月球科研站多光束激光傳能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐紅艷，石德樂(lè)，黃秀軍，侯欣賓

(1.山東航天電子技術(shù)研究所，山東煙臺(tái) 264670；2.錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京 100094)

近年來(lái)，隨著航天科技的發(fā)展，以及探索太空未知世界的本能和好奇心，使得人類(lèi)開(kāi)展深空探測(cè)成為發(fā)展的必然。1959 年，首個(gè)接近月球的探測(cè)器——前蘇聯(lián)月球1 號(hào)探測(cè)器——在距月球5 995 km 上空飛躍[1]，揭開(kāi)了人類(lèi)探月計(jì)劃的篇章。1969年7 月20 日，美國(guó)“阿波羅11 號(hào)”飛船成功登月，宇航員尼爾·阿姆斯特朗在月球表面留下的第一個(gè)腳印，成為人類(lèi)航天史上一大里程碑。近年來(lái)，世界主要航天國(guó)家再次將載人月球探測(cè)列為重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域。2019 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)發(fā)布“阿爾忒彌斯”(Artemis)計(jì)劃，根據(jù)Artemis 計(jì)劃，NASA 將于2024 年前登陸月球南極，實(shí)現(xiàn)載人重返月球，在2025至2030 年間建立環(huán)月軌道空間站和月球表面基地以實(shí)現(xiàn)美國(guó)月面持續(xù)駐留[2]。

隨著各國(guó)對(duì)月球探測(cè)的不斷深入，月球極區(qū)永久陰影區(qū)中存在大量水冰的證據(jù)也不斷豐富，這對(duì)于科學(xué)研究和資源利用都具有巨大的吸引力。對(duì)月球極區(qū)水資源的勘察、開(kāi)采和利用成為了當(dāng)前月球探測(cè)領(lǐng)域最炙手可熱的研究方向，我國(guó)也即將開(kāi)展嫦娥七號(hào)月球極區(qū)水冰探測(cè)任務(wù)。然而，由于月球運(yùn)行軌道接近黃道平面，月球兩極的隕石坑內(nèi)部無(wú)法接收太陽(yáng)照射，這意味著傳統(tǒng)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)無(wú)法在永久陰影區(qū)運(yùn)行。自20 世紀(jì)開(kāi)始，人們就提出了用于月球永久陰影區(qū)的激光無(wú)線供電方案設(shè)想：位于月坑邊緣光照區(qū)的太陽(yáng)電池陣列或核反應(yīng)堆為激光系統(tǒng)提供直接能源，激光束作為能量載體發(fā)射到永久陰影區(qū)的激光光電接收裝置，光能轉(zhuǎn)換為電能后可為陰影區(qū)探測(cè)的漫游車(chē)進(jìn)行持續(xù)供電[3-9]。

激光無(wú)線能量傳輸是以高能量密度激光束作為能量載體，對(duì)于遠(yuǎn)距離的目標(biāo)進(jìn)行非接觸供電，具有激光光束方向調(diào)節(jié)靈活、無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于無(wú)大氣衰減的月面等空間環(huán)境。本文對(duì)月表陰影區(qū)的激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)進(jìn)行了鏈路仿真。

1 月面激光無(wú)線能量傳輸鏈路分析

激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)包括激光源、發(fā)射系統(tǒng)、距離傳輸、光電轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換控制及管理以及負(fù)載輸出等部分，月面激光傳能的鏈路方程可以表示為：

式中：Pt為發(fā)射端輸入電功率；η1為激光器電光轉(zhuǎn)換效率；η2為發(fā)射系統(tǒng)效率；η3為傳輸效率(真空為1)；η4為光電轉(zhuǎn)換效率，包括電池陣列的激光截獲效率、激光電池片的布片率和電池片的轉(zhuǎn)換效率；η5為能源管理效率。

以實(shí)現(xiàn)1 km 內(nèi)充電功率不小于400 W 為任務(wù)目標(biāo)，采用808 nm 半導(dǎo)體激光源和1 064 nm 光纖激光光源進(jìn)行鏈路仿真。對(duì)于兩種激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)，鏈路效率的主要區(qū)別在于采用激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，以及與激光波長(zhǎng)匹配激光電池的光電轉(zhuǎn)換效率。首先，對(duì)于激光器而言，目前808 nm 半導(dǎo)體激光器的電光效率在50%左右，1 064 nm 光纖激光器的光電效率約為三分之一。與之相對(duì)應(yīng)的激光電池分別為GaAs 電池和InGaAs 電池。在800 nm 波段激光照射下，目前GaAs 電池的光電效率可達(dá)55%以上[10-12]，在較強(qiáng)激光照射或者溫度較低情況下，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)76.3%[13-14]。InGaAs 電池在1 μm 以上近紅外激光照射下，其轉(zhuǎn)換效率在40%以上[15-16]，因此仿真計(jì)算采用光電轉(zhuǎn)換效率為55%和40%的GaAs電池和InGaAs 電池進(jìn)行比較，鏈路效率仿真分析如表1 所示。其中，仿真中設(shè)定激光發(fā)射系統(tǒng)的發(fā)射效率相同，發(fā)射激光完全照射到光電池陣列上，并且電池陣列采用同樣的布片率研制而成。

表1 兩種激光器的傳能鏈路效率仿真計(jì)算 %

根據(jù)傳能鏈路效率仿真，采用808 nm 半導(dǎo)體激光器的傳能系統(tǒng)，其鏈路光電效率和光光效率均高于1 064 nm 光纖激光器傳能系統(tǒng)相應(yīng)鏈路效率的10%以上。產(chǎn)生400 W 電功率輸出，需要的808 和1 064 nm 激光功率分別為988 和1 356 W。從鏈路效率和功率角度分析，808 nm 激光傳能系統(tǒng)優(yōu)于1 064 nm 傳能系統(tǒng)。

雖然采用半導(dǎo)體激光器傳能效率較高，但相對(duì)于光纖激光器等固體激光器，其光束質(zhì)量較差。對(duì)于kW 功率的808 nm 半導(dǎo)體激光器BPP 多在幾十mm?mrad[17-19]，而同等甚至更高功率的光纖激光器可獲得近衍射極限光功率輸出[20-23]，光束質(zhì)量m2≤1.3(對(duì)應(yīng)光束參量積BPP≤3.8 mm?mrad)。兩種體制激光器光束質(zhì)量十余倍的差別，使得采用這兩種激光器的激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)適應(yīng)于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。

對(duì)于月面1 km 內(nèi)近距離的激光傳能，半導(dǎo)體激光器以傳能系統(tǒng)效率高的特點(diǎn)優(yōu)于光纖激光器，因此本論文將采用808 nm 的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行月面激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)。隨著能量傳輸距離的增加，光纖激光器較高的光束質(zhì)量對(duì)于激光傳能發(fā)射端發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)，以及接收端光電池陣列的尺寸規(guī)模均帶來(lái)一定益處，因此采用光纖激光器的激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)更適合開(kāi)展十多km 或百km的激光充電。

2 多光束激光協(xié)同能量傳輸技術(shù)

通過(guò)以上分析，808 nm 激光束作為激光無(wú)線傳輸能量載體可提高系統(tǒng)的傳輸效率，但隨著激光器輸出功率的增加，光束質(zhì)量隨之變差，通過(guò)光纖耦合等光束整形手段可優(yōu)化光束質(zhì)量，但光束質(zhì)量提高的代價(jià)卻是激光耦合效率的降低，相應(yīng)的激光器電光轉(zhuǎn)換效率下降，進(jìn)而嚴(yán)重影響激光無(wú)線能量傳輸?shù)逆溌穫鬏斝?。若采用多個(gè)808 nm 激光器進(jìn)行多光束協(xié)同能量傳輸，降低對(duì)單個(gè)激光器輸出功率的要求，除了帶來(lái)激光光束質(zhì)量的提高，遠(yuǎn)場(chǎng)光束的疊加還有益于光場(chǎng)的平滑，起到一定勻化作用，更利于激光電池陣列光電轉(zhuǎn)換的提高。

2.1 多光束激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)模型

月面激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)包括激光發(fā)射端和激光接收端。其中，激光發(fā)射端安裝在著陸器平臺(tái)，由著陸器電源給激光器提供必要的工作能量。激光接收端安裝在月球車(chē)，可進(jìn)行激光和太陽(yáng)光復(fù)用發(fā)電。當(dāng)月球車(chē)在月坑等陰影區(qū)工作時(shí)，位于著陸器平臺(tái)上的激光發(fā)射端向月球車(chē)光電池陣列發(fā)射激光，提供能源供給。在光照區(qū)，月球車(chē)上的激光接收光電池陣列可利用太陽(yáng)能發(fā)電。整個(gè)傳能系統(tǒng)的控制以及傳能檢測(cè)參數(shù)傳遞通過(guò)星務(wù)管理系統(tǒng)來(lái)完成，傳能信息通過(guò)著陸器與月球車(chē)通信信道來(lái)傳遞。月面激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)如圖1 所示，其中發(fā)射端采用多個(gè)激光器提供能量載體，經(jīng)過(guò)光束控制系統(tǒng)中的光學(xué)發(fā)射天線，將激光束準(zhǔn)直擴(kuò)束后發(fā)射到月球車(chē)激光傳能接收端。

圖1 月面多光束激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)示意圖

激光無(wú)線能量傳輸發(fā)射端的光學(xué)系統(tǒng)一般采用倒置的望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，減小激光束的發(fā)散角，達(dá)到遠(yuǎn)距離激光能量傳輸?shù)哪康?。高斯光束通過(guò)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的透鏡變換矩陣為[24]：

式中：f1，f2分別為兩鏡的焦距；l=f1+f2-Δ為兩鏡間距，其中Δ表示調(diào)焦量，MT=-f2/f1為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的放大率。假設(shè)對(duì)于調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，入射光束束腰ω01到目鏡的距離為l1，出射光束束腰ω02到物鏡的距離為l2，則高斯光束經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的變換矩陣為：

根據(jù)ABCD 傳輸規(guī)律，得到物像比例公式：

式中：Z01為入射光束的瑞利長(zhǎng)度?？梢?jiàn)，對(duì)于望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，給定入射高斯光束后，其出射光束的尺寸與系統(tǒng)的調(diào)焦量Δ和光腰到目鏡的距離l1有關(guān)。

鑒于激光傳能系統(tǒng)發(fā)射激光功率較高的特點(diǎn)，應(yīng)避免產(chǎn)生光束實(shí)焦點(diǎn)，因此光學(xué)系統(tǒng)采用無(wú)焦擴(kuò)束系統(tǒng)。如圖2 所示，光學(xué)系統(tǒng)采用兩級(jí)擴(kuò)束、多光束空間疊加的設(shè)計(jì)方法，各光束首先經(jīng)過(guò)一級(jí)擴(kuò)束，然后在經(jīng)反射鏡發(fā)射到主發(fā)射天線，實(shí)現(xiàn)二級(jí)擴(kuò)束。其中反射多激光束進(jìn)入主發(fā)射天線的快反鏡，可采用多個(gè)快反鏡獨(dú)立控制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各光束發(fā)射角度的小范圍調(diào)整。

圖2 多激光器發(fā)射光路示意圖

為實(shí)現(xiàn)1 km 范圍內(nèi)，激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)均處于理想工作狀態(tài)，發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有束散角調(diào)節(jié)功能，以保證月球車(chē)行駛在1 km 范圍內(nèi)的任何距離都可以接收同樣面積和光強(qiáng)的激光照射。本設(shè)計(jì)將移動(dòng)鏡組設(shè)計(jì)為二級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)的次鏡，根據(jù)著陸器測(cè)距系統(tǒng)提供的距離信息及傳能光束控制系統(tǒng)的引導(dǎo)，通過(guò)控制器對(duì)次鏡位置進(jìn)行微米量級(jí)的快速精細(xì)調(diào)節(jié)，控制傳能激光束的發(fā)射束散角，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同距離處月球車(chē)光電池陣列接收激光照射情況的一致性和激光傳能系統(tǒng)的穩(wěn)定輸能。

2.2 用于光電接收轉(zhuǎn)換的遠(yuǎn)場(chǎng)激光分析

為了直觀看出光學(xué)系統(tǒng)調(diào)焦量對(duì)擴(kuò)束的影響，對(duì)圖2 所示光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析，文獻(xiàn)[25-26]通過(guò)利用矩陣方法對(duì)激光在兩級(jí)擴(kuò)束系統(tǒng)中的傳輸進(jìn)行了研究，本設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將經(jīng)過(guò)一級(jí)擴(kuò)束后的激光束作為固定輸入，參與計(jì)算的激光波束的參數(shù)假定為：波長(zhǎng)808 nm，橫向?yàn)閳A形、高斯分布，經(jīng)過(guò)一級(jí)擴(kuò)束后的腰斑半徑為60 mm，波束束腰距二級(jí)擴(kuò)束次鏡15 cm，數(shù)值模擬出射光束束腰與調(diào)焦量及系統(tǒng)放大率MT之間的關(guān)系，其中次鏡焦距設(shè)定為500 mm。如圖3 所示，對(duì)于不同的系統(tǒng)放大率，即對(duì)應(yīng)不同的主鏡焦距，調(diào)焦量Δ對(duì)出射光束束腰影響是比較明顯的：當(dāng)Δ>0 時(shí)系統(tǒng)是會(huì)聚的；當(dāng)Δ<0 時(shí)系統(tǒng)是發(fā)散的；當(dāng)Δ=0 時(shí)，是理想擴(kuò)束系統(tǒng)。

圖3 出射光束束腰隨調(diào)焦量和主鏡焦距的變化曲線

考慮實(shí)驗(yàn)中對(duì)光束傳輸起到直接影響的物理量是光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角，也模擬了不同光束質(zhì)量的激光束經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后光束發(fā)散角隨調(diào)焦量的變化曲線如圖4 所示。從圖中可以看出，輸出光纖芯徑分別為200、220 和400 μm，NA0.22 的激光束，光束質(zhì)量越差，出射光束發(fā)散角隨Δ變化的響應(yīng)速率越快，對(duì)調(diào)焦控制器的精度，以及光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求越高。并且對(duì)于同樣出射光束半徑，光束質(zhì)量較差的光束，其遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角越大。遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，接收端光斑越大，光功率密度越小，進(jìn)而對(duì)激光無(wú)線能量傳輸接收端光電池陣列的光束截獲效率和轉(zhuǎn)換效率產(chǎn)生不利影響。

位于月球著陸器平臺(tái)的激光傳能發(fā)射端系統(tǒng)中，多光束發(fā)射技術(shù)的陣列分布有多種形式，但通常都是以對(duì)稱(chēng)方式分布，以便得到對(duì)稱(chēng)的光斑分布。本設(shè)計(jì)采用平面對(duì)稱(chēng)圓形陣列形式，考慮到激光總功率為1 kW 左右，主要對(duì)光束數(shù)目分別為3，4，5 的幾種情況進(jìn)行討論，光源空間位置分布如圖5 所示。

圖5 多光束配置示意圖

如圖6 所示，對(duì)于大功率單光束激光器，需采用大口徑的發(fā)射系統(tǒng)將出射激光束腰大倍率擴(kuò)束，以壓窄激光發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的激光能量傳輸。采用多光束發(fā)射空間波束疊加的方式，單個(gè)光束輸出功率小，光束質(zhì)量明顯改善，發(fā)射口徑可相應(yīng)減小。另外，利用快反鏡對(duì)各光束發(fā)射角度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，并根據(jù)傳能距離控制光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)焦量，實(shí)現(xiàn)激光傳能接收端各光斑質(zhì)心間距、光斑尺寸，以及各光束輸出功率的調(diào)節(jié)，在接收端獲得理想的光場(chǎng)分布。通過(guò)圖6 可以看出，多光束疊加光場(chǎng)相對(duì)于單光束輸出，具有多物理量調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，在接收端可獲得一定面積的功率穩(wěn)定區(qū)。特別地，對(duì)于一定面積的方形激光接收端，如1 m×1 m 的光電池陣列，采用4 光束和5 光束發(fā)射系統(tǒng)，在提高光束均勻性的同時(shí)，相對(duì)于圓形光斑，疊加光場(chǎng)可更好地實(shí)現(xiàn)光電池陣列與激光光場(chǎng)的空間匹配，提高激光截獲效率，更有利于月球車(chē)激光電池陣列整體光電轉(zhuǎn)換效率提升。

圖6 1 km處接收光功率密度分布

3 結(jié)論

能源系統(tǒng)是人類(lèi)探索太空，建設(shè)月球基地的基礎(chǔ)，特別是陰影區(qū)能源保障系統(tǒng)對(duì)于極區(qū)水冰的探測(cè)和開(kāi)發(fā)具有重要意義。本文提出了基于多光束發(fā)射的激光無(wú)線能量協(xié)同傳輸在月面陰影區(qū)的應(yīng)用，并開(kāi)展了傳能鏈路理論分析，結(jié)果說(shuō)明對(duì)于月表1 km 內(nèi)的無(wú)線能源供給，采用半導(dǎo)體激光器的激光無(wú)線能量傳輸系統(tǒng)具有鏈路效率高的優(yōu)勢(shì)，并進(jìn)行了激光光束質(zhì)量對(duì)激光準(zhǔn)直發(fā)射系統(tǒng)調(diào)焦精度的影響分析，以及多光束遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布計(jì)算，通過(guò)各光束發(fā)射角度、發(fā)散角和發(fā)射功率調(diào)節(jié)，可獲得較單光束更理想的接收光場(chǎng)，有利于光電轉(zhuǎn)換效率的提升。采用多光束激光無(wú)線能量協(xié)同傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)月面大功率激光無(wú)線能源保障，為我國(guó)深空探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。