逐日之夢

從構(gòu)建到地面驗證

關(guān)于建設(shè)空間太陽能電站的構(gòu)想，最早可追溯到1968年。當(dāng)時有科學(xué)家提出，在地球軌道上部署超大型太陽能發(fā)電裝置，不受晝夜和天氣影響，持續(xù)收集太陽能，再通過微波或激光無線傳輸至地面。整個過程經(jīng)歷“太陽能—電能—微波—電能”的轉(zhuǎn)換，一旦實現(xiàn)，人類將獲得取之不盡、零碳排放的清潔能源。

然而，這個“太空充電樁”的構(gòu)想，卻被技術(shù)困住了半個世紀(jì)。直到近年來，空間高效能量轉(zhuǎn)化、無線能量傳輸、超大型結(jié)構(gòu)構(gòu)建等關(guān)鍵技術(shù)取得突破，才逐步走向現(xiàn)實。

2006年，我國開始相關(guān)研究。2014年，西安電子科技大學(xué)段寶巖院士團隊提出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“歐米伽（OMEGA）”空間太陽能電站方案，區(qū)別于美國、日本的設(shè)計，在結(jié)構(gòu)和效率上更具優(yōu)勢。

2018年12月23日，“逐日工程——空間太陽能電站地面驗證系統(tǒng)”在西安電子科技大學(xué)啟動——“逐日”取自“夸父逐日”，寓意追趕太陽、捕獲能量。

經(jīng)過4年艱苦攻關(guān)，2022年，團隊建成世界首個全鏈路、全系統(tǒng)的OMEGA—SSPS（歐米伽聚光式空間太陽能電站系統(tǒng)）地面驗證系統(tǒng)。所謂“全鏈路”，就是從陽光收集、光電轉(zhuǎn)換、微波發(fā)射、空間傳輸?shù)浇邮照�流輸出，整個流程全部跑通�！爱�(dāng)時的主要指標(biāo)是，收發(fā)天線相距55米，發(fā)射功率2081瓦，波束收集效率87.3%，直流—直流傳輸效率15.05%�！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)機電工程學(xué)院副院長段學(xué)超介紹，這些數(shù)據(jù)在當(dāng)時達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

但這只是起點。定點輸電像在固定位置拉一根“無形電線”，目標(biāo)一動就會脫靶斷電。真實的航天器、無人機、地面移動設(shè)備等處于不間斷運動中。從“靜態(tài)”到“動態(tài)”，成了團隊必須跨越的下一道坎。

逐日之躍

從定點到動目標(biāo)

一時的成功沒有讓團隊停下腳步�！拔覀冎�道，真正的工程應(yīng)用，必須解決‘動起來’的問題�！崩顒渍f。

2026年5月底，好消息從“逐日工程”研究團隊傳來：經(jīng)過又一輪4年攻堅，團隊拿出了“逐日工程2.0”——世界首套一對多動目標(biāo)OMEGA—SSPS微波無線傳能地面驗證系統(tǒng)。

“一對多”意味著同一套發(fā)射系統(tǒng)，通過波束指向精準(zhǔn)控制，幾乎同時為多個高速移動的目標(biāo)精準(zhǔn)供電。這就像在黑夜里用一束光快速切換射中多個移動的靶心，難度可想而知。

關(guān)鍵難點有3個。第一是高精度測控。發(fā)射天線需要實時獲取每個接收目標(biāo)的方位、距離和姿態(tài)。團隊開發(fā)了基于反向波束導(dǎo)引的閉環(huán)控制系統(tǒng)——接收端發(fā)出導(dǎo)引信號，發(fā)射端及時捕獲并解算，實現(xiàn)波束的精確指向。“通俗地說，就是‘雙向奔赴’，系統(tǒng)邊跟蹤邊修正，讓能量不偏不倚地‘發(fā)送’到目標(biāo)上。”李勛說。

第二是收發(fā)天線的小型化、輕量化、集成化。地面驗證可以建75米高塔，但上天的設(shè)備必須輕、必須小。團隊通過一體化設(shè)計，把多個功能模塊壓縮到更小空間，大幅減重。

第三是效率提升。直流—直流傳輸效率從15%提升到20%，每提高一個百分點，背后都是材料、器件、算法的全方位突破。團隊升級了氮化鎵二極管等新型器件，提高系統(tǒng)承受大功率波動的能力。

攻關(guān)初期，目標(biāo)丟失、波束打偏是家常便飯�！巴ㄐ叛舆t導(dǎo)致數(shù)據(jù)跟不上，接收天線明明在這個點，波束卻打到了那個點上。”段學(xué)超回憶。通過將發(fā)射天線的機械調(diào)整裝置開展機電耦合設(shè)計，團隊從源頭上提升其控制帶寬，又要通過反復(fù)實驗，驗證在柔索驅(qū)動的空中結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)接觸上進(jìn)行精確指向的控制效果。在項目攻堅階段，老師和同學(xué)們經(jīng)常從下午忙到深夜一兩點，整理完數(shù)據(jù)才休息。

就是這些“土辦法”加“硬功夫”，團隊一點點啃下了技術(shù)的“硬骨頭”。盛夏的測試場上，數(shù)據(jù)傳來：百米級距離，直流—直流傳輸效率達(dá)到20.8%，波束收集效率88%。無人機實驗同步成功——時速30公里、距離30米條件下，穩(wěn)定接收143瓦電力。這意味著，一架小型無人機可以在飛行中持續(xù)“隔空充電”，再也不用擔(dān)心續(xù)航問題。

專家組評價：“‘逐日工程2.0’實現(xiàn)了從靜態(tài)原理驗證到動態(tài)多目標(biāo)工程應(yīng)用的關(guān)鍵跨越，總體達(dá)到國際領(lǐng)先水平�！�

放眼全球，美國、日本、韓國都在推進(jìn)空間太陽能電站計劃，但截至目前，中國是唯一跑通全鏈路并實現(xiàn)一對多動目標(biāo)傳能的國家。

逐日之遠(yuǎn)

從地面到太空的星辰大海

地面驗證成功，只是征途的第一步。按照國家規(guī)劃的“兩大步三小步”路線圖：2030年建成兆瓦級在軌試驗電站，2050年建成吉瓦級空間太陽能電站。

“假設(shè)在地球靜止軌道上每0.1度（間距約73千米）布置一個空間太陽能電站，整個軌道可以部署約3600個電站。按照每個空間太陽能電站的發(fā)電功率1吉瓦計算，若軌道到地面?zhèn)髂苄�率達(dá)到30%，每年可以為地面提供約1萬太瓦時（1太瓦時等于10億千瓦時）的電力，可以滿足目前全球約1/3的電力需求，還可以用于地面的海水淡化和制氫等�？臻g太陽能電站除了為地面進(jìn)行基礎(chǔ)負(fù)載供電以外，在地面和空間也具有多種應(yīng)用前景�！倍螌殠r說。

比如，空間太陽能電站可以為航天器提供“太空充電樁”。很多中小型衛(wèi)星依賴自身攜帶的太陽帆板供電，一旦飛到地球陰影區(qū)就“斷電”�？臻g太陽能電站可以隨時為它們補能，普通用戶將因此享受到更穩(wěn)定的手機信號和定位服務(wù)。

空間太陽能電站還能為地面移動目標(biāo)和災(zāi)區(qū)緊急供電。偏遠(yuǎn)山區(qū)、受災(zāi)現(xiàn)場，只需一臺接收裝置，就能獲得“從天而降”的電力。

“通過電力中繼衛(wèi)星，空間太陽能電站建設(shè)還可實現(xiàn)跨洲的超遠(yuǎn)距離電力傳輸。未來月球基地、火星探測，都可以依賴環(huán)月或環(huán)火軌道電站供電，解決長達(dá)14天的月球夜長等難題�！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)機電工程學(xué)院教授樊冠恒補充道，“空間太陽能電站建設(shè)也有助于臺風(fēng)減緩與小行星防御。理論仿真顯示，向臺風(fēng)特定區(qū)域注入0.5至10吉瓦微波能量，可破壞其形態(tài)、減弱強度。對于威脅地球的小行星，空間太陽能電站可為高功率電推力器供能，改變其軌道。此外，空間太陽能電站還可用于軌道碎片清除、在軌推進(jìn)劑補給、小行星資源開采等前沿領(lǐng)域。”

段寶巖有一個形象的比喻：“空間太陽能電站就是部署在太空預(yù)定軌道的‘微波充電樁’�！边@不僅是能源革命，更是人類文明從“依賴化石燃料”走向“太空能源時代”的跨越。

又是盛夏。75米的高塔下，科研團隊每天都在做實驗，汗水浸透了衣衫，LED燈在無人機上一次次亮起……“只有把精益求精的科研精神發(fā)揮到極致，才能實現(xiàn)指標(biāo)突破�！倍螌殠r的這句話，是團隊12年攻關(guān)的真實寫照。從2014年提出方案，到2018年工程啟動，到2022年“逐日工程1.0”建成，再到2026年“逐日工程2.0”跨越——追光的人，正在奮力奔跑，每一步都算數(shù)。