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空间网络无线能量传输技术研究进展①

更新时间:2009-03-28

0 引言

随着空间应用的不断深入,对卫星的灵活性、抗风险能力等方面的要求越来越高,卫星载荷也呈现出多样化的趋势。作为一种新的航天器构成形式,分布式可重构卫星系统通过“功能分解、结构分离、无线连接、编队飞行”的方式对系统进行构建,从而显著增强了航天器的灵活性和可靠性,可进一步降低飞行器执行空间飞行任务的成本,增强空间平台规避空间碎片的灵活性,从而降低飞行器的全寿命周期费用和风险。针对分布式可重构卫星系统平台,如何为各个模块航天器提供所需要的能量则成为其关键技术之一[1-4]。目前,国内外开展相关技术研究大部分采用无线能量传输的方式。作为一种新型的能量传递方式,无线能量传输技术就是将能量以无线方式进行远距离传输,这种能量传输的起点与终点可以是地、空、天三者之间任意两两组合,不借助任何导波系统,能量传递在自由空间进行,传输速度为光速,且能量的传递可以通过控制波束方向实现灵活变换[3]

本文首先介绍了空间网络无线能量传输技术类型及特点,然后分析了微波无线能量传输技术和激光无线能量传输技术的特点及应用环境,进一步分析了无线能量传输系统关键技术,指出了影响无线能量传输效率的关键因素,并提出技术发展建议。

1 空间网络无线能量传输技术类型及发展动态

空间网络无线能量传输是实现分布式可重构卫星之间能量传输的重要方式,也是实现空间太阳能电站的核心关键技术[4-6]。根据实现方式不同,无线能量传输技术(WPT)分为感应式无线能量传输技术、耦合谐振式无线能量传输技术及电波辐射式无线能量传输技术,该三种传输方式的特点及应用环境如表1所示。

 

表1 无线能量传输技术分类及特点

 

Table 1 Classification and characteristicsof WPT technique

  

分类原理特点应用环境感应式无线能量传输技术应用电磁感应技术在传统的变压器基础上进行改进,实现非接触式的电能传输传输效率高,传输距离较短,发射端与接收端的位置相对固定短距离传输,功能实现验证试验耦合谐振式无线能量传输技术通过非辐射性电场或磁场耦合的电磁谐振原理,实现能量的无线传输不具有敏感的方向性,传输距离也较感应式远,传输效率也稍高传输距离稍远,手机充电等领域应用电波辐射式无线能量传输技术利用微波源/激光源等装置把直流电转变为微波/激光,再通过天线发送至空间,利用微波束/激光束代替传输电导线实现远程能量传输传输效率不高,且不能跨越障碍物,其显著优势在于可实现较远距离的无线能量传输远距离传输,太阳能电站、深空探测等应用领域

基于能量载体的不同,电波辐射式无线能量传输技术又分为微波无线能量传输(MWPT)和激光无线能量传输(OWPT)两种方式。与激光相比,微波在穿过大气时,受天气影响程度小,能量传输效率较高于激光方式。激光无线能量传输方式受大气影响较大,在强湍流和厚云层等天气状况时,空间激光传输受大气影响严重,在大气中传输效率远不如微波。对于相同的天线口径,由于两种传输方式波长相差很大,波束发散角的衍射极限差距很大,微波发散角大于激光发散角,为了接收相同能量的功率,微波接收天线口径大;激光无线能量传输方向性强、能量集中,可用较小的发射天线和接收天线实现较远距离的无限能量传输。在空间立体网络中,需要综合考虑发射效率、空间传输效率、接收效率和整流效率等多个因素的影响,合理选择合适的能量传输方式。

因此,在空间网络无线能量传输技术应用领域,当传输距离相对较近且传输能量较小时,可以利用激光方向性强、能量集中、收发天线口径小等优点进行空间网络无线能量传输,从而可有效提高链路能量传输效率并减小系统的重量和体积。当传输距离较远且传输能量较大时,则可利用微波受大气扰动影响小、技术相对成熟的优点,考虑选择微波作为载体进行无线能量传输,此种情况下可获得比采用激光方式更高的能量传输效率。

根据国家食品药品监督管理总局部署,中国食品药品检定研究院承担了白矾的专项抽验任务,对从全国25个省、市、自治区的91家饮片生产企业抽取的119批样品进行了评价性检验。具体抽样情况见表1。

  

图1 SSPS能量传输示意图

 

Fig.1 Sketch map of SSPS

目前,在分布式可重构卫星平台、太阳能电站以及深空探测等应用领域,均考虑采用微波无线能量传输方式。图1为空间太阳能发电卫星(SSPS)能量传输示意图,图2为日本三菱电机公司发电卫星系统组成,均采用了微波无线能量传输方式。表3为国内外公开报道的微波天线能量传输主要验证系统指标对比。

北京大学平民教育演讲团是由邓中夏、廖书仓等人于1919年3月组织的一个社会团体。邓中夏等人提出:“顾以吾国平民识字者少,能阅印刷品出版物者只限于少数人,欲期教育之普及与平常,自非从事演讲不为功。北京大学固以平民主义之大学为标准者也!平民主义之大学,注重平民主义之实施,故平民教育尚焉。”[5]因此,他们决心走出校门,向广大贫苦民众传播文化知识和爱国救国的道理。在邓中夏等人的带领下,他们深入街道、矿区等地积极宣传马克思主义,从而为马克思主义的传播发挥了积极的作用。

  

图2 日本三菱电机公司发电卫星概念和系统组成图

 

Fig.2 Concept and system composition of SSPS from Mitsubishi

 

表2 国内外文献公开报道的微波无线能量传输主要验证系统指标对比

 

Table 2 Index comparison of MWPT system in publicly reported literature

  

地面微波无线输能系统地面微波无线输能系统飞艇微波无线输能系统微波无线能量传输验证系统三菱重工无线输电装置系统图时间1994-1995年2000年2009年2014年2015国别日本日本日本中国日本载波/GHz2.45 5.772.462.45—发射天线直径为3 m抛物面天线—圆极化平面阵列直径为2.4 m抛物面天线天线阵列接收天线3.2m×3.6m阵列天线——2.4m×2.4m阵列天线—传输距离/m42—3011500发射功率/W5000251105210 000传输效率DC-DC效率9%MW-DC效率15%DC-DC效率7.68%MW-DC效率未报道功能验证DC-DC效率16.57%MW-DC效率28%功能验证,点亮LED灯

空间激光无线能量传输系统主要包括激光发射子系统、激光接收子系统和高精度捕跟控制子系统三部分。激光发射子系统主要包括高效电光转换模块、大功率激光发射器和窄波束激光发射天线;激光接收子系统主要包括高效率接收天线、高效率光电转换器和电源。为了实现波束的高精度指向,空间激光无线能量传输系统还需要采用高精度捕跟控制技术,实现激光波束的闭环控制,如图6所示。

  

图3 微波无线能量传输验证平台及其整流天线

 

Fig.3 MWPT system and the receiving antenna array cells

  

图4 基于飞艇平台的激光无线能量传输试验

 

Fig.4 OWPT system on airship boat

2 空间网络无线能量传输系统及关键技术

在无线能量传输系统中,无论采用微波还是采用激光作为载体进行能量传输,涉及的关键技术具有一定的相似性,主要包括无线能量传输总体设计技术、高效高功率能量发射技术及天线波束控制技术等。

从20世纪90年代开始,美国、日本、前苏联、加拿大及法国等国家都相继开展了微波无线能量传输的相关实验和研究,但针对系统设计的相关报道并不多,而且公开报道的信息也不全面,表2对比了目前能公开查阅到的微波无线能量传输系统采用方式以及试验结果[7-12]。图3为西安分院于2014年完成的微波无线能量传输系统演示验证试验平台[9]。相对于微波无线能量传输验证系统,目前公开报道的激光无线能量传输验证平台较少,图4为山东航天电子技术研究所于2014年完成的两飞艇之间的激光无线能量传输试验平台[8]。图3及图4的两种无线能量传输技术验证平台是“十二五”期间国家863课题“分布式可重构卫星系统”的重要子课题之一,通过对分布式可重构卫星系统中模块航天器间微波/激光无线能量传输技术的研究,使无线能量传输技术从理论研究转变为试验验证,为我国分布式可重构卫星系统的研究提供了必要的理论和工程研制方面的支持。

记者从佛山海事局了解到,2018年西江佛山段本质安全得到进一步提升,事故性苗头得到有效控制,水上交通事故(0宗)、险情(2宗),分别较创建前的2012-2016五年均值降低100%和71%,取得了水上安全形势持续稳定的阶段性成效。

  

图5 微波无线能量传输系统示意图

 

Fig.5 Main components of the MWPT system

  

图6 激光无线能量传输系统示意图

 

Fig.6 Main component of the OWPT system

空间网络微波无线能量传输系统主要包括微波发射子系统和微波接收子系统两部分。微波发射子系统主要由微波发射机和微波发射天线组成,微波接收子系统主要由微波接收天线和微波整流电路组成,如图5所示。其中,微波发射机主要包括信号源及固态放大器两部分,微波整流电路包括单元整流电路及直流合成两部分[5-8]。微波发射机完成直流到射频的能量转换,微波整流电路完成射频到直流的能量转换,微波发射天线和微波接收天线完成无线能量的空间传输。

(1)空间无线能量传输系统总体设计技术

空间网络无线能量传输系统和传统的通信系统之间的区别关键在于能量效率,传输效率是考核能量传输平台的核心指标,因此在系统搭建中需要选择高效率的微波/光器件。在微波网络无线能量传输系统中,需要通过微波发射机来完成直流功率到微波功率的转换,随后通过发射天线和接收天线完成微波能量的空间传输,故微波器件(功率器件、整流器件)的选择非常关键,应该综合考虑器件的功率容量、频率、高直流电压、散热等性能,以选择高效率的器件。在空间网络无线能量传输系统工程实现中,还需兼顾考虑空间传输效率、能量传输距离及传输功率等方面的要求。目前,将直流能量转换为微波能量可采用微波真空器件和固态器件两种途径,为获得高效率高功率微波源,常采用固态器件、磁控管及行波管三种方式。

(3)整合区域旅游资源。张家界地质与人文旅游资源资源丰富,应在不破坏生态环境的前提下积极探索新的旅游景点,挖掘和提升其他旅游资源,使张家界旅游向“全域旅游”方向发展,以缓解该公园作为老景区的旅游压力。

(2)高效高功率能量发射技术

与传统微波卫星通信系统不同,无线能量传输需要围绕“高能量传输效率”和“高能量转换效率”开展空间无线能量传输系统方案设计工作,确保实现高的空间网络无线能量传输转换效率。这需要采用聚焦天线和高效接收整流电路,对发射系统和接收系统进行最优匹配设计和指标分配,给出满足空间飞行器能量传输的空间无线能量传输系统方案。对于空间无线能量传输系统,其难点在于综合考虑空间立体网络的“动态”和“立体”特性,充分考虑发射天线、接收天线和整流电路的能力及其相互制约关系,综合分析空间无线能量传输效率,对空间无线能量传输系统进行优化设计,确定空间无线能量传输系统参数和技术解决方案。对于空间无线能量传输系统,由于空间飞行器的动态特性,需要综合考虑波束指向精度对能量传输效率的影响。

卵巢成熟性畸胎瘤为最常见的生殖细胞肿瘤,约占卵巢肿瘤的10%~20%,卵巢成熟性畸胎瘤恶变是从畸胎瘤中不同的成熟组织发生,其内任何一种成分均有可能恶变,最常见的为鳞癌,其次有腺癌、癌样瘤、黑色素瘤、肉瘤等,其恶变率低,文献报道仅为1%~2%[1-4],其中腺癌变约占7%[5]。本病发病年龄多为50~60岁,绝经后以及围绝经期女性多见[6]。目前其恶变机制尚不清楚,研究表明,可能与卵巢反复损伤、激素水平失调等引起的基因突变有关[7]。

激光无线能量传输系统的发射端主要采用大功率激光器,如光纤耦合输出的半导体激光器等。需要根据激光器的特点分析其远场分布特性,研究高功率激光器阵列的光束变换技术和激光器阵列准直的微透镜结构。此外,由于热功耗引起的半导体激光器有源区的温升会使激光器转换效率下降,阈值电流上升,输出功率减小,激光波长漂移,甚至会彻底毁坏激光器,因此需要对大功率激光器进行温度控制,特别是针对空间应用的特殊环境,研究空间激光器的散热方式。同时为在能量接收端获得高功率密度、高质量激光光束,需要对大功率激光整形、准直技术进行研究,引入自适应光学技术,对大气闪烁、波前畸变等进行补偿。

(3)天线波束控制技术

在空间无线能量传输系统中,收发天线实现功率波束在空间的定向传输,一般情况下天线波束窄、传输的功率大,因此对波束的控制提出了较高的需求。如果发射天线或者接收整流天线的位置发生了变化,就会影响整个系统链路的传输效率。由于波束覆盖范围有限,为了提高能量的传输效率,整流天线需要覆盖发射天线的主瓣范围内。但是由于重量和尺寸的限制,接收端的整流天线的尺度不能过大。当发射天线发生小幅度的移动或者转动时,电磁波辐射的主瓣可能会偏离整流天线的范围,从而导致系统效率的下降。为了使电磁能量能够尽可能集中的发射到接收端,同时尽量减小接收天线的尺寸,能量传输系统必须有效地控制波束形状,使之能够达到集中辐射的目的。无线能量传输技术研究过程中,需要同时开展波束控制技术研究,在接收端整流天线上增加一个可以将入射微波波束沿原路径返回的天线阵列。发射端通过接收被传回的电磁信号,根据幅度的大小判断主瓣是否与接收天线对准,从而可实现较高的传输效率。通过软件控制的逆向波束技术,改变发射天线的波束方向,使发射波束能精确跟踪接收整流天线的位置,从而保持较高的传输效率,波束控制过程示意如图7所示。

  

图7 天线波束控制示意图

 

Fig.7 Main component of the antenna beam controller

3 结束语

空间立体网络无线能量传输技术可为分布式可重构卫星系统提供先进灵活的天基能量平台,为分布式可重构卫星系统的未来应用提供有效的技术支撑,同时可广泛应用于空间太阳能电站、深空探测等多种领域,具有广泛的应用前景,一旦投入使用将带来巨额的商业效益。目前国内外已经开展了相应的研究工作,搭建了部分演示验证平台,并取得了阶段性成果且技术指标良好,但距离工程化实施还有一定的距离,需要开展更加深入的工作完成系统关键技术研究,在长距离、高功率、高效率、多模式等关键内容以及在轨应用工程化实施等方面进一步开展相关技术研究。

参考文献

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马海虹,杨亚宁,张睿奇,赵宝军,戚楠
《空间电子技术》 2018年第02期
《空间电子技术》2018年第02期文献

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