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微波推进与星间能量传递(我可以参与科幻吗?)

已有 2114 次阅读 2016-4-28 18:19 |个人分类:电力电子|系统分类:科研笔记|关键词:学者

     1941年,一部短篇科幻小说《推理》问世,作者是科幻史上的三巨头之一艾萨克·阿西莫夫。故事的场景是一个在太空中收集太阳能的空间站,这座空间站把收集到的能量用微波传送到周围的行星。小说问世大概30年后,美国航天工程师彼得·格雷泽提出了太阳能发电卫星的概念卫星的太阳能电池板收集能量,然后用微波把能量传送回地面。这样做的好处是太空中的太阳光更强,而且可以24小时不间断。问题来了,在这位工程师的设想中,卫星上发射微波的天线要1平方千米那么大,把这么大的东西送上太空并不容易,而且地面站需要更大尺寸的微波接收天线。20世纪70年代末,美国能源部和美国航空航天局评估了这个项目,结论是未知因素太多,无法准确判断。
      20世纪90年代,美国航空航天局重新评估它,结果还是一样,要等到航天发射变得很便宜时才有可能。日本科学家并不这么想,2014年,日本宇航研究开发机构(JAXA)的教授司理佐佐木撰文曝料,日本要在25年内把太阳能卫星变成现实,计划在东京湾建造一个拥有50亿台微波天线的、3千米长的人工岛,用来接收卫星发射的微波束。为什么日本如此急切?第一,日本没有多少石油资源;第二,日本缺少可以利用风能、太阳能的辽阔土地;第三,福岛核电站的事故让人对核电很害怕。他们并没有纸上谈兵,2015年3月,三菱重工成功进行了一次功率10千瓦的微波能量传输实验,传送距离500米。

      2015年夏天,科学家验证了比冲达到500秒的热交换引擎,高比冲意味着推进系统的高效率。另外,他们成功演示了用微波为小型无人机提供10千瓦至20千瓦的飞行动力。无人机自由地飞来飞去,微波天线可以自动跟踪。他们还研制出了100千瓦的微波源,准备进行千米距离上的能量传输实验。   2015年7月,美国航空航天局把微波推进绘入了未来推进技术的蓝图。

   

     

     如何实现高功率的微波源?(这是一个挑战的技术问题)

     1. 需要什么频率的微波呢?研究人员把微波频率初步定在92千兆赫(GHz)。

     2.微波功率要多大呢?这取决于飞船的重量。微波功率大概是400兆瓦。

     3. 微波源的效率,目前是50%左右

     4.目前发射功率为500千瓦的微波源,要达到400兆瓦的微波功率,就需要800个微波源。

     微波推进是对电力电子技术的一个巨大的挑战,首先是频率问题,90GHz的固态大功率电力电子器件目前不存在,因此,必须将器件的开关频率 成10六次方到10的八次方左右的降低,在电路拓扑上目前是可能的,关键是减少系统的复杂性。同时线路设计需要考虑到甚高频的效应问题。

     技术路线可以分为谐振和非谐振的两种。

   

A 2.5-GHz Asymmetric Multilevel Outphasing Power Amplifier in 65-nm CMOS

 

   



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2 樊京 shaoyunpeng

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