模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS）方案，以降低远距离高压电力传输技术难度为核心，提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上，对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局，实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应，形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块，通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立，组装后即可单独工作，也提高了系统的可靠性。     

新型大尺度空间微波功率发射阵列的考虑

以空间太阳能电站为应用代表的微波功率传输系统中，微波功率发射阵列是其中的核心组成部分。为保证特定传输距离限制下的波束收集效率，目前国际上多种空间太阳能电站方案中收发天线口径都达到了km级以上。在空间构建大尺度的微波功率发射有源相控阵，面临的主要问题有：发射阵列电性能的高要求、发射阵列折叠状态的总体积限制、大功率发射阵列的热控问题。针对这些问题，文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列的一些研究及设计考虑，主要包括大尺度阵列同源分发倍频的频率分配方案；高效率高集成功率发射组件技术；大尺度阵列相位同步与误差自校正技术；低剖面天线结构及型面误差补偿技术；大型天线3D打印在轨建造方案设想以及空间微波功率发射阵列热控新思路等。文章提出了新型大尺度空间微波功率发射阵列3个方面的6个主要问题，可为空间太阳能电站系统提供可优化、开放性的设计与发展思路。     

空间大型载荷平台在轨构建技术探讨

针对以空间太阳能电站系统、超大面积SAR天线系统、大型在轨服务平台等为代表的巨型空间设施无法通过一次运载实现在轨构建的共性问题，通过对太空增材制造、可展开结构、可组装结构及单胞重复组装等四种大型结构在轨构建方法进行讨论和分析，归纳其优缺点，并提出一种包含单梁组装、单梁装填、单梁自动扩展、单梁截取、多梁组装、胞元填充等6个步骤的大型结构在轨构建新方案。研究结果表明，新方案可显著提高运载效率，提高在轨构建可靠性，此方法还可以用于超大型一维、二维、三维结构平台的在轨构建，为空间大型载荷平台的在轨建造提供参考。     

面向空间太阳能电站应用的超大规模天线阵列 模块尺寸与姿态偏差效应分析

空间太阳能电站微波能量传输需要具备超大规模的相控阵列波束形成和超高精度的波束指向控制能力。采用大尺寸的基本相控电单元能够缩减天线阵列规模和微波发射通道数目，从而显著降低微波能量发射系统的构造和组装成本。然而，相控单元的尺寸越大，对天线模块的结构刚性和姿态控制精度要求越高。基于天线阵列的结构化构型设计，提出超大规模回复反射阵列的结构模块和相控电单元的尺寸分析模型，推导得到结构模块姿态偏差、电单元尺寸要求和能量传输效率的近似关系及其解析表达式，可供作为空间太阳能电站微波传能天线阵列及其波束控制方案设计的参考依据。     

MW级SPS微波能量传输系统微波源相位误差的影响分析

以多旋转关节空间太阳能电站（SPS）为应用系统，介绍了MW级SPS微波能量传输系统顶层设计参数。针对微波功率源相位误差对微波能量传输的影响问题，建立了分析模型，提出分析方法，并从波束收集效率下降容限的角度，用一维模型对百米量级能量发射阵列进行了分析，据此给出了对大规模微波源相位误差的要求，为MW级SPS的微波能量传输系统设计提供指导。     

FY—1C卫星10通道扫描辐射计

详细介绍了用于FY 1C卫星的 10通道扫描辐射计系统性能、光学设计、电子学设计、辐射定标和主要元部件的指标性能以及卫星发射后的在轨测试结果。同时还与当前国际同类仪器的水平进行了比较     

多旋转关节空间太阳能电站概念方案设计

对于国际上典型的空间太阳能电站概念方案进行了分析,在此基础上提出了一种新的概念方案--多旋转关节空间太阳能电站,并给出总体构型和主要分系统初步方案设计结果。该方案采用多个相互独立的太阳电池子阵代替了传统的整体式太阳电池阵,以多个中等功率的导电旋转关节替代传统的极高功率的旋转关节,不仅解决了传统空间太阳能电站方案中的极大功率导电旋转关节技术难题,还可以避免导电关节的单点失效问题,模块化的设计也使得系统的组装和构建更加可行。     

微波功率传输的研究

主要介绍了激光功率传输（LPT）与微波功率传输（MPT）两种能量传输系统。同时，论述了两种能量传输系统的系统构成，并以空间太阳能电站为背景重点，阐述了微波式能量传输系统的工作原理与各分系统地效率计算方法。通过以上内容的分析与讨论，为广大读者系统的阐述了空间太阳能电站中微波能量传输系统中的关键技术与基本原理。     

空间太阳能电站高低压混合供电系统设计

在调研美国NASA空间太阳能电站(SPS)供配电相关方案的基础上,针对空间太阳能电站平台设备和有效载荷设备两种不同的供电特性要求,提出将高低压混合供电技术应用于空间太阳能电站的供电系统设计。该设计在满足高效对地供电传输要求的同时,能够确保航天器平台自身的稳定、可靠运行。文章介绍了高低压混合供电技术的原理和系统构成;针对系统高于目前在轨卫星6个数量级的超高压需求,分析了高压电缆和高压继电器研制的可行性,得出高压电缆的重点研究方向,即通过材料及结构优化来减小质量、增加散热、减小弯曲半径等,高压继电器的研究方向为研制高压混合继电器(EMPC)中适用于航天任务的高压固态功率管;调研分析了目前常用的空间等离子体被动防护技术和主动防护技术,通过比较,说明主动防护技术更适用于空间太阳能电站的超高压系统,可为我国建设超大功率空间太阳能电站提供技术参考。     

日本发射第4颗“情报收集卫星”

2007年2月24日，日本的情报收集雷达卫星-2用H-2A火箭发射升空。它将和已在轨的3颗间谍卫星组成体系，对地球上任何地点进行每天一次的拍照。雷达卫星运行在高400～600km的低轨道上，可自动发射电波，根据地面反射回来的信号合成黑自图像，分辨率南北方向为1m，东西方向为3m。一同升空的还有一颗光学试验卫星，后者主要是为了验证日本正在开发的新一代光学卫星的性能。据悉，新一代光学卫星的地面分辨率将提高到0．4～0．6m，预计2009年发射，而新一代雷达卫星计划2011年升空。     

聚光式空间太阳能电源系统

介绍了聚光式太阳能电源系统的分类、原理及国外的研究与应用进展,分析了反射式与折射式空间太阳能聚光系统的优点与不足,指出了高精度太阳指向控制、耐环境薄膜材料、薄膜太阳电池、高密度热流热控等技术难点及需要解决的关键技术,对我国开展空间太阳能聚光系统技术研究提出了建议。     

采用单轴双太阳帆板空间站的一种姿态定向模式

采用单轴双帆板供电和单框架控制力矩陀螺(SGCMG)作为执行机构的倾斜轨道空间站,当太阳方向与轨道面夹角较大时,帆板的光照条件不易保证,为此本文针对这种类型的空间站设计了一种姿态定向模式以保证帆板的光照条件,并通过在阴影区姿态机动,利用重力梯度力矩对SGCMG进行卸载。仿真结果表明,该姿态定向模式满足太阳帆板的光照条件,重力梯度力矩卸载方法保证了SGCMG中的角动量不超出给定的范围。     

航天器大型网状天线透光性遮挡的精确计算方法

针对航天器太阳电池阵的设计和仿真中需要考虑大型网状天线造成的透光性遮挡的问题，提出一种精确计算透光性遮挡的方法。该方法以最小重复单元对金属网布进行三维建模，求取不同光照下金属网布透光率并存为表格；计算含金属网布构件造成的透光性遮挡图形时，用三角面片对构件进行三维建模，先计算出三角面片与入射光线的位置关系，查表得到该三角面片的透光率后将其投影区域的光照强度相应减少。径向肋天线算例表明，该方法快速准确，能正确生成透光性遮挡图形，为太阳电池阵仿真分析奠定了基础。     

Sandwich module prototype progress for space solar power

Space solar power (SSP) has been broadly defined as the collection of solar energy in space and its wireless transmission for use on earth. This approach potentially gives the benefit of provision of baseload power while avoiding the losses due to the day/night cycle and tropospheric effects that are associated with terrestrial solar power. Proponents have contended that the implementation of such systems could offer energy security, environmental, and technological advantages to those who would undertake their development. Among recent implementations commonly proposed for SSP, the modular symmetrical concentrator (MSC) and other modular concepts have received considerable attention. Each employs an array of modules for performing conversion of concentrated sunlight into microwaves or laser beams for transmission to earth. While prototypes of such modules have been designed and developed previously by several groups, none have been subjected to the challenging conditions inherent to the space environment and the possible solar concentration levels in which an array of modules might be required to operate. The research described herein details our team's efforts in the development of photovoltaic arrays, power electronics, microwave conversion electronics, and antennas for microwave-based “sandwich” module prototypes. The implementation status and testing results of the prototypes are reviewed.     

空间太阳电池阵的发展现状及趋势

从四方面分析了空间太阳电池阵的发展现状,包括体装式、带桨展开式、单板展开式、多板展开式、柔性多模块多维展开式等总体构型的发展历程,常用太阳电池片如硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片的材料与性能的发展现状,刚性基板结构、半刚性基板结构、柔性基板结构的发展与应用及五种展开机构的特点与空间应用分析,论述了空间太阳电池阵发展的制约因素,指出了聚光型柔性太阳电池阵是未来空间太阳电池阵发展的趋势,旨在促进空间太阳电池阵向着大尺寸、大功率、模块化、低成本和轻质量的方向发展,以适应大功率航天器的发展需求。     

空间对称型二次反射太阳能聚集系统能量传输特性

聚光光伏系统的聚光比和聚集太阳能流密度分布的均匀性是评价其性能的重要指标,基于几何光学原理,建立了对称型二次反射聚集系统的数学物理模型,理论分析了偏轴聚集器倾角、二次斜面倾角等聚光系统的结构参数对能流密度均匀性和聚光比的影响,提出了优势参数组合;并采用射线踪迹蒙特卡罗法(MCRTM)对太阳光的聚集传输过程进行模拟,分析了接收面的能流密度分布特性。结果表明,对称型二次反射聚集系统在偏轴抛物面倾角、二次斜面倾角以及接收面高度参数的适当组合之下,聚光比适中,能流分布均匀,适宜用于空间聚光光伏发电。     

Space solar arrays and concentrators

This paper presents some research activities conducted at the Centre Spatial de Liege (CSL) in the field of space solar arrays and concentration.With the new generation of high efficiency solar cells, solar concentration brings new insights for future high power spacecrafts. A trade-off study is presented in this paper. Two different trough concentrators, and a linear Fresnel lens concentrator are compared to rigid arrays. Thermal and optical behaviors are included in the analysis.Several technical aspects are discussed:

• Off-pointing with concentrators induces collection loss and illumination non uniformity, reducing the PV efficiency.

• Concentrator deployment increases the mission risk.

• Reflective trough concentrators are attractive and already proven. Coating is made of VDA (Aluminum). A comprehensive analysis of PV conversion increase with protected silver is presented.

• Solar concentration increases the heat load on solar cells, while the conversion efficiency is significantly decreasing at warm temperatures.

To conclude, this paper will point out the new trends and the key factors to be addressed for the next generation of solar generators.     

安全约束下的空间翻滚目标涡流消旋稳定控制

针对空间翻滚目标涡流消旋任务执行效率低和抵近安全无保证的问题，首先基于椭球包络法给出了服务星机动轨迹的直接线性凸化安全约束，以确保机动过程的安全性和最优轨迹跟踪问题的有限时间可解性；设计了垂直构型下空间消旋任务的抵近期望轨迹以增强服务星消旋力矩的作用强度，缩短任务周期。在此基础上，提出了一种反馈线性化的收缩模型预测控制(FLC MPC)算法，有效跟踪所提出的期望轨迹，并严格保证安全约束及控制输入约束下受控系统的稳定性。最后，利用所提出的控制方法对阿丽亚娜 4火箭上面级进行消旋仿真，结果表明该方法能有效提高消旋效率，并保证服务星的安全稳定。     

KFTA太阳模拟器灯单元的方案设计

在进行KFTA太阳模拟器的设计中,首次采用了氙灯水平点燃的灯单元设计方案。氙灯水平点燃既可以提高太阳模拟器的能量利用率,又降低了成本,节省了人力、物力,但同样也面临着许多新的问题：灯的选择、灯的稳弧、灯的水平调节机构以及灯的应力分析等。文章正是从以上各个方面阐述了KFTA太阳模拟器灯单元的设计思想及方法。     

Membrane-based space energy collector: A conceptual study

In this work the shape characteristics of a parabolic structure that consists of an initially flat circular membrane subject to solar radiation pressure in the space environment are examined. This problem arises in the analysis of space systems such as solar power collectors and solar sails. This paper presents parametric studies aimed at determining the power concentration capacity of a non-ideally reflecting flat circular membrane as a function of its radius size and thickness. The shape of the deformed membrane is close to parabolic. Both numerical simulations and analytical study show that the thin membrane subject solely to solar radiation pressure can concentrate the sunlight power several hundred times.