空间太阳能电站的激光无线能量传输技术研究

以空间太阳能电站为研究背景,通过对大功率激光发射、高效激光能量接收、高功率激光光束控制等关键技术的研究,提出了一种可用于空间太阳能电站的激光无线能量传输系统,可为未来空间太阳能电站的建设和应用提供技术支撑和方法储备,同时也可为我国空间科学研究及新能源应用提出了一种安全、高效、先进的技术手段。     

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。     

空间激光通信调制技术的研究进展

空间激光通信系统具有传输速率高、体积小、质量轻、功耗低等特点，适用于卫星高速数据传输。激光通信调制技术作为空间激光通信系统的一项关键技术，是影响系统通信性能的主要因素之一。首先，介绍空间激光通信调制技术的原理及其分类，并对其优缺点做比较分析，再对激光调制的关键技术进行阐述；然后，从发展阶段与应用环境角度对国内外已报道的空间激光通信调制技术研究进展进行总结；最后，对空间激光通信调制技术的发展趋势进行展望。     

975 nm光纤耦合半导体激光器传能技术

针对激光传能技术的光电转换系统，采用40 W的975 nm光纤耦合半导体激光器作为激光源，多晶硅材料作为光电池接收，测试了不同激光功率下的光电转换效率，通过调整调整光电池阵列接收端与激光光纤输出端的距离为0.4 m和0.8 m，测试了其光电转换效率变化。研究表明，随着激光功率增加，光电转换效率在一定范围波动，得到最大光电转换效率为9.98%。研究还表明，光电池板温度是影响多晶硅电池光电转换效率的重要因素，电池板的温控管理是提高光电转换效率的方式。多晶硅材料光电池在激光传能的应用，对激光传能技术推广具有一定价值。     

空间激光通信网络中的全光数据合路技术研究

针对空间激光通信网络接入节点多路激光链路传输需求，基于高非线性光纤中四波混频参量效应，并结合色散控制，开展全光合路处理技术研究。采用VPI 10.0模拟平台构建了时间透镜全光合路系统，验证了4路速率为10 Gbps的差分相移键控DPSK（Differential Phase Shift Keying）信号光以及通断键控调制OOK（On-Off Keying）和DPSK混合制式信号光的全光合路可行性，并对全光合路技术实现中色散、光功率等关键参数对系统性能的影响进行了分析，为实际系统的设计和应用提供数据支撑。所提出的全光合路技术具有数据处理带宽大、通信制式兼容且系统复杂度低等优点，可有效降低空间激光通信网络的资源需求与载荷成本，为下一代空间激光骨干网的发展与全面应用提供有效技术支撑。     

滤波天线技术在微波能量传输中的应用研究

微波无线能量传输摆脱了传统能量传输的电缆限制，可以满足多个领域的应用需求，整流天线是完成微波-直流能量转换的重要装置。目前常规整流天线中存在的滤波器、阻抗匹配网络等损耗及常规微带天线的窄带特性，使得其效率及带宽等特性存在可提升的空间。文章在回顾滤波天线及整流天线的发展现状的基础上，提出将滤波天线的概念与整流电路相结合，开展滤波整流天线技术研究。将天线单元作为滤波器电路理论中的谐振单元开展滤波整流天线建模和分析理论研究，设计具有辐射、滤波、复数阻抗匹配等功能的天线及阵列结构，有望突破整流天线高效集成的技术难点，为微波无线能量传输效率提升提供技术基础。     

激光无线能量传输接收装置研究

通过对激光无线能量传输过程中影响接收装置效率的因素进行分析,结合光电池最优布局和最大功率跟踪技术,提出一种高转换效率的激光无线能量传输接收装置,实现接收装置转换效率不受负载阻抗的影响,研制出转换效率高达29.6%的激光无线能量接收装置。     

利用等离子体通道实现空间太阳能无线能量传输

空间太阳能电站是高效利用太阳能的有效途径,受到了国际的广泛关注。空间无线能量传输技术是空间太阳能电站的关键技术之一。文章首先分析了微波与激光无线能量传输技术的问题,根据空间太阳能传输的具体需求进一步提出基于等离子体通道的无线能量传输技术,并对基于此项技术的空间太阳能传输系统进行了论证,完善并发展了空间太阳能传输模型。基于等离子体通道的无线能量传输技术为多个领域的能量补给提供了新颖的技术途径,是具有广阔应用前景的战略选择。     

激光驱动接力移除空间碎片的小卫星星座及可行性研究

在众多空间碎片移除技术中，天基激光烧蚀驱动是一种高效的、有广阔应用前景的移除技术，特别是针对移除海量的、尺寸在1~10 cm的危险碎片而言，更是具有独特优势。然而，这一技术对高能激光器单脉冲能量、光束质量、发射镜口径等要求很高，目前的硬件水平还达不到实用指标要求，制约了其天基应用。为了克服这些硬件技术障碍，本文另辟蹊径，利用小卫星概念，提出了由不同轨道高度小卫星平台组成小卫星星座，通过在每个小卫星平台上的激光驱动接力来逐步降低碎片轨道高度，最终达到移除空间碎片的小卫星接力移除星座的构想。基于现有的激光器性能参数，根据激光烧蚀驱动碎片动力学模型计算了单个卫星平台的移除能力，结果显示，10 J单脉冲能量激光器和0.5 m直径发射镜，能够对20 km范围内、尺寸小于10 cm碎片进行有效驱动。进而，针对空间碎片密集度高而应用最广的800 km轨道高度区域，设计了由分布在不同轨道高度的30颗小卫星组成接力驱动移除星座系统方案，通过仿真模拟计算验证了星座系统的移除碎片的可行性。该研究利用目前热门的小卫星星座，降低了天基激光移除空间碎片技术对硬件的性能要求，为该技术的应用提供了新的思路和途径，所提出的小卫星接力驱动星座系统方案也有工程参考价值。     

空间核反应堆电源研究进展

随着航空航天领域对能源需求的不断扩大,核能的空间应用迎来了新的发展高潮。本文针对空间核反应堆技术的发展现状进行综述,重点关注了空间核反应堆与静态能量转换、动态能量转换技术结合供电的研究进展,总结分析了空间核反应堆电源技术的发展特点,并指出未来发展中需要重点关注的内容,为未来空间核反应堆电源的发展提供指导。     

星载激光遥感技术的发展及应用

文章简要介绍了星载激光遥感的技术原理与特性,并对几种星载激光雷达在大气探测、星体测绘、冰盖监测及全球高分辨率测绘等领域的应用做了介绍,最后分析了中国发展星载激光遥感现阶段的已有基础及对未来的发展展望。     

空间激光通信组网光端机技术研究

随着高分辨率观测技术的发展和高数据率信息传输的迫切需求,研究高速率激光通信的全光网络迫在眉睫。文章介绍了空间激光通信技术的优点及发展趋势,提出了可用于激光通信组网的几种光端机光学原理及系统方案,分析了多反射镜拼接形式光端机的APT控制模型,为空间激光通信链路组网提供了新的技术途径。     

ICAN: A novel laser architecture for space debris removal

The development of a fiber based laser architecture will enable novel applications in environments which have hitherto been impossible due to size, efficiency and power of traditional systems. Such a new architecture has been developed by the International Coherent Amplification Network (ICAN) project. Here we present an analysis of utilizing an ICAN laser for the purpose of tracking and de-orbiting hyper-velocity space debris. With an increasing number of new debris from collisions of active, derelict and new payloads in orbit, there is a growing danger of runaway debris impacts. Due to its compactness and efficiency, it is shown that space-based operation would be possible. For different design parameters such as fiber array size, it is shown that the kHz repetition rate and kW average power of ICAN would be sufficient to de-orbit small 1–10 cm debris within a single instance via laser ablation.     

空间激光通信系统中的信道纠错编码技术

由于空间激光通信系统的信道状态和链路捕获跟踪的不确定性,多种形式的信道纠错编码技术正被广泛发展研究。结合空间激光通信链路中误码性能的主要影响因素,分别选择合适的编码方案进行分析。通过仿真实验可知,对于在大气结构参数为1.5×10~(-14) m~(-2/3)、风速为20 m/s的空地激光链路的环境下,在系统数据速率为2 Gbit/s、要求误码率为10~(-6)时,LDPC码结合交织码相对未编码系统有3 dB的等效编码增益,LT码相对未编码系统有3.8 dB的等效编码增益。提供了一种能快速生成、扩展和校验的编码和交织实现方法,以抵抗大气湍流的快速变化对系统性能产生的影响。     

L׳ADROIT – A spaceborne ultraviolet laser system for space debris clearing

Small (1–10 cm) debris in low Earth orbit (LEO) are extremely dangerous, because they spread the breakup cascade. Pulsed laser active debris removal using laser ablation jets on target is the most cost-effective way to re-enter the small debris. No other solutions address the whole problem of large (~100 cm, 1 t) as well as small debris. Physical removal of small debris (by nets, tethers and so on) is uneconomical because of the energy cost of matching orbits. In this paper, we present a completely new proposal relative to our earlier work. This new approach uses rapid, head-on interaction in 10–40 s rather than 4 minutes, using 20–40 kW bursts of 100 ps, 355 nm UV pulses from a 1.5 m diameter aperture on a space-based station in LEO. The station employs “heat-capacity” laser mode with low duty cycle to create an adaptable, robust, dual-mode system which can lower or raise large derelict objects into less dangerous orbits, as well as clear out the small debris in a 400-km thick LEO band. Time-average laser optical power is less than 15 kW. The combination of short pulses and UV wavelength gives lower required fluence on target as well as higher momentum coupling coefficient. An orbiting system can have short range because of high interaction rate deriving from its velocity through the debris field. This leads to much smaller mirrors and lower average power than the ground-based systems we have considered previously. Our system also permits strong defense of specific assets. Analysis gives an estimated cost less than $1 k each to re-enter most small debris in a few months, and about 280 k$ each to raise or lower 1-ton objects by 40 km. We believe it can do this for 2000 such large objects in about four years. Laser ablation is one of the few interactions in nature that propel a distant object without any significant reaction on the source.     

空间技术实验与空间技术发展

空间技术实验是空间技术发展的需要,是空间技术发展的先驱和阶梯。本文以美国、苏联、印度、巴西为例说明空间技术实验在过去和未来对空间技术发展的必要性和迫切性。文中研究了90年代世界空间技术实验的发展趋势和具体项目,探讨了我国空间技术实验的现状。     

Agronomy in space – China’s crop breeding program

Using the US-coined concept of space industrialization and reflecting the ongoing creation of a space economy, this paper maintains that China’s 20-odd years of practice and achievement in crop breeding in space should be seen as an integral part of any space economy. The paper analyzes the Chinese government’s space breeding policies, its support for it via financial allocation, and the relevant programs, and highlights the key achievements so far achieved in the sector. In conclusion, it outlines the main hurdles to crop breeding in space but looks forward to a bright future for this activity.     

空间激光通信系统光斑小目标跟踪算法研究

在空间激光通信链路中，大气湍流、结构设计误差、平台扰动等因素为链路的精确对准和精密跟踪带来了困难。为提高激光链路的跟踪精度，首先对光斑跟踪过程中的影响因素进行研究分析，继而对跟踪算法做出改进。针对跟踪目标特性，设计了一种自适应模板目标相关跟踪算法，并搭建了基于粗精复合轴跟踪系统的实验平台，开展了实验验证。结果表明：与当前常用跟踪算法相比，该设计处理速度可达 1 kfps，目标跟踪位置与真实位置基本重合，目标跟踪准确率高于98%，在处理速度、跟踪准确率与算法鲁棒性上均有较大提升，具有一定的实用性。