重要進展,甚至接近滿足應用系統要求,但要最終滿足應用需求,仍需不同層面的突破。

首先是高效固態微波功率放大器。距離應用系統要求的80%～85%的轉換效率還有不小差距,雖然當前國際水平已經達到79%,但該指標僅指末級功放的轉換效率,而非整個功率通道的效率。一方面需要繼續提升末級功放的效率,另一方面驅動功放也進行效率增強,此外還要盡量降低微波功率通道的損耗。

其次是電真空功率器件。這類器件實際達到的效率也僅有60%～80%,而且因為需要注入功率信號,表現出較低的增益。另一方面,目前這類器件工作壽命僅為數千小時,對于地面應用系統也不夠長,大幅度延長壽命是這類器件面臨的技術挑戰。

再次是微波整流器件。當前國際水平91%的轉換效率可以滿足應用系統要求。但需要進一步開展的工作,一是提高工作頻率,上述效率是在2.45GHz獲得的,但該頻率對于大多微波功率傳輸系統是不夠的,C頻段、X頻段甚至毫米波功率傳輸都要求在更高頻率上獲得同樣的效率。二是向產業化發展,對成功的設計方案需要固化下來,進一步與工業界合作,實現批量制造,并提高成品率。大功率整流的回旋波整流器也需要投入一些研究,但國內研究基礎都不夠,試驗驗證條件高,這是對研究提出的重要挑戰,需要開展對俄等國際合作[40]。

激光功率傳輸功率轉換器件的挑戰首先體現在激光器上。對于空間激光器,目前的主要挑戰是如何把高能激光器集成進對質量、體積敏感的空間飛行器平臺上,并能夠在空間環境中正常運轉。研制具有足夠大功率、光束質量好、適于激光功率傳輸使用的小型化、輕質化高能激光器,是空間激光功率傳輸裝備的關鍵。

激光功率傳輸功率轉換器件的挑戰還體現在激光電池上。單片激光電池經封裝、內部連接形成激光電池陣列組件,面臨的挑戰是:1)組件中電池占空比偏低。目前采用的密集封裝激光電池組件制備工藝,電池片占空比約為75%,照射到激光電池組件上的激光能量有25%無法參與光電轉換,大大降低激光功率傳輸系統轉換效率。2)組件的散熱能力不足。照射到激光電池上的激光能量約有一半的激光轉換成熱量,造成激光電池組件溫度升高,若不采取有效的散熱措施,溫度升高引起光電轉換效率下降,產生更多熱量,惡性循環,極易引起器件損壞。

4.7 頻率資源申請任重道遠

頻譜資源是推動無線功率傳輸進入工程化或產業化的前提。目前與無線功率傳輸相關的頻譜研究屬于國際電信聯盟(ITU)的無線電通信部分(ITU-R)第1研究組的范疇,但目前該子工作組力量相當薄弱。盡管2022年7月ITU發布了關于波束式無線功率傳輸應用效應的報告ITU-R SM.2505-0,但到目前為止,尚沒有頻譜資源分配給無線功率傳輸應用。而在國際無線電科學聯合會(URSI)框架下的工作仍停留在2006年的《空間太陽能電站白皮書》修訂的狀態。

在中國發展遠距離大容量無線功率傳輸,還需要接受國家頻譜管理機構的監管,申請遠距離大容量無線功率傳輸頻譜資源還任重道遠。

除上述組織外,發展遠距離大容量無線功率傳輸涉及的國際組織還包括國際電工委員會(IEC)、國際無線電干擾特別委員會(CISPR)、國際標準化組織(ISO)等,在這些組織機構框架下協同開展工作,也是遠距離大容量無線功率傳輸發展面臨的一大挑戰。

5.1 加強遠距離大容量連續無線功率傳輸發展規劃論證及實施

遠距離連續大容量無線功率傳輸尤其是空間無線功率傳輸必定是長期發展、分步實施的,中國空間太陽能電站已經提出了“兩大步三小步”的發展思路,星地無線功率傳輸也有與之協調的發展設想,后續要持續開展星地無線功率傳輸發展規劃滾動研究及實施。

近年來,中國連續大容量無線功率傳輸技術發展速度快,成果多,影響大,受到國際同行的關注。但也因為從事相關研究的團隊多、支持渠道多,同時外延廣,顯得發展的協調性不夠,銜接性不足。因此需要在2014年論證工作的基礎上,及時關注支撐條件的進步,繼續加強發展規劃滾動研究,修訂發展路線。同時,還要切實執行發展規劃。

除了星地無線功率傳輸之外,遠距離大容量連續無線功率傳輸還要面向其他應用系統和應用環境進行拓展規劃,并注意技術的可移植性、應用背景的獨特性。

5.2 找準短板,促進科學和技術問題全面進步

在遠距離大容量連續無線功率傳輸系統驗證方面,已經開展了水平傳輸和固定點對點垂直傳輸試驗,建議未來2-3年內開展基于浮空平臺的垂直傳輸試驗,可以先進行地對空功率傳輸,再進行空對地功率傳輸;2025-2028年,開展低軌無線功率傳輸試驗,可以先進行星間傳輸,再進行星地傳輸;2030年前后,開展GEO軌道星地微波功率傳輸試驗;到2035年前后,開展GEO軌道MW級微波功率傳輸驗證與應用,為2050年前后實現空間GW級太陽能電站做好準備。

自2014年“空間太陽能電站發展的機遇與挑戰”香山科學會議召開以來,遠距離無線功率傳輸已經取得長足進步,但如前所述,遠距離大容量連續無線功率傳輸在科學和技術問題上都面臨重大挑戰,某些方面甚至仍然存在明顯空白。對于短板問題,需要組織或引導優勢團隊增大投入,以期取得快速進展;對于研究較好的問題,需要注意結合應用帶來的特殊約束,開展更有針對性的研究。對這些問題的現狀和具體發展建議列在表2中。

5.3 持續向商業化應用推廣

在和平與發展的國際背景下,商業化應用是科學技術發展最為活躍的領域。如上所述,遠距離大容量連續無線功率傳輸還面臨多方面的挑戰和多層次的困境,為了快速取得突破,促進技術創新、應用和推廣,需要廣泛集合社會的智力、物力,充分利用商業化領域中最敏感、最活躍、最強力的因素,不斷提升技術基線水平?？山梃b國際社會的成功實踐,結合通信基站、商用無人飛行器、特殊地區等供電應用場景,早日推出商業化、型譜化無線功率傳輸產品及其廣泛應用。

5.4 加強遠距離連續大容量無線功率傳輸國際合作

近年來,雖然國際局勢發生一些重要變化,但我們始終要認識到:空間太陽能開發利用這樣的遠距離大容量連續無線功率傳輸系統解決的是全球共同面對的挑戰,其科學探索難度和工程實施難度都是空前的,因此要積極探索新形勢下國際合作架構。

前已論及,有志于發展空間太陽能電站的國家必須關注國土內重點區域上空傳輸媒質與功率波束的相互作用。建議與這些國家的技術團隊合作開展電離層與功率波束相互作用試驗研究,共同開發低軌平臺和無線功率傳輸的收發載荷,利用低軌衛星的軌道性能,研究本國上空傳輸媒質與功率波束的相互作用,以此作為進一步開發空間太陽能電站的依據。

進一步建議各國技術團隊聯合開展LEO軌道星地無線功率傳輸試驗驗證?？梢猿浞职l揮各國互補優勢,共同驗證星地無線功率傳輸技術。

本文結合全球能源和環境問題,介紹了遠距離大容量連續無線功率傳輸的發展需求及其帶來的新機遇,總結了遠距離大容量連續無線功率傳輸的新進展和所面臨的科學、技術挑戰,并對中國遠距離大容量連續無線功率傳輸發展提出了具體建議。

遠距離大容量連續無線功率傳輸是不僅涉及多項關鍵技術,而且涉及深刻的科學問題,還與產業界相關聯,從事相關方面工作、相關方向研究的單位、部門、專家、學者都可以在其中找到巨大的發展空間和發展機遇。

發展空間遠距離大容量連續無線功率傳輸將直接推動空間太陽能開發利用,將引領航天強國建設,有望將空間太陽能電站建成中國航天實現第二個百年奮斗目標的標志性工程。遠距離大容量連續無線功率傳輸將從根本上改變人類利用和獲取能源的方式,提供社會基礎能源新的支柱,助力中國實現“碳達峰碳中和”國家戰略目標,為科學技術融合發展、國家能源安全戰略和解決全球環境問題作出巨大貢獻。