MW 级太空发电站微波能量波束指向控制精度分析

MW 级太空发电站是太空发电站事业发展规划的重要步骤,其微波能量传输系统的波束指向控制精度影响着波束收集效率。本文面向百米级能量发射天线,提出合理的微波能量波束指向控制精度要求。针对能量波束的渐变特性,以微波能量收发口径、传输距离和工作频率为约束,以系统对波束收集效率下降的容限为考察目标,建立了微波能量传输系统的波束指向控制精度分析模型,并提出了分析方法。应用提出的方法进行了数值仿真分析,根据仿真结果指出MW 级太空发电站微波能量传输系统的波束指向控制精度应为0.0023°,此时因微波能量波束指向偏离导致的波束收集效率下降不超过1%。这一指标可作为MW 级太空发电站微波能量传输系统重要设计参考。     

空间太阳能电站微波能量传输验证方案设计

微波能量传输技术作为空间太阳能电站(Space Solar Power Station,SSPS)的关键技术之一,目前的研究和验证工作均集中在各单项技术的突破和验证,缺乏针对SSPS系统特点的全面优化设计。文章根据SSPS的工作模式给出了全面验证空间太阳能电站微波能量传输的验证系统方案设计,对收发天线进行了一体化设计,利用了幅度近似高斯分布的发射阵列场分布设计和低反射的接收整流阵列设计,以高精度来波方向测量和高精度移相控制为波束指向控制的技术途径。对验证系统的波束收集效率进行了分析,收集效率可达94.2%,比传统均匀分布系统高出17.6%。验证系统可从系统规模缩比、波束扫描范围、发射天线口径场分布、整流天线处功率密度、反向波束控制方法等方面模拟SSPS微波能量传输工作模式,推动SSPS系统技术的发展。     

空间太阳能电站微波能量反向波束控制技术

微波能量传输设计与验证是中国空间太阳能电站发展各阶段的核心工作,微波能量反向波束控制则是微波能量传输的关键环节。目前的反向波束控制研究都基于微波能量发射阵列具有理想型面的前提,没有考虑空间环境中微波能量发射阵列结构模块发生位置和姿态偏差的实际情况。结合中国空间太阳能电站发展的4个阶段任务,分析了结构模块姿位偏差对整流阵列处功率密度和波束指向误差带来的影响。在已经验证的软件化微波能量反向波束控制基础上,结合结构模块姿位偏差校正,提出了基于相位补偿的反向波束控制技术,并对校正效果进行了仿真分析。基于相位补偿的反向波束控制技术对微波能量发射阵列结构模块姿位偏差的影响具有显著的校正能力。文章可以为微波能量传输系统的设计和研制提供指导。     

空间太阳能电站微波能量传输验证方案设计

微波能量传输技术作为空间太阳能电站（SpaceSolarPowerStation,SSPS）的关键技术之一,目前的研究和验证工作均集中在各单项技术的突破和验证,缺乏针对SSPS系统特点的全面优化设计。文章根据SSPS的工作模式给出了全面验证空间太阳能电站微波能量传输的验证系统方案设计,对收发天线进行了一体化设计,利用了幅度近似高斯分布的发射阵列场分布设计和低反射的接收整流阵列设计,以高精度来波方向测量和高精度移相控制为波束指向控制的技术途径。对验证系统的波束收集效率进行了分析,收集效率可达94.2%,比传统均匀分布系统高出17.6%。验证系统可从系统规模缩比、波束扫描范围、发射天线口径场分布、整流天线处功率密度、反向波束控制方法等方面模拟SSPS微波能量传输工作模式,推动SSPS系统技术的发展。     

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。     

微波能量传输系统设计及试验

面向空间太阳能电站应用,进行了固态体制微波能量传输技术研究。针对能量传输波束扩散导致收集效率低的问题,研究了基于人工媒质理论设计的完美匹配层的能量接收整流表面,通过调节人工媒质单元的结构参数实现天线输出阻抗与整流电路输入阻抗的共轭匹配,同时抑制整流电路高次谐波,省去原有匹配及低通滤波器,简化电路结构、实现高效微波能量吸收与转换。以空间太阳能电站规定的波束中心传输微波功率密度限制作为能量接收整流表面设计的约束条件,设计能量接收整流表面,结合固态体制微波能量发射端,搭建5.8GHz小规模微波能量传输系统开展了地面试验验证,实测结果显示整流表面能量转换效率最高为57.7%。此次试验验证了先进的固态能量传输试验系统,为空间太阳能地面缩比试验及未来空间太阳能电站的建设提供了技术支撑。     

太空发电站参数化有限元建模与设计平台

在进行太空发电站的动力学与控制研究时,由于其结构尺寸庞大,单元与节点众多,传统有限元建模方法效率极低,通常只能将其假设为刚体或刚柔耦合系统,但这种近似简化处理必然会导致真实动力学特性的缺失。因此,文章提出一种太空发电站参数化有限元建模方法并建立设计平台,旨在缩短有限元建模周期,提高太空发电站设计、分析与优化的效率。以平台式太空发电站为原型,介绍了其基本参数与有限元模型。定义了易用的有限元节点与单元编号规则并给出了参数设置过程。借助APDL、UIDL,以及TCL/TK的混合编程技术,建立了太空发电站参数化有限元模块及设计平台,利用简单的菜单及人机交互界面实现电站的参数化有限元建模,设计人员从输入参数到开始建模的前处理时间不会超过2min,提高了建模效率。     

航天器多通道近场无线能量传输系统设计

针对航天领域空间交会对接、航天器配电、在轨服务与维护等领域对无缆化的需求,提出了多通道近场无线能量传输系统,建立了多通道磁耦合近场无线能量传输系统数学模型,分析了影响系统传输效率的重要参数,并对关键参数对系统效率的影响进行了仿真分析。通过线圈高效耦合设计,实现了多通道近场无线能量传输系统的效率最优。所提系统解决了能量的无线传输,并实现多负载接收的问题。通过一台1 000 W多通道近场无线能量传输样机进行了实验研究,结果表明,所提多通道近场无线能量传输装置具有传输效率高的特点,解决了航天器无线能量传输的多负载问题。      

星载聚束式SAR天线波束指向控制分析

建立了波束控制条件下的星载聚束式SAR的天线指向及成像数学模型,证实天线波束指向被控造成回波信号的幅度调制,引起成对回波,从而影响成像质量.此外,分析了波束指向控制比率与测绘带方位宽度、图像动态范围的制约关系,提出设计星载聚束式 SAR天线波束指向控制比率的基本原则.最后,通过计算机仿真,验证了理论分析的正确性.      

无线能量传输技术取得新进展

<正>日前,中国空间技术研究院西安分院依托国家科技部"分布式可重构卫星系统"863课题的研制,首次完成了微波高效无线能量传输系统演示验证试验。研究团队突破了微波无线能量传输总体设计技术,掌握了匹配发射接收、高效固放等关键技术,达到了微波低副瓣高效能量传输效果。目前整个系统利用2.4m口径的固面发射天线、2.4m口径的微带阵列接收天线、以及高效固放等完成了相关指标测试,当微波发射功率为50W、传输     

美国加紧打造天基激光武器

1　激光武器概述□□太空武器包括“太空攻击的武器”和“攻击太空的武器”两类 ,前者指在太空部署、使用和发射的武器 ,无论其攻击目标是太空的、大气层的还是地面的 ;后者指攻击在太空运行或途经太空的目标的武器 ,无论其是从陆上、海上还是从空中 (大气层内 )发射的。太空武器目前采用的杀伤手段有动能和定向能两种。动能杀伤是依靠高速运动物体的能量破坏目标 ,定向能杀伤是通过高能激光束、粒子束或微波波束直接照射破坏目标。在以定向能为杀伤手段的太空武器中 ,激光武器是首选对象 ,因为激光器不仅业已发展多年 ,技术上比较成熟 ,而…     

电离层环境与空间飞行体的相互作用

本文阐述了在空间飞行中与电离层相互作用有关的某些问题。如像微波波束经电离层传输的能量损耗及其扰动电离层所带来的传播问题,低轨卫星的电流泄漏,火箭喷焰、排气效应,等离子体鞘等等,它们因太阳能卫星方案的提出更显得重要。许多武器装置是与电离层环境相关的,像超视距雷达、高频通讯、空间导航系统以及一些未来系统的设计、工作都与电离层环境关系极大。为此,本文给出了有关主要电离层参量的基本分布。     

基于波束分离技术的空间时延补偿方法研究

针对深空测控通信任务中,空间时延和地球自转使大型地面天线窄波束不能覆盖对应的轨道区域导致的通信链路质量恶化甚至中断的问题,提出了在波束波导馈电的多反射面天线中,通过改变收发馈源位置使上下行波束峰值分离并指向不同的位置实时改善通信链路质量的方法,给出了波束波导馈电系统中馈源位置与波束分离以及增益损失的关系。该方法可以准确地预计并通过改变上行发射馈源的相对位置,使上下行波束按照要求指向不同的位置以减小天线上行链路增益损失。以35 m深空测控通信天线为例进行仿真,在Ka波段34 GHz频率,当上下行链路波束分离达0.032 72°时,增益损失小于4.25 dB。该方法也可用于确定馈源的位移量来修正由于反射面天线结构变形或复杂的多反射面系统镜面位置误差等造成的天线波束误差。     

星载GPS-R下视天线的可视性研究

对星载GPS-R海洋遥感接收机下视天线的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对镜面反射点可视性的影响进行了研究. 定义了一个与天线可视区域内地球表面点具有一一对应关系的星下点平面, 提出了星下点平面内的天线波束覆盖区域的确定方法及数学表达式, 在此基础上分析了不同的波束中心指向、波束形状、波束推进方式对可视性的影响, 并根据某型号空间飞行器的轨道数据进行了仿真验证.      

星载可展开天线波束指向测试方法研究

综合天线方向图测量和光学测量方法研究了天线远场测量和近场测量光学测试系统, 进而利用光学仪器测试了星载天线波束指向的两种测试方法. 望远镜结合天线远场测试系统能较准确地测试出天线波束指向. 同时, 提出了采用准直仪及波罗棱镜在天线平面近场测试系统测试波束指向的方法. 海洋二号卫星载荷校正辐射计观测天线波束指向的测试表明, 该方法是有效性和准确性的, 其可以推广至一般高增益天线测试.      

基于高斯波束传输的高功率微波的大气击穿问题

提出了一种修正利用高斯波束传输高功率微波(High-Power Microwave,HPM)时的大气折射率的模型.在此模型中,把高斯波束横截面分成若干个同心圆环,并假定每一个同心圆环内的场强分布是均匀的.以基于电子流体力学方程和Maxwell方程的大气击穿理论,利用由实验数据拟合出来大气粒子的碰撞和大气电离参数,研究了高能量高斯波束的非线性传输,数值计算了在给定高斯波束参数时,在不同的压强下,波束以不同的电场强度、频率、脉冲宽度入射下的大气折射率.通过分析折射率的时间色散、空间色散以及时间空间色散,讨论了传输HPM脉冲的高斯波束的大气击穿问题,获得了一些有意义的结果.      

OMEGA型空间太阳能电站聚光系统设计

空间太阳能电站聚光系统的尺度在千米级,聚光系统的方案设计涉及光、机、电、热及控制等多个学科。现有的空间太阳能电站聚光系统的设计方案不同程度上存在太阳光收集效率低、收集功率波动大、聚光系统质量高、控制系统复杂等不足。因此,需要综合考虑各种因素,提出高效、稳定、轻质和控制简单的聚光系统设计方案。文章对SSPS-ALPHA方案的聚光系统作了深入分析,并基于与 ALPHA方案相同的能量传输假设,针对ALPHA方案的不足提出了一种新的聚光系统设计方案,称之为 SSPS-OMEGA方案。通过比对分析,在与ALPHA聚光方案相同收集功率的前提下,OMEGA聚光方案不仅可以高效、稳定地收集太阳光,而且 OMEGA方案的功率质量比比ALPHA方案提升了31.68％。     

星载可展开天线研究

海洋二号卫星微波校正辐射计天线(HY-2 CRA)是高增益、低副瓣、高波束效率、低损耗的天线子系统. 其高主波束效率、低损耗等要求对天线展开精度、形面精度、测试等提出了极大挑战. 由于卫星发射整流罩结构限制, 天线采用可展开机构形式, 并用正交模耦合器实现频率复用. 天线频率分别达到18.7 GHz, 23.8 GHz 和37 GHz.为了减小天线形面变形, 保证天线波束指向, 天线反射面(包括反射面支架、馈源支架)采用碳纤维复合材料, 确保天线在宇宙空间变形尽可能小. 本文就HY-2 CRA的设计、加工、测试等进行了论述.      

雷达波束驻留模式下空间碎片数量的置信区间估计

碎片数量估计是空间碎片环境统计特征描述的重要内容之一,对于空间碎片环境模型验证、航天器碰撞风险分析以及碎片数量增长趋势预测有重要意义.针对波束指向正东、正南任意仰角的雷达波束驻留(Beam-park)模式(天顶指向是波束指向仰角为90°时的特例),给出了一种估计碎片数量置信区间的方法.对于给定轨道高度范围内一个具有穿越雷达波束可能性(即雷达散射截面足够大,且轨道倾角相对测站纬度足够大)的碎片,将其是否真正穿越波束这一随机事件用(0-1)分布来建模,根据所采集的轨道高度和倾角数据,计算出该轨道高度范围内碎片穿越波束的平均概率,进而采用中心极限定理来估计碎片数量的置信区间.仿真结果表明了方法的有效性.