月球科研站多光束激光传能系统设计

徐红艳，石德乐，黄秀军，侯欣宾

(1.山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670；2.钱学森空间技术实验室，北京 100094)

近年来，随着航天科技的发展，以及探索太空未知世界的本能和好奇心，使得人类开展深空探测成为发展的必然。1959 年，首个接近月球的探测器——前苏联月球1 号探测器——在距月球5 995 km 上空飞跃[1]，揭开了人类探月计划的篇章。1969年7 月20 日，美国“阿波罗11 号”飞船成功登月，宇航员尼尔·阿姆斯特朗在月球表面留下的第一个脚印，成为人类航天史上一大里程碑。近年来，世界主要航天国家再次将载人月球探测列为重点发展领域。2019 年，美国国家航空航天局(NASA)发布“阿尔忒弥斯”(Artemis)计划，根据Artemis 计划，NASA 将于2024 年前登陆月球南极，实现载人重返月球，在2025至2030 年间建立环月轨道空间站和月球表面基地以实现美国月面持续驻留[2]。

随着各国对月球探测的不断深入，月球极区永久阴影区中存在大量水冰的证据也不断丰富，这对于科学研究和资源利用都具有巨大的吸引力。对月球极区水资源的勘察、开采和利用成为了当前月球探测领域最炙手可热的研究方向，我国也即将开展嫦娥七号月球极区水冰探测任务。然而，由于月球运行轨道接近黄道平面，月球两极的陨石坑内部无法接收太阳照射，这意味着传统的太阳能发电系统无法在永久阴影区运行。自20 世纪开始，人们就提出了用于月球永久阴影区的激光无线供电方案设想：位于月坑边缘光照区的太阳电池阵列或核反应堆为激光系统提供直接能源，激光束作为能量载体发射到永久阴影区的激光光电接收装置，光能转换为电能后可为阴影区探测的漫游车进行持续供电[3-9]。

激光无线能量传输是以高能量密度激光束作为能量载体，对于远距离的目标进行非接触供电，具有激光光束方向调节灵活、无电磁干扰等优点，尤其适用于无大气衰减的月面等空间环境。本文对月表阴影区的激光无线能量传输系统进行了链路仿真。

1 月面激光无线能量传输链路分析

激光无线能量传输系统包括激光源、发射系统、距离传输、光电转换、光电转换控制及管理以及负载输出等部分，月面激光传能的链路方程可以表示为：

式中：Pt为发射端输入电功率；η1为激光器电光转换效率；η2为发射系统效率；η3为传输效率(真空为1)；η4为光电转换效率，包括电池阵列的激光截获效率、激光电池片的布片率和电池片的转换效率；η5为能源管理效率。

以实现1 km 内充电功率不小于400 W 为任务目标，采用808 nm 半导体激光源和1 064 nm 光纤激光光源进行链路仿真。对于两种激光无线能量传输系统，链路效率的主要区别在于采用激光器的电光转换效率，以及与激光波长匹配激光电池的光电转换效率。首先，对于激光器而言，目前808 nm 半导体激光器的电光效率在50%左右，1 064 nm 光纤激光器的光电效率约为三分之一。与之相对应的激光电池分别为GaAs 电池和InGaAs 电池。在800 nm 波段激光照射下，目前GaAs 电池的光电效率可达55%以上[10-12]，在较强激光照射或者温度较低情况下，其转换效率高达76.3%[13-14]。InGaAs 电池在1 μm 以上近红外激光照射下，其转换效率在40%以上[15-16]，因此仿真计算采用光电转换效率为55%和40%的GaAs电池和InGaAs 电池进行比较，链路效率仿真分析如表1 所示。其中，仿真中设定激光发射系统的发射效率相同，发射激光完全照射到光电池阵列上，并且电池阵列采用同样的布片率研制而成。

表1 两种激光器的传能链路效率仿真计算 %

根据传能链路效率仿真，采用808 nm 半导体激光器的传能系统，其链路光电效率和光光效率均高于1 064 nm 光纤激光器传能系统相应链路效率的10%以上。产生400 W 电功率输出，需要的808 和1 064 nm 激光功率分别为988 和1 356 W。从链路效率和功率角度分析，808 nm 激光传能系统优于1 064 nm 传能系统。

虽然采用半导体激光器传能效率较高，但相对于光纤激光器等固体激光器，其光束质量较差。对于kW 功率的808 nm 半导体激光器BPP 多在几十mm•mrad[17-19]，而同等甚至更高功率的光纤激光器可获得近衍射极限光功率输出[20-23]，光束质量m2≤1.3(对应光束参量积BPP≤3.8 mm•mrad)。两种体制激光器光束质量十余倍的差别，使得采用这两种激光器的激光无线能量传输系统适应于不同的应用场景。

对于月面1 km 内近距离的激光传能，半导体激光器以传能系统效率高的特点优于光纤激光器，因此本论文将采用808 nm 的半导体激光器进行月面激光无线能量传输系统的方案设计。随着能量传输距离的增加，光纤激光器较高的光束质量对于激光传能发射端发射光学系统，以及接收端光电池阵列的尺寸规模均带来一定益处，因此采用光纤激光器的激光无线能量传输系统更适合开展十多km 或百km的激光充电。

2 多光束激光协同能量传输技术

通过以上分析，808 nm 激光束作为激光无线传输能量载体可提高系统的传输效率，但随着激光器输出功率的增加，光束质量随之变差，通过光纤耦合等光束整形手段可优化光束质量，但光束质量提高的代价却是激光耦合效率的降低，相应的激光器电光转换效率下降，进而严重影响激光无线能量传输的链路传输效率。若采用多个808 nm 激光器进行多光束协同能量传输，降低对单个激光器输出功率的要求，除了带来激光光束质量的提高，远场光束的叠加还有益于光场的平滑，起到一定匀化作用，更利于激光电池阵列光电转换的提高。

2.1 多光束激光无线能量传输系统模型

月面激光无线能量传输系统包括激光发射端和激光接收端。其中，激光发射端安装在着陆器平台，由着陆器电源给激光器提供必要的工作能量。激光接收端安装在月球车，可进行激光和太阳光复用发电。当月球车在月坑等阴影区工作时，位于着陆器平台上的激光发射端向月球车光电池阵列发射激光，提供能源供给。在光照区，月球车上的激光接收光电池阵列可利用太阳能发电。整个传能系统的控制以及传能检测参数传递通过星务管理系统来完成，传能信息通过着陆器与月球车通信信道来传递。月面激光无线能量传输系统如图1 所示，其中发射端采用多个激光器提供能量载体，经过光束控制系统中的光学发射天线，将激光束准直扩束后发射到月球车激光传能接收端。

图1 月面多光束激光无线能量传输系统示意图

激光无线能量传输发射端的光学系统一般采用倒置的望远光学系统进行扩束，减小激光束的发散角，达到远距离激光能量传输的目的。高斯光束通过望远镜系统的透镜变换矩阵为[24]：

式中：f1，f2分别为两镜的焦距；l=f1+f2-Δ为两镜间距，其中Δ表示调焦量，MT=-f2/f1为望远镜系统的放大率。假设对于调焦望远镜系统，入射光束束腰ω01到目镜的距离为l1，出射光束束腰ω02到物镜的距离为l2，则高斯光束经过该系统的变换矩阵为：

根据ABCD 传输规律，得到物像比例公式：

式中：Z01为入射光束的瑞利长度。可见，对于望远光学系统，给定入射高斯光束后，其出射光束的尺寸与系统的调焦量Δ和光腰到目镜的距离l1有关。

鉴于激光传能系统发射激光功率较高的特点，应避免产生光束实焦点，因此光学系统采用无焦扩束系统。如图2 所示，光学系统采用两级扩束、多光束空间叠加的设计方法，各光束首先经过一级扩束，然后在经反射镜发射到主发射天线，实现二级扩束。其中反射多激光束进入主发射天线的快反镜，可采用多个快反镜独立控制设计，实现各光束发射角度的小范围调整。

图2 多激光器发射光路示意图

为实现1 km 范围内，激光无线能量传输系统均处于理想工作状态，发射光学系统应具有束散角调节功能，以保证月球车行驶在1 km 范围内的任何距离都可以接收同样面积和光强的激光照射。本设计将移动镜组设计为二级扩束系统的次镜，根据着陆器测距系统提供的距离信息及传能光束控制系统的引导，通过控制器对次镜位置进行微米量级的快速精细调节，控制传能激光束的发射束散角，进而实现不同距离处月球车光电池阵列接收激光照射情况的一致性和激光传能系统的稳定输能。

2.2 用于光电接收转换的远场激光分析

为了直观看出光学系统调焦量对扩束的影响，对图2 所示光学系统进行分析，文献[25-26]通过利用矩阵方法对激光在两级扩束系统中的传输进行了研究，本设计对光学系统进行简化，将经过一级扩束后的激光束作为固定输入，参与计算的激光波束的参数假定为：波长808 nm，横向为圆形、高斯分布，经过一级扩束后的腰斑半径为60 mm，波束束腰距二级扩束次镜15 cm，数值模拟出射光束束腰与调焦量及系统放大率MT之间的关系，其中次镜焦距设定为500 mm。如图3 所示，对于不同的系统放大率，即对应不同的主镜焦距，调焦量Δ对出射光束束腰影响是比较明显的：当Δ>0 时系统是会聚的；当Δ<0 时系统是发散的；当Δ=0 时，是理想扩束系统。

图3 出射光束束腰随调焦量和主镜焦距的变化曲线

考虑实验中对光束传输起到直接影响的物理量是光束远场发散角，也模拟了不同光束质量的激光束经准直扩束后光束发散角随调焦量的变化曲线如图4 所示。从图中可以看出，输出光纤芯径分别为200、220 和400 μm，NA0.22 的激光束，光束质量越差，出射光束发散角随Δ变化的响应速率越快，对调焦控制器的精度，以及光学系统稳定性的要求越高。并且对于同样出射光束半径，光束质量较差的光束，其远场发散角越大。远距离传输时，接收端光斑越大，光功率密度越小，进而对激光无线能量传输接收端光电池阵列的光束截获效率和转换效率产生不利影响。

位于月球着陆器平台的激光传能发射端系统中，多光束发射技术的阵列分布有多种形式，但通常都是以对称方式分布，以便得到对称的光斑分布。本设计采用平面对称圆形阵列形式，考虑到激光总功率为1 kW 左右，主要对光束数目分别为3，4，5 的几种情况进行讨论，光源空间位置分布如图5 所示。

图5 多光束配置示意图

如图6 所示，对于大功率单光束激光器，需采用大口径的发射系统将出射激光束腰大倍率扩束，以压窄激光发散角，实现远距离的激光能量传输。采用多光束发射空间波束叠加的方式，单个光束输出功率小，光束质量明显改善，发射口径可相应减小。另外，利用快反镜对各光束发射角度进行精确调节，并根据传能距离控制光学系统的调焦量，实现激光传能接收端各光斑质心间距、光斑尺寸，以及各光束输出功率的调节，在接收端获得理想的光场分布。通过图6 可以看出，多光束叠加光场相对于单光束输出，具有多物理量调节的特点，在接收端可获得一定面积的功率稳定区。特别地，对于一定面积的方形激光接收端，如1 m×1 m 的光电池阵列，采用4 光束和5 光束发射系统，在提高光束均匀性的同时，相对于圆形光斑，叠加光场可更好地实现光电池阵列与激光光场的空间匹配，提高激光截获效率，更有利于月球车激光电池阵列整体光电转换效率提升。

图6 1 km处接收光功率密度分布

3 结论

能源系统是人类探索太空，建设月球基地的基础，特别是阴影区能源保障系统对于极区水冰的探测和开发具有重要意义。本文提出了基于多光束发射的激光无线能量协同传输在月面阴影区的应用，并开展了传能链路理论分析，结果说明对于月表1 km 内的无线能源供给，采用半导体激光器的激光无线能量传输系统具有链路效率高的优势，并进行了激光光束质量对激光准直发射系统调焦精度的影响分析，以及多光束远场光强分布计算，通过各光束发射角度、发散角和发射功率调节，可获得较单光束更理想的接收光场，有利于光电转换效率的提升。采用多光束激光无线能量协同传输技术，实现月面大功率激光无线能源保障，为我国深空探测技术的发展提供了技术支撑。