梳理一下太空电站、太空算力和相控阵的关系

最近太空算力、太空光伏发电站很火，为了理解新事物，简单梳理一下。

一、什么是太空电站，发电原理及结构

太空太阳能电站（Space Solar Power Station, SSPS）概念最早由美国科学家Peter Glaser博士于1965年提出，SSPS主要由空间段发电卫星和地面接收站组成。

其发电过程为：

空间段卫星通过大型空间太阳能电池阵列将太阳能转化为电能，再由微波天线转化为微波进行空间传输，最后由地面接收站进行接收，并转化为电能输入地面电网。

由于在太空中没有大气削弱，同样面积的光伏板，在太空发的电是地面的10倍以上。同时，太空中没有白天夜晚之分，也没有阴雨天，太空电站的可发电时长远超地面。

世界各国的科学家都对SSPS开展了探索，主要的科技大国，美国、欧洲、日本和中国都提出来很多方案。

美国的SSPS方案如下，都是采用微波送能，上个世纪采用集成天线，进入21世纪，都是采用相控阵天线。

这几个是日本和欧洲的，清一色的采用相控阵天线传送微波来送能。

这个是中国的方案，基本都是采用微波传能，天线采用相控阵。

这里小结一下，太空电站就是通过光伏发电、相控阵天线通过微波送能的巨型设备。

二、全球首个全链条打通的SSPS

由于国外这些年摆烂，国外的SSPS基本都停留在PPT上面，或者史密斯专员用来骗经费。

因此，接下来重点介绍一下国内已经开展实验，并打通全链条的方案，这就是“逐日工程”。

“逐日工程”，中文全称为“空间太阳能电站系统项目”。项目依托为西安电子科技大学陕西省空间太阳能电站系统重点实验室，由西安电子科技大学段宝岩院士团队联合重庆大学杨士中院士团队领衔技术攻关。

国家工信部、发改委、科技部、总装备部等16个部委2014年组织120余位专家进行系统论证，提出了我国发展空间太阳能电站的发展规划与路线图。

我国“空间太阳能电站”的规划是“三小步”、“两大步”。“三小步”就是地面、浮空试验，空间电能管理，天地无线能量传输试验；“两大步”就是进行MW级系统试验验证，建造GW级商业电站。项目中期规划为2015-2030年，远期规划为2030-2050年。

当前进展和未来计划如下：

2014年前期论证，提出了我国SSPS的发展规划与路线图。

2018年正式命名“逐日工程”，重庆实验基地开工。

2022年地面全链路验证通过。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。

2023年浮空平台无线输电试验取得重大进展。

2025年试验卫星已经能把电传回地面，逐日工程已进入“2.0版”的研发阶段。

2028年要送兆瓦级系统上天。

2035年前建成兆瓦级SSPS。

“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。

为了研究清楚中间这个能量传输天线结构和原理，我另外找了一篇设计SSPS系统的论文，详细讲解了相控阵天线传送能量工作的原理和过程：

三、SSPS的未来应用场景

1、太空充电桩

空间太阳能电站未来可以成为轨道中的“太空充电桩”，为太空运转的各类航空器以及地面运转的移动设备提供充电服务。一旦太空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。

在太空应用场景。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。这个场景就适用于中小型的太空算力AIDC，可以隔空送电。

因为相控阵天线的波束指向灵活，指哪打哪，所以才能担负起太空充电桩的作用，隔空充电。

2、太空算力中心

通常卫星需先将数据传回地面，再由地面数据处理中心对其进行解析，这种“天感地算”的模式受限于地面站资源、带宽等因素，仅有不到十分之一的有效卫星数据能传回地面，且存在数据时效差等问题。比如气象卫星每天产生的数据量相当于1000部蓝光电影，从太空传到地面需要8小时，等分析完台风路径，黄花菜都凉了。而太空算力网拥有“天感天算”的能力，让太空不再是数据中转站，而是变成了“宇宙级数据中心”。同时分布式算力调度，上千颗卫星组成的网络，可以根据需求灵活分配算力。这正是之江实验室构建“三体计算星座”的出发点。

要实现“天感天算”，首先要解决太空数据传输的“最后一公里”，主要技术是星间激光通信+分布式传输。用激光代替传统无线电波，通信速率从1Gbps飙升到100Gbps，相当于每秒能传输12部蓝光电影。卫星还能像“太空路由器”一样自动组网，即使某颗卫星出故障，数据也能绕道传输，保证网络永不掉线。其次，太空算力中心需要的电能由SSPS提供，太空中的低温环境刚好解决算力中心的冷却问题，从而能让卫星全年无休工作。

3、定向能武器

高能激光和高功率微波武器是目前发展较为成熟的定向能武器，其中美国、德国、英国、法国、以色列、俄罗斯等在陆基、车载、舰载、机载、星载定向能武器领域不同程度的开展了试验、应用。国外通过持续的试验、使用表明，高能激光、高功率微波武器攻防兼备，明显的技术优势是能光速交战，几乎发射后可以立即达到目标；持续攻击，使用成本低廉；精确交战，附带损伤小；能通过控制所用能量的大小来产生不同的效果，故毁伤可控，可分级响应。

能源是武器装备作战的基础，电磁类武器装备需要将电能转化为电磁波以实现作战功能。 目前，国外战术应用的激光武器和高功率微波武器以电能驱动为主。因此，上述定向能武器的多功能一体运用对战场电能的储量、功率、分配提出了新的要求。国外战术定向能武器主要以储能电池提供能源，多功能定向能武器对电能的功率上限没有更高要求。当前电池的输出功率上限完全满足连续波激光武器百千瓦的功率需求。对于高功率微波武器，主要使用脉冲功率技术获得吉瓦级高峰值功率。SSPS为星载定向能武器奠定了能量基础。

4、太空探索

在航天领域，为火星探测器、月球基地等提供持续稳定的能源补给，SSPS技术也可支撑地月运输体系中的中继空间站的建设和运行。有了充足的能源供应之后，技术将不再是人类探索太空、移民太空的枷锁。

好了，逻辑关系大概就梳理清楚了。

总结一下太空电站的核心是：相控阵天线、光伏电池。

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