楊業(yè)偉，李小將，2，張東來(lái)

（1.裝備學(xué)院研究生院，北京101416；2.裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101416）

基于分離模塊航天器的激光輸能技術(shù)研究

楊業(yè)偉1，李小將1，2，張東來(lái)1

（1.裝備學(xué)院研究生院，北京101416；2.裝備學(xué)院激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京101416）

隨著航天任務(wù)的日趨復(fù)雜化，航天器能源需求越來(lái)越高，將激光輸能技術(shù)運(yùn)用于航天器能源供給越來(lái)越受到重視。針對(duì)當(dāng)前地基激光輸能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和不足，本文從分離模塊航天器的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，研究了一種基于模塊化航天器的天基激光輸能技術(shù)。介紹了這種天基激光輸能的輸能模式和輸能過(guò)程，分析了其相對(duì)于地基激光輸能的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)當(dāng)前激光技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了實(shí)現(xiàn)天基激光輸能方式需要解決的五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，為分離模塊航天器的能量供給提供了一種新的解決方案。

激光輸能；分離模塊航天器；光電轉(zhuǎn)換；空間布站

1 引 言

隨著航天器任務(wù)的復(fù)雜程度越來(lái)越高，航天器的能源要求也隨之越來(lái)越高。目前航天器的供能大多采用太陽(yáng)能電池陣供電或蓄電池組供電的方式，但這兩種方式存在著明顯不足［1］，一是受到白天黑夜的限制，無(wú)法滿足航天器長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)供能；二是航天器高電量需求使得蓄電池組體積、質(zhì)量不斷增加，很大程度地限制了有效荷載的搭載。

為了更高效地發(fā)揮航天器功能，突破上述因素的限制，世界各主要航天國(guó)家都在尋求一種全新的為航天器供能的方案，而激光輸能便是其中的一種。但目前航天器激光輸能的方案設(shè)計(jì)大多數(shù)都局限于地對(duì)天的地基激光輸能，這種輸能方案由于目前技術(shù)條件的限制，存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，如激光大氣傳輸過(guò)程對(duì)激光能量的消減，使得原本出光功率就不大的激光到達(dá)航天器的接收端后，其功率更加難以滿足實(shí)際需要；由于傳輸距離遠(yuǎn)，大氣湍流等因素對(duì)激光傳輸?shù)母蓴_，使得激光系統(tǒng)對(duì)航天器的跟瞄難度大，且容易損傷航天器上的非接收元件；地基激光輸能還對(duì)輸能站點(diǎn)的布站要求高，且當(dāng)航天器處于站點(diǎn)輸能范圍外時(shí)，無(wú)法進(jìn)行輸能等。

針對(duì)這些技術(shù)條件的限制，本文在2006年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）提出的“分離模塊航天器”設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，研究了一種天基的航天器激光輸能方案。

2 分離模塊航天器概念及特點(diǎn)

“分離模塊航天器”一詞最早出現(xiàn)在2006年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）戰(zhàn)術(shù)技術(shù)辦公室Owen Brown的一系列論文中。2007年，DARPA正式啟動(dòng)名為“F6”的分離模塊航天器項(xiàng)目，該設(shè)計(jì)理念被廣泛討論和研究。

分離模塊航天器就是將傳統(tǒng)整型的、集所有功能于一體的巨大航天器變?yōu)槎鄠€(gè)具有單一主功能的子模塊，由具有基礎(chǔ)功能的支撐模塊在軌自由運(yùn)行，支撐自由飛行的有效載荷模塊，各個(gè)子模塊之間協(xié)同合作，形成一個(gè)模塊化的航天器，完成特定航天任務(wù)［2］。這種模塊化航天器具有很高的靈活性和響應(yīng)速度，生存能力強(qiáng)，具有功能再定義能力，有利于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，能夠分散發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)、降低發(fā)射成本［3］。

由于分離模塊航天器的子功能模塊一般都只具有單一子功能，如通信、測(cè)控、控制等，其能源供給主要依靠供能子模塊來(lái)完成，因此，分離模塊航天器需要通過(guò)無(wú)線輸能技術(shù)將能量從供能子模塊傳輸?shù)接行лd荷模塊和其他基礎(chǔ)功能模塊。

目前的無(wú)線輸能技術(shù)主要有電磁感應(yīng)方式、磁共振耦合方式、微波方式和激光方式。但是由于電磁感應(yīng)方式和磁共振耦合方式傳輸能量時(shí)距離受限，不適合遠(yuǎn)距離的航天模塊之間傳輸。微波和激光方式適合遠(yuǎn)距離傳輸，但是微波發(fā)散角太大，不便于小模塊航天器接收。而激光具有密度高、發(fā)散角小等特點(diǎn)，因此在分離模塊航天器中選擇激光輸能技術(shù)作為無(wú)線輸能的方式［4］。

3 國(guó)內(nèi)外激光輸能研究現(xiàn)狀

激光輸能是指在發(fā)射端將電能或其他形式的能量轉(zhuǎn)換為激光，經(jīng)過(guò)發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射到接收端，接收端通過(guò)激光轉(zhuǎn)換裝置將接收的激光轉(zhuǎn)換為直流電的技術(shù)。

通過(guò)激光實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離能量無(wú)線傳輸?shù)南敕ㄗ钤缬葿ackus于1972年提出，并在此之后世界各國(guó)做了相關(guān)技術(shù)的大量研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1981年美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）Langley研究中心發(fā)布了一份長(zhǎng)達(dá)218頁(yè)的報(bào)告［5］，集中系統(tǒng)地介紹了空間激光能量傳輸?shù)奶攸c(diǎn)、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用領(lǐng)域和前景，為之后激光輸能技術(shù)的研究奠定了基礎(chǔ)。

2003年9月，由NASA馬歇爾航天飛行中心、達(dá)萊登（Dryden）飛行研究中心以及阿拉巴馬州大學(xué)組成的研究小組完成了以激光為動(dòng)力的飛機(jī)試飛。該飛機(jī)翼展約1.5 m，重約0.26 kg，飛機(jī)上的光電電池可有效地將激光能量轉(zhuǎn)換成電能，為飛機(jī)上的小型電動(dòng)機(jī)提供能源。

2005年，德國(guó)人用激光器成功驅(qū)動(dòng)了80 m外的電動(dòng)小車。激光照射并跟蹤小車上的光電池，光電池將光能轉(zhuǎn)化為電能帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)。

2012年，洛馬公司和LaserMotive公司在一個(gè)風(fēng)洞內(nèi)成功驗(yàn)證了激光驅(qū)動(dòng)無(wú)人機(jī)。該無(wú)人機(jī)是被適當(dāng)改裝后的“闊步者”（Stalker）無(wú)人機(jī)，在驗(yàn)證中其連續(xù)飛行時(shí)間被延長(zhǎng)到超過(guò)48小時(shí)。之后，兩家公司又在偏遠(yuǎn)沙漠地帶進(jìn)行了對(duì)無(wú)人機(jī)激光輸能的室外驗(yàn)證，并取得了一系列成果。

國(guó)內(nèi)對(duì)于激光輸能技術(shù)的研究起步較晚，目前主要還處于理論研究階段。但最近幾年國(guó)內(nèi)研究人員在激光大氣傳輸、激光跟瞄技術(shù)、激光輸能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真和激光輸能的布站方案設(shè)計(jì)等領(lǐng)域都得到了大量研究成果［6－8］，這為以后的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

正如前文所述，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于激光輸能技術(shù)的理論研究與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證絕大多數(shù)都是在地基激光器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這種基地激光輸能方案存在著許多目前很難克服的技術(shù)瓶頸，因此我們提出將分離模塊航天器概念中的供能方法與激光輸能相結(jié)合，形成一種新的對(duì)航天器供能的輸能方案。

4 分離模塊航天器的激光輸能機(jī)理及優(yōu)勢(shì)

基于分離模塊航天器的激光輸能方式，將航天器的供能單元作為一個(gè)單獨(dú)的飛行器模塊，通過(guò)激光無(wú)線輸能的方式為航天器的其他功能模塊供能。

4.1 不同結(jié)構(gòu)的分離模塊航天器激光輸能模型

根據(jù)航天器空間任務(wù)的不同，以及供能模塊與任務(wù)模塊之間不同的相互位置關(guān)系，激光輸能模型的結(jié)構(gòu)也有所不同，以圖1、圖2為例。

圖1 共軌線性結(jié)構(gòu)下多供能模塊協(xié)同輸能示意圖

在圖1所示的構(gòu)型中，所有任務(wù)模塊在同一條軌道上運(yùn)行，彼此之間保持固定的相位關(guān)系。供能模塊在另一條升交點(diǎn)赤經(jīng)Ω不同、傾斜角i相同的不同平面軌道或者軌道高度不同的同一平面軌道運(yùn)行。供能模塊與任務(wù)模塊相對(duì)于地球的運(yùn)行速度不同，任務(wù)模塊順序進(jìn)入某一供能模塊的輸能區(qū)域，供能模塊對(duì)其輸能。該構(gòu)型要求對(duì)供能模塊進(jìn)行布站設(shè)計(jì)，并合理設(shè)計(jì)任務(wù)模塊飛入供能模塊輸能區(qū)域的時(shí)間，以保證供能模塊上有限數(shù)量的輸能設(shè)備能滿足對(duì)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)任務(wù)模塊的同時(shí)輸能。這種跟飛結(jié)構(gòu)下多供能模塊協(xié)同輸能模式的最大好處在于，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)和布站理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)模塊的24小時(shí)不間斷輸能。

圖2 環(huán)形結(jié)構(gòu)下單一供能模塊輸能示意圖

在圖2所示的構(gòu)型中，任務(wù)模塊與供能模塊組成一個(gè)以供能模塊為中心的環(huán)形結(jié)構(gòu)，任務(wù)模塊之間保持一定的相位關(guān)系，環(huán)繞供能模塊飛行的同時(shí)，與供能模塊作為一個(gè)整體在某一軌道上運(yùn)行，供能模塊通過(guò)其有限數(shù)量的輸能設(shè)備對(duì)有需要的任務(wù)模塊同時(shí)輸能。這種環(huán)形結(jié)構(gòu)下單一供能模塊輸能模式的好處在于，構(gòu)型設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，由于類似于衛(wèi)星編隊(duì)中的空間圓構(gòu)型，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

4.2 分離模塊航天器的激光輸能過(guò)程

無(wú)論是圖1還是圖2所示的輸能模式，從接收輸能指令到完成輸能的基本過(guò)程都是一致的，如圖3所示。

圖3 激光輸能過(guò)程

數(shù)據(jù)分析處理模塊通過(guò)計(jì)算任務(wù)模塊進(jìn)入供能模塊輸能區(qū)域的時(shí)間，將輸能指令發(fā)送給集中處理分離模塊航天器通信信息的通信模塊，然后由通信模塊將輸能指令發(fā)給供能模塊。供能模塊接收到指令后開始做輸能準(zhǔn)備，包括系統(tǒng)自檢、激光器準(zhǔn)備等。當(dāng)任務(wù)模塊進(jìn)入輸能區(qū)域時(shí)，通過(guò)由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光電傳感器、信號(hào)處理和控制系統(tǒng)等組成的ATP系統(tǒng)捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)任務(wù)模塊，然后發(fā)射激光，任務(wù)模塊接收激光，并通過(guò)光電轉(zhuǎn)換裝置將激光能轉(zhuǎn)化為電能。當(dāng)任務(wù)模塊離開輸能區(qū)域時(shí)關(guān)閉激光器，準(zhǔn)備下一次輸能任務(wù)。該過(guò)程大致經(jīng)歷接收任務(wù)指令、發(fā)射準(zhǔn)備、捕獲跟瞄、輸能這四個(gè)階段，每個(gè)階段的具體內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方式因輸能模式的不同會(huì)有所差別。

4.3 分離模塊航天器激光輸能的優(yōu)勢(shì)

分離模塊航天器激光輸能相比于地基激光輸能方式最大的區(qū)別就在于：前者的輸能方式是天對(duì)天的方式，屬于天基激光輸能，后者的輸能方式是地對(duì)天的方式，屬于地基激光輸能。就本文所討論的對(duì)航天器的輸能而言，天基的輸能方式相比于地基的輸能方式擁有著許多優(yōu)勢(shì)，詳見表1。

表1 天基激光輸能與地基激光輸能的比較

5 擬解決的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 高能激光器的研制

作為激光輸能系統(tǒng)的關(guān)鍵裝置，高能激光器的輸出性能直接決定著激光輸能系統(tǒng)的實(shí)用性。目前世界上的激光器研究主要圍繞著化學(xué)激光器和電激勵(lì)激光器展開，而化學(xué)激光器體積龐大，且會(huì)向外排出有害物質(zhì)，加之需要的維護(hù)和后勤支援任務(wù)繁重，不適合集成于空間小型機(jī)動(dòng)平臺(tái)上［9］。相比于化學(xué)激光器，電激勵(lì)激光器因具有效率高、體積小、激勵(lì)源易獲得、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，更加適合于空間激光輸能任務(wù)。

當(dāng)前電激勵(lì)激光器的研發(fā)主要以提高功率輸出、提高電光轉(zhuǎn)化效率、降低工藝復(fù)雜度為目標(biāo)，同時(shí)克服非線性效應(yīng)和熱效應(yīng)等共性難題，特別是高能激光器在工作過(guò)程中產(chǎn)生的廢熱而導(dǎo)致的晶體熱聚焦、熱致雙折射及退偏振等熱效應(yīng)，已經(jīng)成為制約國(guó)內(nèi)高重復(fù)頻率、大功率激光器研制的至關(guān)重要的因素［10］。

5.2 光電轉(zhuǎn)換技術(shù)

利用模塊化航天器中的供能模塊輸能時(shí)，提高任務(wù)模塊上光伏電池的光電轉(zhuǎn)換效率，對(duì)于整個(gè)激光束能過(guò)程效率的提高至關(guān)重要。主要有三種途徑，一是在一定的光照強(qiáng)度下，通過(guò)改進(jìn)光電池材料提高光電轉(zhuǎn)換效率；二是通過(guò)一定方式提高照射到光電池表面的光照強(qiáng)度；三是根據(jù)照射光波長(zhǎng)的不同選擇與之相匹配的光電池表面材料。

光電池的光電轉(zhuǎn)換效率既受到光照強(qiáng)度的影響，又受到光電池表面材料的影響。表2是在25℃情況下測(cè)得的不同太陽(yáng)光聚光倍數(shù)下單晶硅、砷化鎵、三結(jié)電池太陽(yáng)轉(zhuǎn)化效率［11］。

表2 單晶硅、砷化鎵、三結(jié)電池太陽(yáng)轉(zhuǎn)化效率

對(duì)于同一種材料的光電池，當(dāng)太陽(yáng)光聚光倍數(shù)增加時(shí)，其轉(zhuǎn)化效率也隨之提高，但是提高的幅度不夠理想。在同一種聚光倍數(shù)下，GaInP／GaInAs／Ge三結(jié)電池的轉(zhuǎn)化效率是最高的。

此外，不同的光電池材料的最佳吸收波長(zhǎng)也會(huì)不同。例如，單晶硅的轉(zhuǎn)化率在激光波長(zhǎng)為900 nm左右處達(dá)到峰值，而用900 nm的激光照射GaAs電池和GaInP／GaInAs／Ge電池其響應(yīng)并不明顯［12］。因此，對(duì)于不同波長(zhǎng)的照射激光，選擇與之相匹配的光電池對(duì)于提高光電轉(zhuǎn)換率也很重要。

5.3 空間布站優(yōu)化技術(shù)

在空間中合理的布置供能模塊的數(shù)量、相對(duì)位置和各自運(yùn)行的軌道，對(duì)于最大程度地節(jié)省并利用資源，發(fā)揮最大效能至關(guān)重要。文獻(xiàn)［8］對(duì)基于地面的輸能布站方案做了一定研究，但是基于地面的輸能布站方案最大的缺陷在于，由于經(jīng)濟(jì)、地理和政治因素的限制，地面輸能站點(diǎn)只能選在本國(guó)領(lǐng)土范圍內(nèi)，這很大程度上限制了站點(diǎn)之間有效的協(xié)同輸能范圍。而空間布站就不存在這樣的限制，但其難點(diǎn)就在于如何盡可能用最少的供能模塊通過(guò)協(xié)同合作實(shí)現(xiàn)對(duì)任務(wù)模塊的不間斷輸能，這需要對(duì)任務(wù)模塊進(jìn)入輸能范圍的時(shí)間、任務(wù)模塊與供能模塊之間的相對(duì)位置，以及不同任務(wù)模塊之間的相對(duì)位置進(jìn)行精確計(jì)算，從而為各個(gè)供能模塊合理分配輸能任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)任務(wù)模塊有序高效的輸能。

5.4 核電池技術(shù)

供能模塊作為其他任務(wù)模塊的能量來(lái)源，其輸出的能量需要滿足多個(gè)任務(wù)模塊大量、持續(xù)的能量需求，這就要求供能模塊自身的能源具有高能、可靠、持續(xù)等特點(diǎn)。光伏電池由于目前光電轉(zhuǎn)換效率、光伏材料以及太陽(yáng)光源晝夜因素的限制，很難滿足這些要求。核電池壽命長(zhǎng)、不受外界干擾、輸出能量高并且供能不受晝夜影響，已經(jīng)被應(yīng)用于航天、航空導(dǎo)航、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程等領(lǐng)域［13］，通過(guò)不斷提高核電池的使用壽命，改善其安全性和可靠性，將其作為供能模塊的能量來(lái)源具有很現(xiàn)實(shí)的意義。

5.5 空間跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)

捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)是激光輸能整個(gè)任務(wù)過(guò)程中重要的環(huán)節(jié)，直接決定著激光能否順利照射到靶目標(biāo)并對(duì)其持續(xù)輸能。地面激光跟瞄技術(shù)的難點(diǎn)在于傳輸距離遠(yuǎn)，大氣的干擾增加了跟瞄難度。盡管傳輸距離和大氣的干擾對(duì)空間跟瞄技術(shù)的影響較小，但是由于太空中航天器運(yùn)動(dòng)速度較快，接收端激光強(qiáng)度變化快，輸出端和接收端相對(duì)位置變化快，都大大增加了空間跟瞄的難度，同時(shí)對(duì)激光輸出設(shè)備的靈活性和可控性也提出了更高的要求。

6 結(jié) 論

本文從分離模塊航天器的概念出發(fā)，介紹了一種用于模塊化航天器之間的激光輸能方式。同時(shí)對(duì)這種輸能方式的實(shí)現(xiàn)模式、過(guò)程和相比于地基輸能方式的優(yōu)勢(shì)做了深入分析，并提出當(dāng)前要實(shí)現(xiàn)這種天基的激光輸能，需要解決四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：高能激光器的研制、光電轉(zhuǎn)換技術(shù)、空間布站優(yōu)化技術(shù)、核電池技術(shù)和空間跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)。

激光輸能技術(shù)的概念盡管提出較早，但由于受到技術(shù)條件的限制，一直發(fā)展較慢，而分離模塊航天器的研究還處于初級(jí)階段，基于分離模塊航天器的激光輸能技術(shù)研究更是剛剛起步，還存在諸多難題需要解決。但隨著地球能源資源的日益短缺，航天器功能的日趨復(fù)雜，將航天器模塊化并對(duì)其提供持續(xù)可靠的高功率能源已成為一種必然的趨勢(shì)，因此研究發(fā)展基于分離模塊航天器的激光輸能技術(shù)擁有著誘人前景。

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Research on laser energy transm ission technology based on fractionated spacecraft

YANG Ye-wei1，LIXiao-jiang1，2，ZHANG Dong-lai1
（1.Company of Postgraduate Management，the Academy of Equipment，Beijing 101416，China；2.State Key Laboratory of Laser Propulsion＆Application，the Academy of Equipment，Beijing 101416，China）

As the space task is further complicated，the spacecraft energy demand is higher.Using the laser energy transmission technology to the spacecraft energy supply ismore and more attention.In order to supply the gaps of current ground-based laser energy transmission，a kind of space-based laser energy transmission technology is studied on basis of the fractionated spacecraft concept.The process and models of this energy transmission are presented.Compared with the ground-based one，the advantages of space-based laser energy transmission are analyzed.According to the development situation of laser technique and aerospace technology，five key technologies that need to be achieved for realizing laser energy transmission technology are analyzed，which provides a new solution for the fractionated spacecraft energy supply.

laser transmission；fractionated spacecraft；photovoltaic conversion；space deployment

V528

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.02.0

1001-5078（2014）02-0126-05

激光推進(jìn)及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目資助課題。

楊業(yè)偉（1990－），男，碩士研究生，研究方向武器系統(tǒng)建模與仿真。E-mail：yangyewei_1990＠126.com

2013-07-17；

2013-08-20