從為單一設備“精准投喂”，到為一群移動目標“雨露均沾”，中國的“逐日工程”邁出關鍵一步。
　　
近日，中國工程院院士、西安電子科技大學教授段寶岩率領團隊自主研製的一對多動目標微波無線傳能地面驗證系統取得重大突破，在百米級距離實現了千瓦級的直流輸出功率，直流—直流傳輸效率達到20.8%，波束收集效率高達88.0%。
　　
這項瞄準太空的“大國重器”如何工作？未來能給我們帶來什麼？
　　
第一問：太空“大鍋”和手機無線充電原理一樣嗎？
　　
“逐日工程”是西安電子科技大學牽頭論證的空間太陽能電站專案，其核心技術方案正是段寶岩院士團隊提出的“歐米伽”方案。形象地說，它像一口懸在太空中的“大鍋”。這口“大鍋”由聚光鏡和位於中央的光伏電池陣組成，負責收集太陽光並轉化為電能，再通過發射天線將電能以微波形式傳回地面。
　　
那麼，它和手機無線充電是同一個原理嗎？“原理不盡相同，技術難度更是不可同日而語。一個是‘隔空充電’，一個是‘天地傳輸’，差了百萬倍。”西安電子科技大學機電工程學院副教授錢思浩解釋，手機無線充電依託電磁感應實現，傳輸距離只有幾釐米；而空間太陽能電站採用微波輻射傳能，距離是幾百公里甚至上萬公里。
　　
段寶岩曾比喻，空間太陽能電站就是軌道中的“太空充電樁”，只不過這個“充電樁”不是插頭對接口，而是用微波波束“照”著目標供電。
　　
第二問：設備如何“減肥”又“分身”？
　　
公開消息稱，團隊在“發射與接收天線集成化、小型化與輕量化上取得關鍵進展，為設備的太空部署奠定了基礎”。這關乎一個核心問題——如何把笨重的地面設備“瘦身”後送上天？
　　
“地面驗證系統有75米高的支撐塔，但上天的設備必須輕、必須小。”錢思浩說，團隊通過一體化集成設計，將多個功能模組壓縮到更小的空間內，同時大幅減輕重量，這才有可能將其用火箭發射到太空。
　　
至於“分佈式”設計，西安電子科技大學機電工程學院教授李勳解釋：“最早我們設想的是一個巨大的球面聚光鏡，但一旦被太空碎片擊中，整個系統就可能報廢。”
　　
現在改為“分佈式”——即把一個大系統拆成若干個小模組，採用編隊飛行模式。“即使個別模組壞了，也不影響整體性能，可靠性大大提高。同時，分佈式設計還能降低電壓，避免太空高壓放電的風險。”李勳說。
　　
第三問：“一對多”難在哪，效率幾何？
　　
2022年，當段寶岩帶領團隊研製的世界首個全鏈路全系統空間太陽能電站地面驗證系統通過驗收時，系統實現的還是一對一的微波功率無線傳輸。僅僅幾年後，團隊便實現了從“單目標”到“多目標”的跨越。
　　
“從‘一對一’到‘一對多’，是全方位的系統級技術提升。”錢思浩介紹道。在一對一模式下，接收天線是靜止的，而一旦目標變成動態的多個，便意味著發射天線必須在接收天線運動過程中，能量波束需即時精准指向每一個移動目標。
　　
實驗初期，目標丟失、波束打偏是家常便飯。“通信延遲導致數據跟不上，接收天線明明在這個點，我們的波束卻打到了那個點上。”錢思浩回憶說。
　　
團隊為此開發了基於反向波束導引的精確閉環控制系統。李勳打了個比方：“哪個設備‘喊餓’了，系統自己會發射一個導引信號。發射端接到信號，就能即時解算出設備的相對角度，然後把能量精准地‘扔’過去。”這一技術使得系統能為多個移動目標供電，有效避免了能量爭搶。數據顯示，在時速30公里、距離30米條件下，無人機微波無線傳能已實現143瓦穩定接收。
　　
那麼，遠程充電損耗有多大？20.8%和88.0%這兩個數字就是答案。“從1.0版本的15%左右，提升到2.0版本的20.8%，每提高一個百分點，背後都要付出巨大的努力。”錢思浩說。
　　
李勳補充道，效率提升靠兩招。一是“打得准”：團隊通過波形優化與高精度波束指向控制，將波束收集效率做到了88.0%，這意味著發射出去的微波，絕大部分都被接收天線準確捕獲，沒有“跑偏”浪費掉。二是“接得住”：1.0時代，他們採用的是矽基二極體，一旦波束照偏，接收面上的二極體就會成片成片地燒壞，他們經常通宵排查問題。“現在我們採用了氮化鎵二極體，它能承受超寬的功率帶寬，大功率、小功率都不怕，效率還高。”李勳說。
　　
5月6日，在陝西省技術轉移中心組織的成果評價會上，專家組一致認為，專案成果總體達到國際領先水準。“我們是全球唯一一個跑通‘收集陽光—光電轉換—微波發射—空間傳輸—整流輸出’全鏈路的國家。”李勳說。
　　
第四問：上天還要多久，如何改變生活？
　　
地面驗證成功，只是萬里長征第一步。團隊坦言，在36000公里外的同步軌道上部署真正的空間太陽能電站，至少還有三道“難關”。
　　
器件的“太空生存”問題是首道難關。“地面上用的器件，直接拿上去恐怕不行。”錢思浩說，太空的高輻射、極端溫差等環境對電子元器件是巨大考驗。
　　
距離跨越是第二道難關。錢思浩說：“這麼遠的距離，波束發散角稍微大一點，到了地面可能就是幾十公里見方的一片，根本收不到。”如何實現超遠距離的精准聚焦，是亟待突破的技術難題。
　　
第三道難關是對高速運動目標的精准控制。無論是低軌衛星還是空間站，都在以每秒數公里的速度飛行。“如果我們沒有精確的控制能力，很可能就是‘擦肩而過’。”錢思浩說。
　　
那麼，這項技術何時能點亮普通人的生活？
　　
“很多中小型衛星依賴自身攜帶的太陽帆板供電，一旦飛到地球陰影區就沒電了。”錢思浩說。有了“太空充電站”，衛星隨時補能，我們有望享受到更穩定的手機信號、更精准的定位服務。
　　
目前，團隊正在積極對接應急供電、無人機及特種機器人微波無線供電等應用場景。
　　
西安電子科技大學機電工程學院副院長段學超說：“災區通信中斷、電力癱瘓，臨時架設供電設施又慢又貴。未來，通過遠距離微波無線傳能技術，就能給災區的應急設備無線供電。”他舉例說，擦玻璃幕牆的機器人，現在拖著一根長長的電纜，既危險又麻煩。將來用微波一照，它就能邊工作邊充電。

來源：科技日報