黑龙江高考状元2021 太空太阳能项目以成功和教训结束了首次太空任务

aituiguang 2024-02-07 13:26:07 浏览量:16
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最佳经验

一年前,加州理工学院的太空太阳能演示器(SSPD-1)发射到太空,以演示和测试三项技术创新,这些创新是使太空太阳能成为现实所必需的。

星载试验台演示了在太空中无线传输电力的能力;它测量了太空中各种不同类型太阳能电池的效率、耐用性和功能;并给出了一个轻量级可展开结构设计的实际试验,该结构用于运送和容纳上述太阳能电池和电力发射器。

现在,随着SSPD-1的太空任务结束,地球上的工程师们正在庆祝试验平台的成功,并从中吸取重要的经验教训,这将有助于规划太空太阳能的未来。

“以商业速度从太空发射的太阳能,照亮全球,仍然是一个未来的前景。但这一关键任务表明,这应该是一个可以实现的未来,”加州理工学院院长托马斯·f·罗森鲍姆说,他是索尼娅和威廉·达维多总统主席和物理学教授。

SSPD-1代表了这个已经进行了十多年的项目的一个重要里程碑,作为多个国家正在追求的技术向前迈出的切实而高调的一步,它获得了国际关注。作为加州理工学院空间太阳能项目(SSPP)的一部分,由哈里·阿特沃特、阿里·哈吉米里和塞尔吉奥·佩莱格里诺教授领导,它于2023年1月3日由Momentus Vigoride航天器发射升空。它由三个主要实验组成,每个实验都测试一种不同的技术:

  • DOLCE(可展开在轨超轻复合材料实验):一个1.8米× 1.8米的结构,用于演示介绍了可扩展的模块化航天器的新架构、封装方案和部署机制,这些航天器最终将构成千米尺度的航天器用作发电站的星座。
  • ALBA:收集了32种不同类型的光伏(PV)电池,以评估能够承受恶劣空间环境的电池类型。
  • MAPLE(用于能量传输低轨道实验的微波阵列):一组灵活、轻便的微波功率发射机基于定制集成电路,精确定时控制聚焦电源选择在两个不同的接收器上进行演示在太空中实现远距离无线电力传输。

“这并不是说我们在太空中没有太阳能电池板。例如,太阳能电池板用于为国际空间站提供动力,”奥的斯展位工程与应用科学部领导主席阿特沃特说;Howard Hughes应用物理与材料科学教授;液体阳光联盟主任;也是SSPP的主要研究员之一。“但要发射和部署足够大的阵列,为地球提供有意义的电力,SSPP必须设计和制造超轻、廉价、灵活和可部署的太阳能传输系统。”

DOLCE:部署结构

尽管SSPD-1上的所有实验最终都取得了成功,但并非一切都按照计划进行。然而,对于领导这项工作的科学家和工程师来说,这正是关键所在。SSPD-1的真实测试环境为评估每个组件提供了机会,所收集的见解将对未来的空间太阳能电池阵列设计产生深远的影响。

例如,在DOLCE的部署过程中——这本来是一个三到四天的过程——连接对角线吊杆和结构角落的一根电线被卡住了,这使得它可以展开。这阻碍了部署,并损坏了其中一个围油栏与结构之间的连接。

随着时间的流逝,研究小组利用DOLCE上的摄像机以及佩莱格里诺实验室的全尺寸DOLCE工作模型来确定并试图解决这个问题。他们确定,当太阳直接加热以及地球反射的太阳能加热时,受损的系统会更好地部署。

一旦斜桁展开,结构完全展开,一个新的复杂问题就出现了:部分结构在展开机制下卡住了,这在实验室测试中从未见过。利用DOLCE相机的图像,该团队能够在实验室中重现这种干扰,并制定了解决方案。最终,Pellegrino和他的团队通过DOLCE致动器的运动,振动了整个结构,消除了堵塞,完成了部署。佩莱格里诺说,从经验中吸取的教训将为下一个部署机制提供信息。

“空间测试证明了基本概念的稳健性,这使得我们能够在两个异常情况下成功部署,”Joyce和Kent Kresa航空航天和土木工程教授兼SSPP联合主任Pellegrino说。“故障排除过程为我们提供了许多新的见解,并将我们的重点放在了模块化结构与对角吊杆之间的连接上。我们已经开发出新的方法来抵消超轻可展开结构中自重的影响。”

ALBA:收集太阳能

与此同时,由阿特沃特领导的ALBA团队在240多天的运行过程中测量了三种全新的超轻型研究级太阳能电池的光伏性能,这些电池之前从未在轨道上进行过测试。一些太阳能电池是使用SSPP实验室和加州理工学院Kavli纳米科学研究所(KNI)的设备定制的,这为团队提供了一种可靠而快速的方法,使小型尖端设备快速准备好飞行。在未来的工作中,该团队计划测试使用高度可扩展的廉价制造方法制造的大面积电池,这种方法可以大大减少这些太空太阳能电池的质量和成本。

目前商业上可用的太空太阳能电池通常比地球上广泛部署的太阳能电池和模块贵100倍。这是因为它们的制造采用了一种昂贵的称为外延生长的步骤,其中晶体薄膜在衬底上以特定的方向生长。SSPP太阳能电池团队通过使用廉价和可扩展的生产工艺实现了低成本的非外延空间电池,就像制造今天的硅太阳能电池一样。这些工艺采用高性能化合物半导体材料,如砷化镓,目前通常用于制造高效率的太空电池。

该团队还测试了钙钛矿电池,钙钛矿电池已经引起了太阳能制造商的注意,因为它们便宜而灵活,还有可能在大型柔性聚合物片上部署的发光太阳能聚光器。

在ALBA的生命周期中,研究小组收集了足够的数据,能够观察到单个细胞在响应太阳耀斑和地磁活动等空间天气事件时的运行变化。例如,他们发现钙钛矿电池的性能有很大的可变性,而低成本的砷化镓电池总体上表现良好。

“SSPP为我们提供了一个独特的机会,可以直接从加州理工学院的实验室将太阳能电池带入轨道,加快了通常需要数年时间才能完成的太空测试。这种方法大大缩短了空间太阳能技术的创新周期,”阿特沃特说。

MAPLE:太空无线电力传输

最后,正如6月份宣布的那样,MAPLE展示了其在太空中无线传输电力并将光束定向到地球的能力——这是该领域的第一次。在最初的演示之后,MAPLE实验持续了8个月,在随后的工作中,团队将MAPLE推向了极限,以暴露和了解其潜在的弱点,以便将吸取的经验教训应用于未来的设计。

研究小组将任务初期阵列的性能与任务结束时阵列的性能进行了比较,当时故意强调了MAPLE。观察到总发射功率的下降。回到地球上的实验室,研究小组重现了能量下降,将其归因于阵列中几个单独的发射元件的退化,以及系统中一些复杂的电热相互作用。

“这些观察结果已经导致对MAPLE的各种元素的设计进行了修改,以最大限度地提高其在长时间内的性能,”布伦电气工程和医学工程教授兼SSPP联合主任Hajimiri说。“用SSPD-1进行的太空测试使我们能够更清楚地了解我们的盲点,并对我们的能力更有信心。”

向前走

欧文公司董事长、加州理工学院社区终身成员、慈善家唐纳德·布伦(Donald Bren)年轻时在《大众科学》(Popular Science)杂志上的一篇文章中首次了解到太空太阳能制造的潜力,SSPP由此启动。布伦被太空太阳能的潜力所吸引,于2011年找到加州理工学院时任校长让-卢·查莫(Jean-Lou Chameau),讨论建立一个太空太阳能研究项目。在接下来的几年里,布伦和他的妻子布丽吉特·布伦(加州理工学院的受托人)同意通过唐纳德·布伦基金会(Donald Bren Foundation)进行一系列捐赠(总承诺金额超过1亿美元),为该项目提供资金,并为加州理工学院提供了一些教授职位。

唐纳德·布伦说:“加州理工学院杰出的科学家们的辛勤工作和奉献精神推动了我们的梦想,即为全人类的利益,为世界提供丰富、可靠和负担得起的能源。”

除了从Brens获得的支持外,诺斯罗普·格鲁曼公司还通过赞助的研究协议,在2014年至2017年期间向加州理工学院提供了1250万美元,以帮助技术开发和推进该项目的科学。

随着SSPD-1任务的结束,该试验台于11月11日停止了与地球的通信。搭载SSPD-1的Vigoride-5航天器将继续留在轨道上,以支持使用蒸馏水作为推进剂的微波电热推进器发动机的持续测试和演示。它最终将脱离轨道并在地球大气层中解体。

与此同时,SSPP团队继续在实验室工作,研究来自SSPD-1的反馈,以确定该项目要解决的下一组基础研究挑战。

 

资讯来源:http://www.xxyiy.cn/news/show-267.html

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