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        美國空軍研究實驗室將研發一種太陽能電池板,可為美國陸軍的地表行動提供電力
        2021-09-26

        [C4ISRNET網站2021925日報道]  美國很難將電力提供前方作戰基地。

        美國軍事前哨需要大量電力,可這些前哨的位置通常都處于電力供應不順暢的地方。在偏遠地區設立工廠時,美國陸軍每次都無法準確地建造太陽能電池陣列;除此之外,化石燃料價格昂貴且很難運輸到指定地點。

        美國陸軍需要的是一種在有限的基礎設施條件下便可在地球任意一個地方開發利用的能源。美國空軍研究實驗室則想出了一個解決方案:一組安裝在衛星上的太陽能電池陣列,其可在軌道上收集能量并將其傳送到地表。如此以來,在地球上的任何地方,地面服務人員的移動設備都將能夠使用該種能源,為整個前沿作戰基地供電或僅用于無線電充電。

        這聽起來像是科幻小說中的情節,非常的不可思議。但美國空軍研究實驗室的工程師們卻表示,這個解決方案是有可能實現的,且他們正努力最早于2024 年就能夠進行有關的技術演示。

        這項提案被稱為“太空太陽能增量示范及研究”。

        “太空太陽能增量示范及研究”總工程師曼迪·索夫表示:“‘太空太陽能增量示范及研究’是一種技術開發組合。我們最終的目標是實現太陽能到射頻的電力傳輸——我們從太空收集的太陽能來獲取能量,在軌道上將其轉換為射頻,然后再將其發射到地面,然后通過整流天線將其轉換為電力!

        美國空軍研究實驗室認為這個方案是可以實現的,只是需要一定的時間而已!疤仗柲茉隽渴痉都把芯俊辈捎脻u進式方法,讓概念系統的幾個技術元素成熟起來,并會進行三個示范項目。旗艦項目為“阿拉克涅”(取名自希臘神話中第一個變成蜘蛛的女人的名字),該項目將包括 2025 年的在軌演示。

        “太空太陽能增量示范及研究”的主要承包商是諾斯洛普·格魯門公司。該公司獲得了價值 1 億美元的合同,其主要側重點為實現太陽能到射頻的轉換。曼迪·索夫表示,美國空軍研究實驗室還在與其他公司合作研發高效太陽能電池以及可部署太空架構等。

        曼迪·索夫表示,一部分的有關技術現已成熟,但它們的尺寸還得更小才行。其實,小型化是實現“太空太陽能增量示范及研究”所面對的主要挑戰之一。該系統在太空中的最終尺寸仍在討論中;不過,在很大程度上,這取決于美國空軍研究實驗室能夠將各種組件小型化的程度及其可將整個結構壓縮成發射有效載荷的程度。目前來說,對于太空任務而言,現有的一些可用技術太重了,因此美國空軍研究實驗室工作的大部分重心都在于重新設計這些解決方案以減少有關技術的質量以及尺寸。

        如此以來,從太陽收集能量這一方案中的重中之重就是:太陽能電池板。雖然有關技術一直處于改進中,不過太陽能電池板的表面積與其提供的電力之間通常存在著一定的相關性。倘如要為小型交通信號燈供電,也許 1 平方英尺的太陽能電池板就足矣。而太空太陽能增量示范及研究”將需要比這更多的電力以及太陽能電池板。

        曼迪·索夫表示:“在太陽能到射頻的轉換方面,太陽能面板越大越好,所以我們投入的資金以及技術越多就越好!

        “太空太陽能增量示范及研究”通信官雷切爾·德萊尼表示,根據美國空軍研究實驗室進行的一項研究,該實驗室的目標是能夠產生 1,000 千瓦的電力——這足以運行一個前沿作戰基地。就此而言,GPS III 衛星擁有四個衛星陣列,分布在其48英尺的翼展上,共產生約 4,500瓦的功率!疤仗柲茉隽渴痉都把芯俊睂⒁獢U大太陽能電池板的效率及其陣列的表面積,以達到工程師們的目標電力值。

        為了實現這一目標,美國空軍研究實驗室想要采用可折疊的太陽能電池板,這些太陽能電池板可以壓縮成相對較小的有效載荷進行發射,然后在軌道上就位后展開。對于衛星來說,這種方法挺尋常的,但對于“太空太陽能增量示范及研究”中的太陽能電池陣列的規模來說,這方法應該是新奇的。

        近期,美國空軍研究實驗室在新墨西哥州的柯特蘭空軍基地建立了一個新的可部署結構實驗室,該實驗室不僅將幫助有關工程師研發足以產生 1,000kW 的太陽能電池陣列,還能有效地縮回以便進行發射。該實驗室有足夠的空間讓相關團隊在抵消地球重力的同時部署完整的太陽能電池陣列,幫助這些團隊模擬衛星在零重力空間環境中運行的情況。如此以來,美國空軍研究實驗室就能夠采用更輕、體積更小的材料(這些材料在地球引力下可能無法使用,但在軌道上則可采用)來建造整顆衛星。

        節省空間的一個重要的創新設計——由美國空軍研究實驗室設計的一種新型“夾心板”,它既可以收集太陽能,又可以將其轉換為射頻。

        曼迪·索夫表示:“一側收集太陽能,另一側則將太陽能轉換成射頻,轉換的過程就發生在兩側之間。此外,我們也的確在努力讓這種‘夾心板’的厚度變薄、質量更輕!

        在地表上采用的是整流天線,它將接收來自太空的射頻信號并將其轉換成可用功率。曼迪·索夫還表示,這項技術非常靈活。尺寸更大的整流天線可以安裝在前方作戰基地的每座建筑上,提供自太空獲得的持續能源。不過,其也可在更小的范圍內使用。也許可以在士兵的帳篷中安裝一個較小的整流天線,讓他們在野外時可以為收音機以及其他電子設備充電。 美國空軍研究實驗室甚至還考慮了一種簡單的傘狀設計,方便攜帶至野外——只需將其展開,就有電力。

        倘若有合適的設備,那么處于光束路徑上的任何人員都無需用到電線便可獲得電力。且光束覆蓋的范圍也很廣泛。設備的最終尺寸將取決于美國空軍研究實驗室研制而出的最終產品;不過,目前,有關工程師希望只需要用到一顆衛星,光束的覆蓋范圍就能夠達到數十公里。美國空軍研究實驗室想要讓整個衛星群都由 12 顆稱為“星河號”的衛星組成,讓它們在中地球軌道上向地球上的任何位置傳輸電力。

        此外,美國空軍研究實驗室還與正在開展類似項目的美國海軍研究實驗室進行合作。20205月,美國海軍研究實驗室將其自己的示范項目成果——光伏射頻天線模塊——隨著隱蔽的 X-37B 太空飛機進入太空。目前,光伏射頻天線模塊正在對由美國海軍研發的太陽能到射頻轉換面板進行測試。

        美國空軍研究實驗室自己的示范項目“阿拉克涅”會將射頻發射至另一個位置來更進一步實現太陽能到射頻的轉換。其將在太空中測試諾斯羅普·格魯曼公司的第一個“夾心板”。第一個太陽能板預計將于 2024 財年交付,并于當年晚些時候或 2025 年初進行發射。(國家工業信息安全發展研究中心  朱航琪)


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