月球科研站多光束激光傳能系統設計

徐紅艷，石德樂，黃秀軍，侯欣賓

(1.山東航天電子技術研究所，山東煙臺 264670；2.錢學森空間技術實驗室，北京 100094)

近年來，隨著航天科技的發展，以及探索太空未知世界的本能和好奇心，使得人類開展深空探測成為發展的必然。1959 年，首個接近月球的探測器——前蘇聯月球1 號探測器——在距月球5 995 km 上空飛躍[1]，揭開了人類探月計劃的篇章。1969年7 月20 日，美國“阿波羅11 號”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腳印，成為人類航天史上一大里程碑。近年來，世界主要航天國家再次將載人月球探測列為重點發展領域。2019 年，美國國家航空航天局(NASA)發布“阿爾忒彌斯”(Artemis)計劃，根據Artemis 計劃，NASA 將于2024 年前登陸月球南極，實現載人重返月球，在2025至2030 年間建立環月軌道空間站和月球表面基地以實現美國月面持續駐留[2]。

隨著各國對月球探測的不斷深入，月球極區永久陰影區中存在大量水冰的證據也不斷豐富，這對于科學研究和資源利用都具有巨大的吸引力。對月球極區水資源的勘察、開采和利用成為了當前月球探測領域最炙手可熱的研究方向，我國也即將開展嫦娥七號月球極區水冰探測任務。然而，由于月球運行軌道接近黃道平面，月球兩極的隕石坑內部無法接收太陽照射，這意味著傳統的太陽能發電系統無法在永久陰影區運行。自20 世紀開始，人們就提出了用于月球永久陰影區的激光無線供電方案設想：位于月坑邊緣光照區的太陽電池陣列或核反應堆為激光系統提供直接能源，激光束作為能量載體發射到永久陰影區的激光光電接收裝置，光能轉換為電能后可為陰影區探測的漫游車進行持續供電[3-9]。

激光無線能量傳輸是以高能量密度激光束作為能量載體，對于遠距離的目標進行非接觸供電，具有激光光束方向調節靈活、無電磁干擾等優點，尤其適用于無大氣衰減的月面等空間環境。本文對月表陰影區的激光無線能量傳輸系統進行了鏈路仿真。

1 月面激光無線能量傳輸鏈路分析

激光無線能量傳輸系統包括激光源、發射系統、距離傳輸、光電轉換、光電轉換控制及管理以及負載輸出等部分，月面激光傳能的鏈路方程可以表示為：

式中：Pt為發射端輸入電功率；η1為激光器電光轉換效率；η2為發射系統效率；η3為傳輸效率(真空為1)；η4為光電轉換效率，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換效率；η5為能源管理效率。

以實現1 km 內充電功率不小于400 W 為任務目標，采用808 nm 半導體激光源和1 064 nm 光纖激光光源進行鏈路仿真。對于兩種激光無線能量傳輸系統，鏈路效率的主要區別在于采用激光器的電光轉換效率，以及與激光波長匹配激光電池的光電轉換效率。首先，對于激光器而言，目前808 nm 半導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。與之相對應的激光電池分別為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55%以上[10-12]，在較強激光照射或者溫度較低情況下，其轉換效率高達76.3%[13-14]。InGaAs 電池在1 μm 以上近紅外激光照射下，其轉換效率在40%以上[15-16]，因此仿真計算采用光電轉換效率為55%和40%的GaAs電池和InGaAs 電池進行比較，鏈路效率仿真分析如表1 所示。其中，仿真中設定激光發射系統的發射效率相同，發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算 %

根據傳能鏈路效率仿真，采用808 nm 半導體激光器的傳能系統，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相應鏈路效率的10%以上。產生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 激光傳能系統優于1 064 nm 傳能系統。

雖然采用半導體激光器傳能效率較高，但相對于光纖激光器等固體激光器，其光束質量較差。對于kW 功率的808 nm 半導體激光器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]，光束質量m2≤1.3(對應光束參量積BPP≤3.8 mm?mrad)。兩種體制激光器光束質量十余倍的差別，使得采用這兩種激光器的激光無線能量傳輸系統適應于不同的應用場景。

對于月面1 km 內近距離的激光傳能，半導體激光器以傳能系統效率高的特點優于光纖激光器，因此本論文將采用808 nm 的半導體激光器進行月面激光無線能量傳輸系統的方案設計。隨著能量傳輸距離的增加，光纖激光器較高的光束質量對于激光傳能發射端發射光學系統，以及接收端光電池陣列的尺寸規模均帶來一定益處，因此采用光纖激光器的激光無線能量傳輸系統更適合開展十多km 或百km的激光充電。

2 多光束激光協同能量傳輸技術

通過以上分析，808 nm 激光束作為激光無線傳輸能量載體可提高系統的傳輸效率，但隨著激光器輸出功率的增加，光束質量隨之變差，通過光纖耦合等光束整形手段可優化光束質量，但光束質量提高的代價卻是激光耦合效率的降低，相應的激光器電光轉換效率下降，進而嚴重影響激光無線能量傳輸的鏈路傳輸效率。若采用多個808 nm 激光器進行多光束協同能量傳輸，降低對單個激光器輸出功率的要求，除了帶來激光光束質量的提高，遠場光束的疊加還有益于光場的平滑，起到一定勻化作用，更利于激光電池陣列光電轉換的提高。

2.1 多光束激光無線能量傳輸系統模型

月面激光無線能量傳輸系統包括激光發射端和激光接收端。其中，激光發射端安裝在著陸器平臺，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，可進行激光和太陽光復用發電。當月球車在月坑等陰影區工作時，位于著陸器平臺上的激光發射端向月球車光電池陣列發射激光，提供能源供給。在光照區，月球車上的激光接收光電池陣列可利用太陽能發電。整個傳能系統的控制以及傳能檢測參數傳遞通過星務管理系統來完成，傳能信息通過著陸器與月球車通信信道來傳遞。月面激光無線能量傳輸系統如圖1 所示，其中發射端采用多個激光器提供能量載體，經過光束控制系統中的光學發射天線，將激光束準直擴束后發射到月球車激光傳能接收端。

圖1 月面多光束激光無線能量傳輸系統示意圖

激光無線能量傳輸發射端的光學系統一般采用倒置的望遠光學系統進行擴束，減小激光束的發散角，達到遠距離激光能量傳輸的目的。高斯光束通過望遠鏡系統的透鏡變換矩陣為[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表示調焦量，MT=-f2/f1為望遠鏡系統的放大率。假設對于調焦望遠鏡系統，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，則高斯光束經過該系統的變換矩陣為：

根據ABCD 傳輸規律，得到物像比例公式：

式中：Z01為入射光束的瑞利長度。可見，對于望遠光學系統，給定入射高斯光束后，其出射光束的尺寸與系統的調焦量Δ和光腰到目鏡的距離l1有關。

鑒于激光傳能系統發射激光功率較高的特點，應避免產生光束實焦點，因此光學系統采用無焦擴束系統。如圖2 所示，光學系統采用兩級擴束、多光束空間疊加的設計方法，各光束首先經過一級擴束，然后在經反射鏡發射到主發射天線，實現二級擴束。其中反射多激光束進入主發射天線的快反鏡，可采用多個快反鏡獨立控制設計，實現各光束發射角度的小范圍調整。

圖2 多激光器發射光路示意圖

為實現1 km 范圍內，激光無線能量傳輸系統均處于理想工作狀態，發射光學系統應具有束散角調節功能，以保證月球車行駛在1 km 范圍內的任何距離都可以接收同樣面積和光強的激光照射。本設計將移動鏡組設計為二級擴束系統的次鏡，根據著陸器測距系統提供的距離信息及傳能光束控制系統的引導，通過控制器對次鏡位置進行微米量級的快速精細調節，控制傳能激光束的發射束散角，進而實現不同距離處月球車光電池陣列接收激光照射情況的一致性和激光傳能系統的穩定輸能。

2.2 用于光電接收轉換的遠場激光分析

為了直觀看出光學系統調焦量對擴束的影響，對圖2 所示光學系統進行分析，文獻[25-26]通過利用矩陣方法對激光在兩級擴束系統中的傳輸進行了研究，本設計對光學系統進行簡化，將經過一級擴束后的激光束作為固定輸入，參與計算的激光波束的參數假定為：波長808 nm，橫向為圓形、高斯分布，經過一級擴束后的腰斑半徑為60 mm，波束束腰距二級擴束次鏡15 cm，數值模擬出射光束束腰與調焦量及系統放大率MT之間的關系，其中次鏡焦距設定為500 mm。如圖3 所示，對于不同的系統放大率，即對應不同的主鏡焦距，調焦量Δ對出射光束束腰影響是比較明顯的：當Δ>0 時系統是會聚的；當Δ<0 時系統是發散的；當Δ=0 時，是理想擴束系統。

圖3 出射光束束腰隨調焦量和主鏡焦距的變化曲線

考慮實驗中對光束傳輸起到直接影響的物理量是光束遠場發散角，也模擬了不同光束質量的激光束經準直擴束后光束發散角隨調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，光束質量越差，出射光束發散角隨Δ變化的響應速率越快，對調焦控制器的精度，以及光學系統穩定性的要求越高。并且對于同樣出射光束半徑，光束質量較差的光束，其遠場發散角越大。遠距離傳輸時，接收端光斑越大，光功率密度越小，進而對激光無線能量傳輸接收端光電池陣列的光束截獲效率和轉換效率產生不利影響。

位于月球著陸器平臺的激光傳能發射端系統中，多光束發射技術的陣列分布有多種形式，但通常都是以對稱方式分布，以便得到對稱的光斑分布。本設計采用平面對稱圓形陣列形式，考慮到激光總功率為1 kW 左右，主要對光束數目分別為3，4，5 的幾種情況進行討論，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，對于大功率單光束激光器，需采用大口徑的發射系統將出射激光束腰大倍率擴束，以壓窄激光發散角，實現遠距離的激光能量傳輸。采用多光束發射空間波束疊加的方式，單個光束輸出功率小，光束質量明顯改善，發射口徑可相應減小。另外，利用快反鏡對各光束發射角度進行精確調節，并根據傳能距離控制光學系統的調焦量，實現激光傳能接收端各光斑質心間距、光斑尺寸，以及各光束輸出功率的調節，在接收端獲得理想的光場分布。通過圖6 可以看出，多光束疊加光場相對于單光束輸出，具有多物理量調節的特點，在接收端可獲得一定面積的功率穩定區。特別地，對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 光束發射系統，在提高光束均勻性的同時，相對于圓形光斑，疊加光場可更好地實現光電池陣列與激光光場的空間匹配，提高激光截獲效率，更有利于月球車激光電池陣列整體光電轉換效率提升。

圖6 1 km處接收光功率密度分布

3 結論

能源系統是人類探索太空，建設月球基地的基礎，特別是陰影區能源保障系統對于極區水冰的探測和開發具有重要意義。本文提出了基于多光束發射的激光無線能量協同傳輸在月面陰影區的應用，并開展了傳能鏈路理論分析，結果說明對于月表1 km 內的無線能源供給，采用半導體激光器的激光無線能量傳輸系統具有鏈路效率高的優勢，并進行了激光光束質量對激光準直發射系統調焦精度的影響分析，以及多光束遠場光強分布計算，通過各光束發射角度、發散角和發射功率調節，可獲得較單光束更理想的接收光場，有利于光電轉換效率的提升。采用多光束激光無線能量協同傳輸技術，實現月面大功率激光無線能源保障，為我國深空探測技術的發展提供了技術支撐。