申景詩(shī) 程坤 馬波 賈蘊(yùn)

（山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670）

1 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，單個(gè)航天器質(zhì)量、體積日益龐大，面對(duì)各種不確定性要求的響應(yīng)嚴(yán)重緩慢。圍繞空間系統(tǒng)針對(duì)諸如政治需求、技術(shù)失敗以及專項(xiàng)資金流的波動(dòng)等各種不確定性的響應(yīng)速度，美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）提出了分離模塊航天器這一新型結(jié)構(gòu)概念。分離模塊航天器技術(shù)的突破和實(shí)現(xiàn)，將遙感和科學(xué)探測(cè)等載荷的類型和數(shù)量從單個(gè)航天器的限制中解放出來(lái)；在同一個(gè)航天器系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多任務(wù)載荷以及載荷的升級(jí)換代成為可能；多個(gè)衛(wèi)星可聯(lián)合實(shí)現(xiàn)更多的功能，同時(shí)系統(tǒng)的壽命和可靠性成倍提高；新技術(shù)試驗(yàn)和新載荷可方便地增加到分布式可重構(gòu)衛(wèi)星系統(tǒng)中，基本不會(huì)影響已有系統(tǒng)的運(yùn)行，豐富了空間試驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新驗(yàn)證的手段［1］。

在分離模塊航天器的背景下，無(wú)線能量傳輸技術(shù)的應(yīng)用是其發(fā)展的必要條件。尤其是激光無(wú)線能量傳輸以激光作為媒介，無(wú)需能源輸送線，給特定環(huán)境下工作的目標(biāo)器提供能源支持，使其能夠順利完成任務(wù)。而激光傳能技術(shù)的核心指標(biāo)是電能到電能的轉(zhuǎn)化效率［2-4］。利用無(wú)線能量傳輸技術(shù)，航天器能量可由大約100～1000 m 距離遠(yuǎn)的其它航天器提供，從而降低了能量分系統(tǒng)的成本并提供擴(kuò)展能力。這對(duì)于許多任務(wù)（包括地球觀測(cè)、通信和天文學(xué)任務(wù)等）來(lái)說(shuō)，此規(guī)模的“分離航天器”編隊(duì)是有吸引力的。

本文根據(jù)分離模塊航天器系統(tǒng)特點(diǎn)和任務(wù)需求，結(jié)合無(wú)線能量傳輸?shù)募夹g(shù)能力和水平，開(kāi)展激光無(wú)線能量傳輸在分離模塊航天器系統(tǒng)中應(yīng)用模式研究，提出應(yīng)用方案。

2 分離模塊航天器編隊(duì)飛行

空間無(wú)線能量傳輸技術(shù)被認(rèn)為是分離模塊航天器系統(tǒng)中成熟度最低的關(guān)鍵技術(shù)，其發(fā)展對(duì)分離模塊航天器具有實(shí)質(zhì)性的推動(dòng)作用。實(shí)現(xiàn)相距數(shù)百米、數(shù)千米甚至更遠(yuǎn)的分離模塊航天器之間的無(wú)線能量傳輸，對(duì)未來(lái)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)將產(chǎn)生重要影響。例如未來(lái)衛(wèi)星可不攜帶電源分系統(tǒng)甚至推進(jìn)劑，只需要接收其它能量模塊航天器通過(guò)無(wú)線方式傳輸?shù)哪芰浚瑥亩鴵碛懈嗟目臻g配置專用有效載荷。為了說(shuō)明分離模塊航天器的供能模式，引入能量模塊航天器（Resource Vehicle，RV）和任務(wù)模塊航天器（Mission Vehicle，MV）的概念，能量模塊航天器為任務(wù)模塊航天器提供能量，而任務(wù)航天器接收能量。根據(jù)傳能的任務(wù)需求，分離模塊航天器可以采取不同的編隊(duì)模式［5-6］。

分離模塊航天器衛(wèi)星編隊(duì)模式可分為線性編隊(duì)和橢圓形編隊(duì)。線性編隊(duì)是通過(guò)對(duì)衛(wèi)星編隊(duì)進(jìn)行配置使航天器相對(duì)位置不隨時(shí)間變化，從而為能量傳輸創(chuàng)造常規(guī)和一致條件。最簡(jiǎn)單的編隊(duì)是以固定間隔（見(jiàn)圖1）將所有航天器安置于一個(gè)單一軌道平面，這被稱為簡(jiǎn)單線性或“主從星”編隊(duì)。橢圓形編隊(duì)能夠使能量模塊航天器與多個(gè)任務(wù)模塊航天器之間保持編隊(duì)飛行，防止任務(wù)模塊航天器間的相互遮擋（從能量模塊航天器的視角看），并且給立體觀察有效載荷提供一個(gè)二維編隊(duì)（見(jiàn)圖2）。主從星簡(jiǎn)單線性編隊(duì)（見(jiàn)圖3），可以使能量模塊航天器與任務(wù)模塊航天器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)最小化。如果此時(shí)從能量模塊航天器傳輸能量，任務(wù)模塊航天器不需要改變姿態(tài)，但可能需要操控萬(wàn)向轉(zhuǎn)鏡或其它設(shè)備以接收能量。

圖1 線性衛(wèi)星編隊(duì)Fig．1 Linear satellite formations

圖2 RV 位于MV 橢圓形編隊(duì)中Fig．2 RV located within a elliptical formation of MV

圖3 主從星簡(jiǎn)單線性編隊(duì)Fig．3 Leader-follower simple linear formation

3 能量傳輸模式

激光是指通過(guò)受激輻射而產(chǎn)生、放大的光，即受激輻射的光放大。通常，產(chǎn)生激光需要泵浦源、激光介質(zhì)、諧振腔，又稱為激光三要素。其中，泵浦為英文單詞pump的音譯，指的是泵浦源激發(fā)激光介質(zhì)由低能級(jí)躍遷到高能級(jí)的過(guò)程（如同把水從低處抽往高處）。激光無(wú)線能量傳輸首先要將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成激光，有間接轉(zhuǎn)換和直接轉(zhuǎn)換兩種模式。間接轉(zhuǎn)換模式，首先利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，再利用電能驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光。直接轉(zhuǎn)換方式，利用太陽(yáng)光作為泵浦源直接產(chǎn)生激光，是不經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。

3．1 太陽(yáng)能間接泵浦激光

所謂太陽(yáng)能間接泵浦，即首先利用太陽(yáng)能電池將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，再利用電能驅(qū)動(dòng)激光系統(tǒng)產(chǎn)生激光，如圖4所示。分析表明，最適合于空間太陽(yáng)能應(yīng)用的激光器為可見(jiàn)光段的固體激光器，包括二極管激光器和二極管泵浦的薄片激光器。尤其后者輸出已達(dá)數(shù)千瓦，并且通過(guò)消除材料的熱梯度克服了高功率二極管激光器熱透鏡的缺陷。

圖4 太陽(yáng)能間接泵浦激光示意圖Fig．4 Scheme of solar indirect pumped laser

總體而言，這類激光器依賴于激光二極管和激光材料如銣釔鋁石榴石（Nd：YAG）。目前，激光二極管是效率最高的激光器，插座效率高達(dá)80%，出射激光波長(zhǎng)795～850nm。對(duì)于大規(guī)模的激光傳能應(yīng)用而言，包含數(shù)千個(gè)激光二極管的大面積輻射陣列式是可行的。這種激光系統(tǒng)的主要限制為熱控制，而熱控制是保證輸出激光相干性的必要條件。大多數(shù)固體激光器采用晶體作為工作介質(zhì)（Nd：YAG，銣氧化釔陶瓷Nd：Y2O3，紅寶石等），泵浦光源處于可見(jiàn)光波段。其中，Nd：YAG（1064nm）應(yīng)用最廣泛，可利用激光二極管或太陽(yáng)輻射泵浦。

3．2 太陽(yáng)能直接泵浦激光

太陽(yáng)能直接泵浦，即利用太陽(yáng)光作為泵浦源產(chǎn)生激光，該激光系統(tǒng)包括太陽(yáng)光采集系統(tǒng)。為了達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的功率密度，根據(jù)激光介質(zhì)的不同，需要將太陽(yáng)光聚集200到幾千倍。為了避免太陽(yáng)光采集系統(tǒng)面積過(guò)大，激光系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：

（1）實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的能量密度較低，所需的太陽(yáng)光集中度易于實(shí)現(xiàn)；

（2）激光棒可在較高溫度工作，便于陣列式使用；

（3）高效的散熱系統(tǒng)。

激光棒可由多種材料構(gòu)成，研究較多的有半導(dǎo)體材料和Nd：YAG。直接泵浦的激光輸出在根本上取決于太陽(yáng)輻射光譜與激光介質(zhì)吸收譜線的重合程度。已經(jīng)存在的太陽(yáng)光泵浦固體激光器能量轉(zhuǎn)換效率在1%～4%之間，利用弧形金屬鹵化物燈泵浦的光學(xué)放大器光—光轉(zhuǎn)換效率可達(dá)33%，太陽(yáng)光直接泵浦的半導(dǎo)體激光器效率估計(jì)能夠達(dá)到35%［7-8］。

太陽(yáng)光直接泵浦的主要技術(shù)難點(diǎn)在于激光介質(zhì)廢熱的排出系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)榧词罐D(zhuǎn)換效率高的激光介質(zhì)也僅有小部分入射太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換為激光輸出，其它能量均變?yōu)閺U熱。這部分能量?jī)H增加激光介質(zhì)內(nèi)能，不會(huì)轉(zhuǎn)換為激光輸出。因此，需設(shè)計(jì)濾光系統(tǒng)，阻止與激光介質(zhì)吸收譜失配的太陽(yáng)光到達(dá)激光介質(zhì)?？梢赃x擇反射率具有波長(zhǎng)依賴性的聚合物薄膜制作濾光系統(tǒng)。

太陽(yáng)光直接泵浦激光技術(shù)具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)，使其更適合于在空間使用。

（1）空間中，泵浦激光的能量來(lái)自于太陽(yáng)輻射，間接泵浦需經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能電池這一中間環(huán)節(jié)，空間太陽(yáng)能電池效率約為30%～40%，因此，效率為15%的直接泵浦激光可與電光轉(zhuǎn)換效率50%的間接泵浦激光相當(dāng)；

（2）消除了光電轉(zhuǎn)換的中間環(huán)節(jié)，可免去大多數(shù)的電子器件，同時(shí)避免了傳統(tǒng)的太陽(yáng)能電站帶來(lái)的高壓限制。

4 激光傳能方案

在一些情況下需要能量發(fā)射端同時(shí)發(fā)射多束激光，比如一對(duì)多激光傳能、通信時(shí)，其中比較典型的應(yīng)用案例是分離模塊航天器。分離模塊航天器由多個(gè)“模塊航天器”組成，每個(gè)模塊航天器有各自的任務(wù)功能，可以獨(dú)立制造及發(fā)射，航天器體系更加靈活，發(fā)射風(fēng)險(xiǎn)低、成本低，提高了系統(tǒng)的壽命和可靠性。在軌運(yùn)行時(shí)通過(guò)無(wú)線信息及能量交換將分散的模塊功能和資源高效地結(jié)合在一起［9］。分離模塊航天器通常包含一個(gè)高成本、高可靠性的能源航天器，每個(gè)能源航天器伴隨多個(gè)任務(wù)航天器，能源航天器與任務(wù)航天器間通過(guò)無(wú)線的方式進(jìn)行能量傳遞和信息交互。當(dāng)前的激光傳能系統(tǒng)是點(diǎn)到點(diǎn)的，而分離模塊航天器采用多個(gè)任務(wù)航天器包圍能源航天器的橢圓形編隊(duì)時(shí)，就需要點(diǎn)到多點(diǎn)的傳能系統(tǒng)。

4．1 多光束發(fā)射天線系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了一種多光束發(fā)射天線系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)發(fā)射端對(duì)多個(gè)接收端的高功率遠(yuǎn)距離的能量傳遞。發(fā)射端采用激光相控陣技術(shù)，通過(guò)多束激光合成可以提高電池表面光強(qiáng)和光斑均勻性，從而提高光電池的光電轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)一步提高激光無(wú)線傳能效率；可以提高傳能功率和傳輸距離；可以同時(shí)發(fā)射多路傳能光束為多個(gè)設(shè)備供能，且不存在盲區(qū)；可用于激光通信發(fā)射多路通信光束，每路光束可單獨(dú)編碼；可以完成瞄準(zhǔn)、對(duì)中，具備相位控制、光束控制功能，實(shí)現(xiàn)多路光束的非相干或相干合成。

激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，如圖5所示，系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)臺(tái)、轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元、光學(xué)相控陣天線、激光發(fā)生器和控制器構(gòu)成。

圖5 激光無(wú)線傳能系統(tǒng)Fig．5 Laser power transmission system

天線如圖6所示，轉(zhuǎn)臺(tái)包括轉(zhuǎn)臺(tái)A 和轉(zhuǎn)臺(tái)Bi（i＝1，2，…，N）。轉(zhuǎn)臺(tái)A 用于控制多光束發(fā)射天線系統(tǒng)的整體方位。轉(zhuǎn)臺(tái)Bi設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)A 上，每個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)Bi上安裝一副光學(xué)相控陣天線，轉(zhuǎn)臺(tái)Bi用于單獨(dú)位于其上的光學(xué)相控陣天線的方位和俯仰。N的值等于光學(xué)相控陣天線的數(shù)量，N≥3（在此天線數(shù)量未做進(jìn)一步優(yōu)化）。N的取值越大，能夠同時(shí)對(duì)更多的接收端發(fā)射激光，但是天線越多，遮擋也越多，權(quán)衡考慮下本實(shí)例采用3副光學(xué)相控陣天線，能夠基本滿足多接收端的傳能需求，且遮擋面較小。如圖6所示，本實(shí)例中3副光學(xué)相控陣天線圓形均勻排布于轉(zhuǎn)臺(tái)A 上，便于對(duì)各個(gè)方向上的接收端傳能，轉(zhuǎn)臺(tái)B1～B3距離轉(zhuǎn)臺(tái)A 中心轉(zhuǎn)軸的距離相同。

如圖7所示的光學(xué)相控陣天線中，每個(gè)相控陣元后表面連接光束耦合器，光束耦合器連接相位控制模塊。光束耦合器將激光發(fā)生器發(fā)出的激光束耦合至光學(xué)相控陣天線的相控陣元。相位控制模塊根據(jù)控制器的指令，控制相控陣元發(fā)射光束的相位，以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一目標(biāo)發(fā)射多光束間的非相干或相干合成。相控陣元可以實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，通過(guò)控制，每副相控陣天線發(fā)射的光功率為激光器輸出總光功率的0～100%。

圖6 多光束發(fā)射天線系統(tǒng)示意圖Fig．6 Multiple laser beam transmission system

圖7 光束控制單元示意圖Fig．7 Scheme of laser beam controller

4．2 工作流程

轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元，根據(jù)控制器的指令，控制轉(zhuǎn)臺(tái)A的方位轉(zhuǎn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)臺(tái)B1～BN的方位和俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)需要向接收端發(fā)射激光時(shí)，根據(jù)控制器提供的接收端的位置信息，轉(zhuǎn)臺(tái)伺服單元轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)中的一個(gè)或多個(gè)使得光學(xué)相控陣天線瞄準(zhǔn)接收端，從而完成光束的粗瞄準(zhǔn)。根據(jù)傳輸距離和所需光斑的空間分布特征，控制器控制相控陣元的選通和波束偏轉(zhuǎn)，令多路發(fā)射光束指向接收端，以實(shí)現(xiàn)精瞄準(zhǔn)。相位控制模塊根據(jù)控制器的指令，控制相控陣元發(fā)射光束的相位，根據(jù)傳輸距離確定對(duì)射向同一接收端的多光束實(shí)施非相干合成或相干合成。

當(dāng)發(fā)射端收到交互的請(qǐng)求或指令時(shí)，控制器利用轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置的傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)位置信息及轉(zhuǎn)臺(tái)方向姿態(tài)信息，并通過(guò)無(wú)線通信方式將位置信息傳遞給接收端；接收端同樣通過(guò)無(wú)線通信方式將自身的位置信息傳遞給發(fā)射端。

發(fā)射端的控制器利用光學(xué)相控陣天線的位置和姿態(tài)信息及接收端的位置信息計(jì)算獲得接收端相對(duì)于發(fā)射天線的角度位置，控制轉(zhuǎn)臺(tái)指向接收端，并準(zhǔn)備對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，同時(shí)，接收端利用本身的位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)及發(fā)射天線位置信息計(jì)算發(fā)射天線相對(duì)于自身的位置，使接收端的接收光電池板指向發(fā)射端的發(fā)射天線；接收端開(kāi)啟位于接收光電池板上的LED 指示燈，該指示燈光將入射帶有濾光片的發(fā)射端觀測(cè)視場(chǎng)（CCD），并成灰度像；發(fā)射端的控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，直至LED 指示燈在發(fā)射端接收光路觀測(cè)視場(chǎng)中成像，此時(shí)認(rèn)為光學(xué)相控陣天線瞄準(zhǔn)接收端，精對(duì)準(zhǔn)完成。

接著，控制器控制相控陣元偏轉(zhuǎn)將光束指向接收端，并控制光束的空間排布提高光強(qiáng)在光電池板表面的均勻度。相位控制單元根據(jù)控制器的指令，控制相控陣元發(fā)射光束的相位，實(shí)現(xiàn)射向同一接收端的光束的非相干或相干合成，以提高光束的傳輸距離。

4．3 多光束發(fā)射方式

控制器在進(jìn)行發(fā)射控制時(shí)，根據(jù)接收端的個(gè)數(shù)、位置和激光輸出總功率的大小，采用如下策略進(jìn)行發(fā)射控制。

4．3．1 為單個(gè)目標(biāo)傳能

與單個(gè)接收端交互時(shí)，分為以下兩種情況。

1）一對(duì)一發(fā)射

系統(tǒng)的激光輸出總功率是由傳輸距離、所需光斑大小等信息決定的，當(dāng)激光輸出總功率不超過(guò)設(shè)定的單天線安全發(fā)射功率時(shí)，由與接收端方位最近的相控陣天線瞄準(zhǔn)接收端并發(fā)射光束。發(fā)射時(shí)，由控制器驅(qū)動(dòng)相控陣元使多路光束指向接收端，并根據(jù)與接收端的相對(duì)距離采用非相干或相干合束，如圖8所示。

2）多對(duì)一發(fā)射

若所需的激光輸出總功率過(guò)高，由單副相控陣天線發(fā)射有損傷風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，可根據(jù)需要有2副或3副天線瞄準(zhǔn)同一接收端并共同發(fā)射。發(fā)射時(shí)，控制相控陣元使得每一接收端均接收多路光束，并根據(jù)與接收端的相對(duì)距離采用非相干或相干合束，如圖9所示。通過(guò)調(diào)整光學(xué)相控陣天線的俯仰角度，可在未被平臺(tái)遮擋的空間內(nèi)無(wú)盲區(qū)瞄準(zhǔn)。

圖8 單個(gè)天線瞄準(zhǔn)單個(gè)目標(biāo)Fig．8 One antennae pointing at single object

圖9 多個(gè)天線瞄準(zhǔn)單個(gè)目標(biāo)Fig．9 Several antennas pointing at single object

4．3．2 為多個(gè)目標(biāo)傳能

與多個(gè)接收端交互時(shí)，分為以下兩種情況。

1）一對(duì)多發(fā)射

當(dāng)所有接收端均在某一光學(xué)相控陣天線的尋址范圍內(nèi)，且所需提供的激光輸出總功率不超過(guò)單副天線安全發(fā)射功率，則由此光學(xué)相控陣天線發(fā)射光束，且通過(guò)控制光束偏轉(zhuǎn)進(jìn)行光束分配，使得所有接收端均接收到光束。并且，根據(jù)與接收端的相對(duì)距離采用非相干或相干合束，如圖10所示。

圖10 單個(gè)天線瞄準(zhǔn)多個(gè)目標(biāo)Fig．10 One antenna pointing at several objects

2）多對(duì)多發(fā)射

當(dāng)所需提供的激光輸出總功率超過(guò)單天線安全發(fā)射功率時(shí)，或者多接收端的分布超出單副光學(xué)相控陣天線的尋址范圍，則根據(jù)接收端坐標(biāo)位置和功率需要由2副或2副以上的光學(xué)相控陣天線共同發(fā)射，每副光學(xué)相控陣天線向自身尋址范圍內(nèi)的接收端發(fā)射光束。發(fā)射時(shí)，同樣可以根據(jù)與接收端的相對(duì)距離采用非相干或相干合束，如圖11所示。

圖11 多個(gè)天線瞄準(zhǔn)多個(gè)目標(biāo)Fig．11 Several antennae pointing at multiple objects

多個(gè)接收端可位于不同平面內(nèi)，通過(guò)調(diào)整3副光學(xué)相控陣天線的俯仰角度，可在未被平臺(tái)遮擋的空間內(nèi)無(wú)盲區(qū)瞄準(zhǔn)。對(duì)于上述4種情況，為避免轉(zhuǎn)臺(tái)Bi轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大或降低目標(biāo)變換時(shí)重定位的復(fù)雜度，可轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)A 加以配合。若要實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)無(wú)盲區(qū)瞄準(zhǔn)，需要多套天線系統(tǒng)配合使用，或在轉(zhuǎn)臺(tái)A背面增加轉(zhuǎn)臺(tái)，相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作正在進(jìn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的多光束激光能量發(fā)射天線系統(tǒng)，發(fā)射端采用激光相控陣技術(shù)，可以完成瞄準(zhǔn)、對(duì)中，具備相位控制、光束控制功能，實(shí)現(xiàn)多路光束的非相干或相干合成，能夠提高激光傳能的效率，提高傳能功率與傳能距離，并且可以同時(shí)發(fā)射多路傳能光束為多個(gè)設(shè)備供能，此外在未被平臺(tái)遮擋的立體角內(nèi)不存在盲區(qū)，可用于激光傳能、激光通信、激光武器、激光雷達(dá)等需要多光路發(fā)射的激光系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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