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美国空军研究实验室将研发一种太阳能电池板,可为美国陆军的地表行动提供电力
2021-09-26

[C4ISRNET网站2021925日报道]  美国很难将电力提供前方作战基地。

美国军事前哨需要大量电力,可这些前哨的位置通常都处于电力供应不顺畅的地方。在偏远地区设立工厂时,美国陆军每次都无法准确地建造太阳能电池阵列;除此之外,化石燃料价格昂贵且很难运输到指定地点。

美国陆军需要的是一种在有限的基础设施条件下便可在地球任意一个地方开发利用的能源。美国空军研究实验室则想出了一个解决方案:一组安装在卫星上的太阳能电池阵列,其可在轨道上收集能量并将其传送到地表。如此以来,在地球上的任何地方,地面服务人员的移动设备都将能够使用该种能源,为整个前沿作战基地供电或仅用于无线电充电。

这听起来像是科幻小说中的情节,非常的不可思议。但美国空军研究实验室的工程师们却表示,这个解决方案是有可能实现的,且他们正努力最早于2024 年就能够进行有关的技术演示。

这项提案被称为“太空太阳能增量示范及研究”。

“太空太阳能增量示范及研究”总工程师曼迪·索夫表示:“‘太空太阳能增量示范及研究’是一种技术开发组合。我们最终的目标是实现太阳能到射频的电力传输——我们从太空收集的太阳能来获取能量,在轨道上将其转换为射频,然后再将其发射到地面,然后通过整流天线将其转换为电力。”

美国空军研究实验室认为这个方案是可以实现的,只是需要一定的时间而已。“太空太阳能增量示范及研究”采用渐进式方法,让概念系统的几个技术元素成熟起来,并会进行三个示范项目。旗舰项目为“阿拉克涅”(取名自希腊神话中第一个变成蜘蛛的女人的名字),该项目将包括 2025 年的在轨演示。

“太空太阳能增量示范及研究”的主要承包商是诺斯洛普·格鲁门公司。该公司获得了价值 1 亿美元的合同,其主要侧重点为实现太阳能到射频的转换。曼迪·索夫表示,美国空军研究实验室还在与其他公司合作研发高效太阳能电池以及可部署太空架构等。

曼迪·索夫表示,一部分的有关技术现已成熟,但它们的尺寸还得更小才行。其实,小型化是实现“太空太阳能增量示范及研究”所面对的主要挑战之一。该系统在太空中的最终尺寸仍在讨论中;不过,在很大程度上,这取决于美国空军研究实验室能够将各种组件小型化的程度及其可将整个结构压缩成发射有效载荷的程度。目前来说,对于太空任务而言,现有的一些可用技术太重了,因此美国空军研究实验室工作的大部分重心都在于重新设计这些解决方案以减少有关技术的质量以及尺寸。

如此以来,从太阳收集能量这一方案中的重中之重就是:太阳能电池板。虽然有关技术一直处于改进中,不过太阳能电池板的表面积与其提供的电力之间通常存在着一定的相关性。倘如要为小型交通信号灯供电,也许 1 平方英尺的太阳能电池板就足矣。而太空太阳能增量示范及研究”将需要比这更多的电力以及太阳能电池板。

曼迪·索夫表示:“在太阳能到射频的转换方面,太阳能面板越大越好,所以我们投入的资金以及技术越多就越好。”

“太空太阳能增量示范及研究”通信官雷切尔·德莱尼表示,根据美国空军研究实验室进行的一项研究,该实验室的目标是能够产生 1,000 千瓦的电力——这足以运行一个前沿作战基地。就此而言,GPS III 卫星拥有四个卫星阵列,分布在其48英尺的翼展上,共产生约 4,500瓦的功率。“太空太阳能增量示范及研究”将要扩大太阳能电池板的效率及其阵列的表面积,以达到工程师们的目标电力值。

为了实现这一目标,美国空军研究实验室想要采用可折叠的太阳能电池板,这些太阳能电池板可以压缩成相对较小的有效载荷进行发射,然后在轨道上就位后展开。对于卫星来说,这种方法挺寻常的,但对于“太空太阳能增量示范及研究”中的太阳能电池阵列的规模来说,这方法应该是新奇的。

近期,美国空军研究实验室在新墨西哥州的柯特兰空军基地建立了一个新的可部署结构实验室,该实验室不仅将帮助有关工程师研发足以产生 1,000kW 的太阳能电池阵列,还能有效地缩回以便进行发射。该实验室有足够的空间让相关团队在抵消地球重力的同时部署完整的太阳能电池阵列,帮助这些团队模拟卫星在零重力空间环境中运行的情况。如此以来,美国空军研究实验室就能够采用更轻、体积更小的材料(这些材料在地球引力下可能无法使用,但在轨道上则可采用)来建造整颗卫星。

节省空间的一个重要的创新设计——由美国空军研究实验室设计的一种新型“夹心板”,它既可以收集太阳能,又可以将其转换为射频。

曼迪·索夫表示:“一侧收集太阳能,另一侧则将太阳能转换成射频,转换的过程就发生在两侧之间。此外,我们也的确在努力让这种‘夹心板’的厚度变薄、质量更轻。”

在地表上采用的是整流天线,它将接收来自太空的射频信号并将其转换成可用功率。曼迪·索夫还表示,这项技术非常灵活。尺寸更大的整流天线可以安装在前方作战基地的每座建筑上,提供自太空获得的持续能源。不过,其也可在更小的范围内使用。也许可以在士兵的帐篷中安装一个较小的整流天线,让他们在野外时可以为收音机以及其他电子设备充电。 美国空军研究实验室甚至还考虑了一种简单的伞状设计,方便携带至野外——只需将其展开,就有电力。

倘若有合适的设备,那么处于光束路径上的任何人员都无需用到电线便可获得电力。且光束覆盖的范围也很广泛。设备的最终尺寸将取决于美国空军研究实验室研制而出的最终产品;不过,目前,有关工程师希望只需要用到一颗卫星,光束的覆盖范围就能够达到数十公里。美国空军研究实验室想要让整个卫星群都由 12 颗称为“星河号”的卫星组成,让它们在中地球轨道上向地球上的任何位置传输电力。

此外,美国空军研究实验室还与正在开展类似项目的美国海军研究实验室进行合作。20205月,美国海军研究实验室将其自己的示范项目成果——光伏射频天线模块——随着隐蔽的 X-37B 太空飞机进入太空。目前,光伏射频天线模块正在对由美国海军研发的太阳能到射频转换面板进行测试。

美国空军研究实验室自己的示范项目“阿拉克涅”会将射频发射至另一个位置来更进一步实现太阳能到射频的转换。其将在太空中测试诺斯罗普·格鲁曼公司的第一个“夹心板”。第一个太阳能板预计将于 2024 财年交付,并于当年晚些时候或 2025 年初进行发射。(国家工业信息安全发展研究中心  朱航琪)


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