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西安电子科技大学段宝岩院士团队研制的全链路全系统空间太阳能电站地面验证系统通过验收
2022年6月5日，从西安电子科技大学段宝岩院士带领的“逐日工程”研究团队传来好消息，
世界首个全链路全系统的空间太阳能电站地面验证系统顺利通过专家组验收。这一验证系统突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流、灵巧机械结构设计等多项关键技术。
当天上午，在经过了深入、细致的现场考察、咨询交流等环节后，以吴一戎院士为组长、包括另外三位院士在内的九位专家组成的评价组一致认为：
该项目成果总体处于国际先进水平，其中欧米伽光机电集成设计、55米传输距离的微波功率无线传输效率、微波波束收集效率、聚光与天线等高精度结构系统功质比等主要技术指标位居国际领先水平。该成果对我国下一代微波功率无线传输技术与空间太阳能电站理论与技术的发展具有支撑性、引领性，应用前景十分广阔。
全链路全系统地面验证系统验证了完整过程
2013年底，随着一份题为《关于尽早启动我国太空发电站关键技术研究的建议》的院士联名建议案获得批复，中国空间太阳能电站研究开始步入发展快车道。
2014年，工信部、发改委、科技部等16个部委组织了来自国内的130余位专家开展了近一年的论证工作，论证组最终完成了《中国太空发电站发展规划及关键技术体系规划论证报告》，为我国开展太空发电站关键技术攻关决策提供了重要指引。
与此同时，西安电子科技大学段宝岩院士团队提出了欧米伽（OMEGA）空间太阳能电站设计方案。这一设计方案与美国的阿尔法（ALPHA）设计方案相比，具备三个优势：控制难度下降，散热压力减轻，功质比（天上系统的单位质量所产生的电）提高约24%。
“空间太阳能电站研究，目前在全世界是一个热点。”段宝岩院士介绍说。据了解，自1968年美国人彼得•格拉泽提出建设太空电站的构想之后，先后已有美国国家航空航天局（NASA）与能源部联合启动并资助的“1979SPS基准系统”，欧洲启动的“空间探索与利用的系统、概念、结构和技术”研究等。
2012年以来，在NASA创新概念项目支持下，约翰•曼金斯教授提出了“任意大规模相控阵式空间太阳能电站”阿尔法（SSPS-ALPHA）方案。之后，美国诺格公司与加州理工大学签署了一项总额1750万美元的空间太阳能电站技术研发合同。与此同时，印度、俄罗斯、英国、法国的科研工作者，亦在空间太阳能电站研究领域持续发力。
目前，在众多技术强国的发展路线图中，日本后来居上，已经成为走在世界最前沿的研究者之一。他们在世界上第一个将空间太阳能电站正式列入了国家航天计划，还提出了独特的分布式绳系太阳能电站理念，制定了“研究-研发-商业”三阶段的远景发展路线图。2015年，日本研究者开展了55米距离的微波无线传能实验，验证了基于5.8吉赫频率、固态源和相控阵体制下的传输，传输效率为9.88%，在微波无线能量传输技术方面暂时处于世界领先地位。
“但日本的这种试验系统依然不是全链路的，缺少了从光到电的过程，他们的技术优势集中在从发射天线到接收天线这一链路。”段宝岩介绍说，“而西电搭建的这个地面验证系统，是全链路全系统的，实现了从跟日、聚光、光电转换、微波发射到微波接收整流等完整过程。”
测试成功时间比原定技术路线节点提前了近三年
如果从2013年通过院士建议参与到推动中国空间太阳能电站研究工作算起，今年正好是段宝岩院士带领的西电研究团队参与这一科研攻关项目的第10个年头。10年来，研究团队从方案提出、理论分析、仿真计算、室内传能验证、户外地面验证，正一步一个脚印地稳步向前开展着空间太阳能电站相关研究工作。
2017年，国家成立空间太阳能电站推进委员会。一年后，我国首个空间太阳能电站领域的省部级重点实验室“陕西省空间太阳能电站系统重点实验室”在西电挂牌。2021年中国宇航学会空间太阳能专委会成立。
2018年12月23日，在“空间太阳能电站系统项目”启动仪式暨高峰论坛上，西电空间太阳能电站研究项目被命名为“逐日工程”。在顺利完成了理论研究计算、室内传能验证之后，段宝岩研究团队拉开了“逐日工程”空间太阳能电站的户外地面验证挑战序幕。
OMEGA--SSPS地面试验验证系统
“逐日工程”空间太阳能电站地面验证系统位于西电南校区，其支撑塔为75m高的钢结构，验证系统主要包括五大子系统：欧米伽聚光与光电转换、电力传输与管理、射频发射天线、接收与整流天线、控制与测量。其工作原理，首先是根据太阳高度角确定聚光镜需要倾斜的角度，在接收到聚光镜反射的太阳光后，位于聚光镜中心的光伏电池阵，将其转化为直流电能。随后，通过电源管理模块，四个聚光系统转换得到的电能汇聚到中间发射天线，经过振荡器和放大器等模块，电能被进一步转化为微波，利用无线传输的形式发射到接收天线。最后，接收天线将微波整流再次转换成直流电，供给负载。
一千多个日日夜夜，“逐日工程”验证系统各子系统的搭建，以及一次次失败之后重新再来的艰辛与痛苦，都凝聚在下面这样的一个个瞬间，以及项目组团队成员持之以恒、锲而不舍的身影之中。
一天夜里，已是凌晨时分，北校区新科技楼旁，一位长者正带着两位青年学生抬着一个200公斤的天线走到实验楼楼口。天线太沉，人手太少。于是，长者去楼门口“抓壮丁”。在这栋楼的实验室内，每天都有上千学生进行各种试验，凌晨时分下自习者并不鲜见。长者很快“抓到”了几个刚走出实验室的“学生壮丁”。就在大家一起抬天线的时候，学生们发现身边这个长者不是别人，正是“逐日工程”的首席科学家段宝岩院士。
“从事科学研究工作，特别是我们这样的工程项目，需要亲自动手，需要实际操作，需要一次次跑现场，绝不是在电脑上做做仿真就行了的。”段宝岩院士反复强调。在这近三年地面验证系统搭建攻坚阶段，段宝岩与团队成员夜以继日最晚的记录是早晨六点，而且不止一次。其中最近的一次发生在2022年4月，学生们在一项试验中的数据始终不能让人满意，他陪着学生一起通宵达旦到了次日早晨六点。回家简单洗漱之后，送他参加另一个学术研讨会的汽车已等在楼下。
“计算仿真，安装调试，其实这都不算啥，有时我们碰到的难题，完全不像是在做研究。”年轻的张逸群教授是“逐日工程”项目组的主要成员之一，他讲起了在日常工作中碰到的一件小事，这件事虽与解决科研难题关系不大，但却从另一个侧面记录着科研的艰辛。
有一天深夜，天气预报显示一场暴雨将在几个小时以后抵达。刚刚在南校区试验场测量完聚光器型面精度，张逸群正打算将空中系统落地回收、搬回库房时，却发现了一个自己难以解决的问题：空中系统和地面支撑运输结构难以完全装配，这里牵扯到了结构和控制诸多因素。一个小时的无果尝试之后，眼看乌云密布，他拨通了远在20里外北校区的另一位团队骨干陈光达教授的微信视频。又是一个小时的远程讨论，无果。此时已是凌晨两点，一辆轿车从北校区的南门驶出，半个小时后，陈光达出现在满头大汗的张逸群身旁。此刻，雷声滚滚，他们终于在大雨到来的最后一刻之前，将空中系统完美降落在地面支撑运输结构上，将系统完整无缺地搬回到了库房。
张逸群教授正在悬吊状态下逐个测量欧米伽聚光器线馈源光伏电池表面入射光强度
许多了不起的成就，其实都靠点点滴滴的细小努力积累而成的。“逐日工程”这个空间太阳能电站地面验证系统，就是在段宝岩院士亲自示范带动下，经过项目组几十上百名师生精诚协作，一点一滴搭建起来的。2022年6月5日，全链路、全系统的空间太阳能电站地面验证系统通过验收，这个时间比原定的技术路线节点提前了近三年。
项目正发挥着“技术工具包”和“人才演兵场”作用
空间太阳能电站研究是一个能源领域的“曼哈顿工程”，涉及的技术领域非常之多。作为“逐日工程”首席科学家，段宝岩院士深知，最终实现天地之间的传输需要几代人的接续奋斗。段宝岩说：“打个比方，天地传输就像是共同富裕一样，那是终极目标，一定需要很多年很多人的努力才能实现，但我们可以从现在就开始研究，从最为可能实现的地方做起。这样做的好处，就是可以让一部分‘人’先富起来。”
2020年11月，党委书记查显友与第四届全国无线传能学术会议代表合影
段宝岩介绍道，这些最先享受到空间太阳能电站事业红利的“先富起来的‘人’”可以分为两大类：
首先是太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备。段宝岩设想，空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”。他指出，目前中小卫星需要携带庞大的太阳帆板进行充电，但其效率低，因为当卫星运行到地球阴影区时便无法充电。如果有了“太空充电桩”，卫星则不再需要庞大的太阳帆板，只需一付可收展的接收天线，就像加油站一样。
逐日工程发射与接收天线
此外，一旦地面无线充电桩的构想获得突破，其在民用及军用两大领域都有着广阔的现实价值。比如，其能在边远地区供电、救灾、突发事件无线供电以及降低恶劣气候（台风强度、走向等）影响方面大展身手。再比如，其可直接应用于对军用卫星、空间武器、大型舰船、地面军事设施的无线供电，特别是在军用应急雷达、平流层飞行器、无人机群等无线供电方面具有令人激动的应用前景，可确保持续、灵活、可靠、实时的能源供应，保障军事力量的有效性和国家安全。
更为重要的是，作为一名曾经担任过十年校长的教育工作者，段宝岩看重了推动“逐日工程”产生的“技术工具包”和“人才演兵场”作用。他说，这项研究工作可以为全链路全系统空间太阳能电站所涉及到的技术领域，提供一个齐头并进的发展环境，与此相关的技术与工程研究，都可以在这个“两全”的技术包基础上，对供能方式进行个性化微调，从而实现设计的创新发展。
而在“人才演兵场”的作用方面，则可以用段宝岩常常给学生讲的一句话进行概括，那就是“一代做给一代看，一代更比一代强”。段宝岩非常注重在学生中尽早发现科研好苗子，一旦发现就选入项目组锻炼、悉心培养。2022年5月，当“逐日工程”项目组博士生钱思浩顺利完成毕业答辩，准备跟同学们出去庆祝一下时，在本科时就发现其科研潜质的导师段宝岩叫住了他。“有几个地方还可以再修改一下。”就这样，他以继续改论文这种特殊的方式度过了答辩通过之后的第一个夜晚。据统计，在“逐日工程”项目组中，80后及90后科研人员占比已经达到61%，他们在多个子系统的磨合中，已经逐渐成长为理论功底与工程水平比翼齐飞的全能型人才。
接下来，段宝岩院士带领的研究团队，在目前已经实现的一对一传输的基础上，又将投入到微波大功率无线传输一对多等方向的探索当中。
相关知识：
空间太阳能电站。空间太阳能电站英文缩写SSPS（space solar power station）凝聚了半个多世纪以来地球上最聪慧的脑细胞持之以恒的思考与努力。简单讲，其主要由“发”“送”“收”三部分组成。首先在太空中通过大型太阳能电池阵列将太阳能转化为电能，继而将电能转化为微波，接着通过微波发射天线将能量传输到接收天线，最后由接收天线将接收到的微波转化为电能，供用户使用。一句话概括，这是一套在地球轨道上收集太阳能，再无线传输到接收天线的发电系统。
欧米伽空间太阳能电站方案。欧米伽方案利用了球形聚光器线聚焦域的特点，将聚光器设计为任意轴对称的回转体，采用线馈源聚焦。课题组通过微波菲涅尔场理论的初步分析，计算出了收、发天线系统规模，估算了相关系统参数指标。此外，设计了一种无线耦合的方式进行能量传输管理结构，光电转换所获得的直流电可通过传输电缆，送至高功率微波发射天线。发射天线通过大跨度调整索连接于主反射体“南北极”区域，连接结构的质量可大幅度降低。
欧米伽空间太阳能电站地面验证系统的三大创新点。一是提出了欧米伽空间太阳能电站（SSPS-OMEGA）创新设计方案，包括：聚光与微波系统分布式设计、“球面-线聚焦”聚光模式等，可为我国未来建造空间太阳能电站提供关键技术支撑。二是建立了多物理场耦合理论模型，揭示了空间复杂应用环境因素对微波功率无线传输效率的影响机理，提出了基于场耦合理论模型与影响机理的系统设计理论与方法，为该项目的成功研制奠定了理论基础。三是突破并验证了高效率聚光与光电转换、微波转换、微波发射与波形优化、微波波束指向测量与控制、微波接收与整流以及高精度机械结构设计与制造等多项关键技术，微波波束收集效率、微波功率无线传输效率、功质比等主要技术指标达到国际领先水平。（特约撰稿：关宏才）
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