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。     

国际空间太阳能电站的技术进展

综述了当前国际空间太阳能电站技术的研究进展与发展趋势。重点介绍了空间太阳能电站系统方案新构思“太阳塔”和“太阳盘”的特点；介绍了空间太阳能电站的主要相关技术———无线电能传输技术、太阳能转换技术和空间运输技术等的发展趋势；最后简要介绍了月球电站的进展情况。     

缓冲气囊展开与缓冲着陆过程的仿真分析

文章基于显式有限元模型,采用控制体积法对缓冲气囊的展开及缓冲过程进行仿真分析。首先对单个球形气囊进行折叠展开过程模拟,之后依据NASA"猎户座"缓冲着陆器的缩比模型,建立了一个用以评估气囊着陆衰减系统的LS-DYNA有限元模型。分别研究了缓冲着陆器正碰和侧碰对缓冲气囊压力、着陆器的加速度和运动的影响。并与文献进行对比验证,计算结果表明数值模拟的正确性。     

无线输电技术与卫星太阳能电站的发展前景

文章简要叙述了无线输电和卫星太阳能电站的概念,特别强调了无线输电技术和建造卫星太阳能电站的科学技术意义和深远的战略意义;扼要介绍分析了国外在该领域的研究进展;概括叙述了建造卫星太阳能电站的技术经济性及科技界共同关心的几个问题;充分肯定了它的科学技术研究价值、应用前景和未来所带来的巨大的社会经济效益。     

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。     

EMC变形机理及在空间展开结构中的应用

形状记忆聚合物复合材料（EMC）作为一类新型功能材料,具有高极限应变、高比刚度和低密度等优点,在未来空间展开结构中极具应用潜力。首先介绍了EMC折叠变形机理及作为空间展开材料所具有的优缺点,在此基础上分析比较了现有屈曲理论模型在分析EMC折叠变形时存在的问题,然后介绍了用EMC设计展开结构目前国际上所取得的一些最新研究进展。由于EMC形状折叠和展开是通过热激励实现的,因此对EMC的热源系统设计也进行了专门分析。最后,对EMC用于空间展开结构亟待解决的问题和今后的一些研究方向进行了展望。
     

折叠方式对折叠翼气动及展开特性的影响

折叠方式对折叠翼的气动特性及展开特性有重要影响。对对称折叠、顺向折叠方式下折叠翼的气动特性及展开运动过程分别进行了数值模拟仿真和动力学仿真,比较了折叠方式对折叠翼气动特性、展开运动特性的影响,并分析其影响机制。计算结果表明,相对状态下,与对称折叠时相比,顺向折叠时,下折叠翼所受气动力减小,上折叠翼略有增大,导致负攻角情况下顺向折叠时,下折叠翼展开时间增加,展开同步性增强;正攻角情况下下折叠翼展开时间减小,展开同步性减弱。侧滑状态下,两种折叠方式下折叠翼展开时间基本相当,由于背风侧下折叠翼展开时间减小,导致顺向折叠时折叠翼展开的同步性有所减弱。同时,在小展开角度下,顺向折叠时全弹纵向静稳定性有所提高。     

SDI中的天基雷达

美国通用电气公司正在研究天基探测技术在战略防御计划(SDI)中的应用,重点是天基雷达的发射及接收电路以及信号和数据处理。本文介绍了天基雷达应具备的五个特点,即波束捷变、高分辨率、性能可靠、价钱便宜、识别目标能力强。文章中还提出了单片微波电路和雷达的设计方案。     

空间太阳能电站技术的可行性研究

简要介绍世界空间太阳能电站的太阳发电卫星／太阳能发电（ＳＰＳ／ＬＳＰ）系统两种设想及相关技术的可行性研究与发展情况。总体说，实现空间电站所需无线电能传输技术（ＷＰＴ）、太阳电池技术及空间技术已基本成熟，可望于下世纪初建立初步的空间太阳能发电系统。     

天基空间目标探测技术探讨

天基空间目标探测系统可以在太空中近距离地对空间目标进行监视、跟踪和识别,因而成为当前研究的热点。文章分析了国内外天基空间目标探测技术研究概况,对其发展趋势进行了探讨。     

充气展开式新型空间回收技术展望

文章介绍了可充气展开技术的概念及其发展情况 ,对基于此技术回收系统的设计进行了探讨 ,提出了在新型热防护材料基础上 ,将充气展开技术和展开控制等方法相结合 ,应用到回收系统中去的新思路 ,并就未来 10到 2 0年间充气展开技术在回收技术中的应用予以展望。     

IKAROS太阳帆的关键技术分析与启示

分析了国外太阳帆的发展现状,重点论述了世界上首次成功飞行的太阳帆——太阳辐射驱动星际风筝航天器（IKAROS）的总体设计、材料设计、空间展开和姿态控制等关键技术,以及中国开展太阳帆和空间大型展开结构的总体设计、空间展开、姿态控制、空间环境适应性等关键技术,提出了系统开展以太阳帆为代表的大型轻质展开结构研制与应用的建议。     

Study on Multi-Rotary Joints Space Power Satellite Concept

The Space Power Satellite(SPS) would be a huge spacecraft capturing the power of solar radiation in space and to supply electric power to the electric grid on the ground. The SPS concept was proposed by Dr. Peter Glaser in 1968. SPS have been studied now for exactly fifty years by many scientists in various countries. It has been regarded as one of the most promising energy projects of the future and has been attracting more attention in recent years. More and more Chinese scholars and experts are paying attention to the development of SPS. Due to the huge size, immense mass and high power of such a satellite system, there are many technical difficulties which exist to realize SPS. In this paper, recent SPS research and development activities are reviewed first. Various SPS concepts are analyzed and compared. The primary scheme of the Multi-Rotary joint SPS(MR-SPS) is described. The main feature is that the huge solar array comprising many separate small solar sub-arrays and each solar sub-array has two middle power rotary joints. So, the most challenging technology, the high-power rotary joint, is simplified by using many middlepower rotary joints hence the possibility of a single-point failure of a single rotary joint is avoided. This enables easy assembly of the modular solar arrays. Finally some key technologies of MR-SPS are analyzed.     

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。     

European Sail Tower SPS concept

Based on a DLR-study in 1998/99 on behalf of ESA/ESTEC called “System Concepts, Architectures and Technologies for Space Exploration and Utilization (SE&U)” a new design for an Earth-orbiting Solar Power Satellite (SPS) has been developed. The design is called “European Sail Tower SPS” and consists mainly of deployable sail-like structures derived from the ongoing DLR/ESA solar sail technology development activity. Such a SPS satellite features an extremely light-weight and large tower-like orbital system and could supply Europe with significant amounts of electrical power generated by photovoltaic cells and subsequently transmitted to Earth via microwaves. In order to build up the sail tower, 60 units - each consisting of a pair of square-shaped sails - are moved from LEO to GEO with electric propulsion and successively assembled in GEO robotically on a central strut. Each single sail has dimensions of 150m × 150 m and is automatically deployed, using four diagonal light-weight carbon fiber (CFRP) booms which are initially rolled up on a central hub. The electric thrusters for the transport to GEO could also be used for orbit and attitude control of the assembled tower which has a total length of about 15 km and would be mainly gravity gradient stabilized. Employing thin film solar cell technology, each sail is used as a solar array and produces an electric power in orbit of about 3.7 MW_e. A microwave antenna with a diameter of 1 km transmits the power to a 10 km rectenna on the ground. The total mass of this 450 MW SPS is about 2100 tons. First estimates indicate that the costs for one kWh delivered in this way could compete with present day energy costs, if launch costs would decrease by two orders of magnitude. Furthermore, mass production and large numbers of installed SPS systems must be assumed in order to lower significantly the production costs and to reduce the influence of the expensive technology development. The paper presents the technical concept and an economic assessment as well as results of a recent solar sail deployment ground demonstration at DLR's facilities in Cologne.     

空间太阳能电站的关键技术及发展建议

1968年美国的P. Glaser博士最早提出空间太阳能电站（SSPS）概念构想。作为一个巨大的空间系统,空间太阳能电站的技术难度非常大,其真正实现预计还需要几十年的时间。文章通过对国外典型空间太阳能电站概念及其关键技术进行比较分析,在此基础上初步提出空间太阳能电站关键技术体系和发展建议。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。