太空“无线充电站”离我们还有多远

　　从为单一设备“精准投喂”，到为一群移动目标“雨露均沾”，我国的“逐日工程”迈出关键一步。

　　近日，中国工程院院士、西安电子科技大学教授段宝岩率领团队自主研制的一对多动目标微波无线传能地面验证系统取得重大突破，在百米级距离实现了千瓦级的直流输出功率，直流—直流传输效率达到20.8%，波束收集效率高达88.0%。

　　这项瞄准太空的“大国重器”如何工作？未来能给我们带来什么？

　　第一问：太空“大锅”和手机无线充电原理一样吗？

　　“逐日工程”是西安电子科技大学牵头论证的空间太阳能电站项目，其核心技术方案正是段宝岩院士团队提出的“欧米伽”方案。形象地说，它像一口悬在太空中的“大锅”。这口“大锅”由聚光镜和位于中央的光伏电池阵组成，负责收集太阳光并转化为电能，再通过发射天线将电能以微波形式传回地面。

　　那么，它和手机无线充电是同一个原理吗？“原理不尽相同，技术难度更是不可同日而语。一个是‘隔空充电’，一个是‘天地传输’，差了百万倍。”西安电子科技大学机电工程学院副教授钱思浩解释，手机无线充电依托电磁感应实现，传输距离只有几厘米；而空间太阳能电站采用微波辐射传能，距离是几百公里甚至上万公里。

　　段宝岩曾比喻，空间太阳能电站就是轨道中的“太空充电桩”，只不过这个“充电桩”不是插头对接口，而是用微波波束“照”着目标供电。

　　第二问：设备如何“减肥”又“分身”？

　　公开消息称，团队在“发射与接收天线集成化、小型化与轻量化上取得关键进展，为设备的太空部署奠定了基础”。这关乎一个核心问题——如何把笨重的地面设备“瘦身”后送上天？

　　“地面验证系统有75米高的支撑塔，但上天的设备必须轻、必须小。”钱思浩说，团队通过一体化集成设计，将多个功能模块压缩到更小的空间内，同时大幅减轻重量，这才有可能将其用火箭发射到太空。

　　至于“分布式”设计，西安电子科技大学机电工程学院教授李勋解释：“最早我们设想的是一个巨大的球面聚光镜，但一旦被太空碎片击中，整个系统就可能报废。”

　　现在改为“分布式”——即把一个大系统拆成若干个小模块，采用编队飞行模式。“即使个别模块坏了，也不影响整体性能，可靠性大大提高。同时，分布式设计还能降低电压，避免太空高压放电的风险。”李勋说。

　　第三问：“一对多”难在哪，效率几何？

　　2022年，当段宝岩带领团队研制的世界首个全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统通过验收时，系统实现的还是一对一的微波功率无线传输。仅仅几年后，团队便实现了从“单目标”到“多目标”的跨越。

　　“从‘一对一’到‘一对多’，是全方位的系统级技术提升。”钱思浩介绍道。在一对一模式下，接收天线是静止的，而一旦目标变成动态的多个，便意味着发射天线必须在接收天线运动过程中，能量波束需实时精准指向每一个移动目标。

　　实验初期，目标丢失、波束打偏是家常便饭。“通信延迟导致数据跟不上，接收天线明明在这个点，我们的波束却打到了那个点上。”钱思浩回忆说。

　　团队为此开发了基于反向波束导引的精确闭环控制系统。李勋打了个比方：“哪个设备‘喊饿’了，系统自己会发射一个导引信号。发射端接到信号，就能实时解算出设备的相对角度，然后把能量精准地‘扔’过去。”这一技术使得系统能为多个移动目标供电，有效避免了能量争抢。数据显示，在时速30公里、距离30米条件下，无人机微波无线传能已实现143瓦稳定接收。

　　那么，远程充电损耗有多大？20.8%和88.0%这两个数字就是答案。“从1.0版本的15%左右，提升到2.0版本的20.8%，每提高一个百分点，背后都要付出巨大的努力。”钱思浩说。

　　李勋补充道，效率提升靠两招。一是“打得准”：团队通过波形优化与高精度波束指向控制，将波束收集效率做到了88.0%，这意味着发射出去的微波，绝大部分都被接收天线准确捕获，没有“跑偏”浪费掉。二是“接得住”：1.0时代，他们采用的是硅基二极管，一旦波束照偏，接收面上的二极管就会成片成片地烧坏，他们经常通宵排查问题。“现在我们采用了氮化镓二极管，它能承受超宽的功率带宽，大功率、小功率都不怕，效率还高。”李勋说。

　　5月6日，在陕西省技术转移中心组织的成果评价会上，专家组一致认为，项目成果总体达到国际领先水平。“我们是全球唯一一个跑通‘收集阳光—光电转换—微波发射—空间传输—整流输出’全链路的国家。”李勋说。

　　第四问：上天还要多久，如何改变生活？

　　地面验证成功，只是万里长征第一步。团队坦言，在36000公里外的同步轨道上部署真正的空间太阳能电站，至少还有三道“难关”。

　　器件的“太空生存”问题是首道难关。“地面上用的器件，直接拿上去恐怕不行。”钱思浩说，太空的高辐射、极端温差等环境对电子元器件是巨大考验。

　　距离跨越是第二道难关。钱思浩说：“这么远的距离，波束发散角稍微大一点，到了地面可能就是几十公里见方的一片，根本收不到。”如何实现超远距离的精准聚焦，是亟待突破的技术难题。

　　第三道难关是对高速运动目标的精准控制。无论是低轨卫星还是空间站，都在以每秒数公里的速度飞行。“如果我们没有精确的控制能力，很可能就是‘擦肩而过’。”钱思浩说。

　　那么，这项技术何时能点亮普通人的生活？

　　“很多中小型卫星依赖自身携带的太阳帆板供电，一旦飞到地球阴影区就没电了。”钱思浩说。有了“太空充电站”，卫星随时补能，我们有望享受到更稳定的手机信号、更精准的定位服务。

　　目前，团队正在积极对接应急供电、无人机及特种机器人微波无线供电等应用场景。

　　西安电子科技大学机电工程学院副院长段学超说：“灾区通信中断、电力瘫痪，临时架设供电设施又慢又贵。未来，通过远距离微波无线传能技术，就能给灾区的应急设备无线供电。”他举例说，擦玻璃幕墙的机器人，现在拖着一根长长的电缆，既危险又麻烦。将来用微波一照，它就能边工作边充电。（记者 王禹涵）

来源：科技日报