神奇！在轨卫星也能“无线充电”？

当我们每天熟练地给手机插上充电线，或者把手机放在无线充电板上充电时，很少有人会想到，远在数百公里外绕地飞行的卫星，一旦电量告急，该怎么办？传统模式中，卫星全靠自带的太阳能帆板“自给自足”，一旦帆板被空间微陨石击穿，或是卫星进入地球阴影区，见不到阳光，立刻就会陷入能源危机，甚至直接提前结束任务。

而近日，我国逐日工程研究团队取得的突破，让这个问题有了全新的答案。研究团队成功研制出空间太阳能电站地面验证系统，在百米距离实现千瓦级功率微波无线能量传输，标志着空间太阳能电站技术向工程化应用迈出关键一步。

给飞驰卫星“隔空充电”

在此次测试中，数据显示，百米距离下直流-直流传输效率达到20.8%，输出功率1180瓦，微波波束收集效率高达88%；同时完成的无人机试验中，系统在时速30公里、距离30米的条件下，实现了143瓦直流稳定接收。

这一技术被形象地称为“太空微波充电桩”，其需要在太空预定轨道建设空间太阳能电站，用微波无线传能的方式，直接把能量送给太空中需要补能的航天器。

从技术原理来看，这套系统的工作流程其实并不复杂。太空中的聚光装置先把太阳光收集起来，通过光伏电池把太阳能转化成直流电能，再把直流电转换成微波能量，然后精准对准需要充电卫星的天线，发射微波波束。卫星上的天线接收到微波能量后，再把它重新转换回直流电，就能直接给卫星上的设备和电池供电。整个过程不需要任何导线连接，完全靠微波“隔空”完成能量传输。

逐日工程-空间太阳能电站地面演示系统

可能有人会问：这和我们日常使用的手机无线充电不是一样的吗？其实二者的技术难度完全不是一个量级。手机无线充电靠电磁感应，传输距离只有几厘米，功率也就十几瓦；而太空微波传能未来要实现从36000公里外的地球同步轨道到地面，或是从地球同步轨道到低轨卫星的传输，距离跨度及功率都是手机无线充电的数亿倍。

给高速飞行的在轨卫星“无线充电”，可以拆解成4个关键环节。第一个环节是太空“采能”，也就是收集太阳能。和地面太阳能发电不同，太空中的太阳能几乎是取之不尽、用之不竭的——地球同步轨道上没有云层遮挡，没有昼夜交替，也没有大气衰减，单位面积接收到的太阳能是地面的8～10倍，可以24小时不间断发电。逐日工程采用的欧米伽方案，是用分布式小聚光镜把太阳光集中汇聚到中央的光伏电池阵上，这样可以大幅提升光电转换效率。

第二个环节是光电转换，就是把收集到的太阳能转换成电能。光伏电池把太阳光转换成直流电能后，需要经过电力变换，把电能调整到适合微波发射的参数，然后输送给发射天线。这个环节看起来和地面光伏差不多，但其要求却高很多：太空高辐射、极端温差的恶劣环境对光伏电池的可靠性、稳定性要求远高于地面，而且为了能把整个电站发射上天，所有器件都要尽可能做到轻量化、小型化。

第三个环节也是最核心的环节，就是微波无线传能，把电能转换成微波能量，精准发射出去。要实现精准传输，最难的就是波束控制。要知道，未来从地球同步轨道给低轨卫星充电，距离有数万公里，稍微有一点角度偏差，波束就会偏出十几公里，根本接收不到。

为此，逐日工程团队开发了基于反向波束导引的精确闭环控制系统，每个移动目标都会发出一个微弱的导引信号。发射端接到信号后，能实时解算出目标的位置和速度，然后自动调整波束的指向，保证能量始终精准对准目标，哪怕目标在高速移动，也不会跟丢。

第四个环节就是接收变流，卫星上的接收天线接到微波能量后，通过整流电路把微波能量重新转换成直流电。在这个环节，团队采用了氮化镓二极管，能承受更宽的功率带宽，不管大功率还是小功率都能稳定工作，转换效率也更高。

仍需翻越四座“大山”

尽管取得了诸多突破，但距离真正在太空建成实用的“无线充电站”，还有很长的路要走。目前只是完成了地面百米级的验证，要把系统搬到36000公里外的地球同步轨道，至少还要闯过四道核心难关。

第一道难关是器件的太空生存考验。目前地面实验用的所有器件都是按照地面环境设计的，而太空环境比地面恶劣得多，高真空、强辐射和极端温差都会对电子元器件、结构材料产生巨大影响。比如，普通的微电子器件在强辐射环境下用不了几年就会失效；普通的金属材料在太空极端温差下反复热胀冷缩，很快就会疲劳断裂。

第二道难关是超远距离传输的精准聚焦难题。卫星与“无线充电站”距离遥远，未来要实现远距离传输，如何把波束的发散角控制在极小的范围内，让能量始终集中在接收天线上，是一个巨大的技术挑战。

第三道难关是超大型空间结构的在轨组装与控制。一个能实用的空间太阳能电站，整个光伏阵列和发射天线的面积往往达到平方公里级，很难把这么大的整体一次性发射至太空，必须分成几百上千个模块，发射到太空后，再在轨组装成完整的系统。这对空间组装技术来说是极大的考验。

第四道难关是工程化的成本问题。目前把一公斤载荷送到地球同步轨道的成本要几万元，一个千兆瓦级的空间太阳能电站总重量可能达到上万吨，发射成本是一个天文数字。只有随着商业航天发展，火箭发射成本不断下降，空间太阳能电站才有可能实现经济性。

能“上天”也能“入地”

很多人觉得，“太空微波充电桩”是航天领域的高科技，和普通人的生活没关系。其实不然。这项技术的突破，不仅会彻底改变航天产业格局，还会走进人们的日常生活，给能源、交通、应急等很多领域带来颠覆性的变化。

最直接的改变就是航天领域。“太空微波充电桩”建成后，整个航天器的设计逻辑会被改写。过去卫星必须携带大面积太阳能帆板和大容量电池，不仅重量大、成本高，还挤占了有效载荷的空间——很多低轨小卫星绕地球一圈需要90分钟，其中有一半时间在地球阴影里，只能靠电池供电，电池重量占了卫星总重量的1/3以上。有了“太空微波充电桩”后，卫星随时可以补能，重量能够减轻30%以上，从而腾出更多空间搭载载荷，执行更多任务，续航时间也能延长好几倍。

而对于普通人来说，最直接的感受就是卫星服务会更稳定、更便宜。人们平时使用的手机导航、卫星互联网、天气预报都依赖在轨卫星。卫星不会因为缺电而罢工，人们就能享受到更稳定的服务。而且卫星成本下降了，发射更多卫星的门槛也会更低，未来卫星互联网的资费就会越来越便宜，哪怕在偏远山区、大洋中部，都能用上高速的卫星网络。

除航天外，微波无线传能技术在地面也有巨大的应用空间。如今地面无线充电普遍面临距离短、功率小的问题：电动汽车无线充电有效距离不到1米，必须停得非常准；无人机巡检，飞一段时间就得回来充电，作业范围受限；偏远山区、海岛要送电，必须架电线，成本极高，很多地方根本架不起。

如果大功率远距离无线传能技术获得突破，就能解决这些问题。未来电动汽车开在路上，就能通过埋在路面下的微波发射装置边行驶边充电，不需要停下来找充电桩；无人机可以一直飞，不需要返航，从而实现24小时不间断巡检；偏远山区、海岛不用架电线，就能通过微波传输获得稳定的电力。这对我国的乡村振兴、海洋开发都有巨大的价值。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》