CN114039431B - 一种基于月球探测的激光无线能量传输系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，包括：激光能量发射系统和激光能量接收系统，激光能量发射系统安装在着陆器上，激光能量接收系统安装在探测器上；着陆器着陆后保持固定位置，不进行移动或转动，探测器与着陆器分离后，可展开太阳电池阵在着陆器上方展开并维持对日定向，为着陆器提供电能，激光能量发射系统对产生的激光进行指向控制装置，实现定向发射；探测器将根据任务需求移动到目标探测区域，处于较低的月球坑内，探测器通过激光能量接收系统以激光无线能量传输方式获得电能。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，属于高精度定位天线技术领域。
背景技术
月球南极永久阴影区探测是未来月球探测的重点之一，永久阴影区全年内没有任何太阳光照，环境温度也极低，为了实现永久阴影区的原位探测，必须采用同位素核电源或者采用无线能量传输方式进行连续供电。
申请号201810149353.6的国内专利公开了一种激光无线能量传输装置及方法，激光无线能量传输装置包括：光纤激光源、发射系统和激光电池；所述光纤激光光源，用于将产生的多路单频种子激光合束并输出合束激光；所述发射系统，用于将所述合束激光转变为平行激光并发射；所述激光电池，用于接收所述平行激光，并转化为电能。该发明输出的合束激光的功率大，满足激光电池的接受需求，而且将合束激光的光斑形状由圆形调整为椭圆形，增大了合束激光与激光电池板的耦合效率。
月球永久阴影区探测对于科学探测具有特殊意义，采用激光无线能量传输技术将能量由光照区传送至非光照区，实现无光照条件下的全天候探测，是现阶段所考虑的可行方案，但目前没有上述技术的具体实施方案。上述专利没有考虑到月球探测的具体环境，并不适用于月球探测中的能量传输。
发明内容
本发明的技术解决问题是：针对月球探测器电池续航能力不足、无法实现能源自给的问题，提供了一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，采用激光无线能量传输方式通过着陆于月球南极高地的、可长期受到太阳光照的着陆器，向距离着陆器一定距离范围的永久阴影区探测器进行连续的供电，以实现探测器的生存和探测需求。
本发明的技术解决方案是：
一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，包括：激光能量发射系统和激光能量接收系统，激光能量发射系统安装在着陆器上，激光能量接收系统安装在探测器上；着陆器着陆后保持固定位置，不进行移动或转动，探测器与着陆器分离后，可展开太阳电池阵在着陆器上方展开并维持对日定向，为着陆器提供电能，激光能量发射系统对产生的激光进行指向控制装置，实现定向发射；探测器将根据任务需求移动到目标探测区域，处于较低的月球坑内，探测器通过激光能量接收系统以激光无线能量传输方式获得电能。
进一步的，所述可展开太阳电池阵采用薄膜太阳电池阵，薄膜太阳电池阵采用卷绕收拢展开方式；收拢时，所述可展开太阳电池阵呈圆柱状，主支撑杆正反面设有尼龙搭扣，保证电池阵的卷绕状态；
展开时，在充气展开机构作用下，气路驱动所述可展开太阳电池阵向外侧滚筒展开；
电池阵面采用聚酰亚胺薄膜基底、薄膜砷化镓电池和柔性透明防护膜实现薄膜化；薄膜砷化镓电池用于将太阳能转换为电能，薄膜基底用于安装薄膜电池和电池电路，柔性透明防护膜用于对于整个电池阵面进行防护。
进一步的，所述激光能量发射系统包括：激光器供电电源、激光器、发射光学装置、指向装置、指向控制单元、信标接收器；
电能由外部提供给激光器供电电源，激光器供电电源给激光器供电，激光器将电能转换成激光，通过光纤进入发射光学装置；发射光学装置和信标接收器均置于指向装置上；指向装置在方位方向、俯仰方向转动，使得发射光学装置指向能量接收端，同时信标接收器接收信标指示光；在信标接收器接收到信标指示光信号后，经过计算将信标位置发送给指向控制单元；指向控制单元由此控制指向装置转动方向，对激光能量接收系统进行对准。
进一步的，还包括制冷系统，用于为激光器降温；激光器供电电源的输入电能通过可展开太阳电池阵提供。
进一步的，激光能量发射系统和激光能量接收系统之间的激光无线能量传输，通过808nm激光传输实现，输出光纤芯径为100μm，发射光学装置中器件口径为200mm，对应5km传输距离的接收端光斑直径为1.15m，即84％能量，最大功率密度为1.368kW/m2。
进一步的，所述激光能量接收系统用于接收激光光束，将其转化为电能，用于探测器的供电，包括：光电转换单元、能源管理单元、信息采集控制单元；光电转换单元又包括激光电池阵、探测器和信标光发生器；
信标光发生器用于生成信标指示光，探测器用于探测激光束，激光电池阵将接收到的激光束进行光电转换，生成电能；能源管理单元对由光电转换单元提供的电能进行存储和管理，即激光电池阵转换的电能经过最大功率跟踪、稳压电路后输出电压并接入负载的一次充电母线；信息采集控制单元采集探测器信号，对光电转换单元的温度和激光辐照位置状态进行监测。
进一步的，所述探测器包括温度探测器和APD探测器，温度探测器用于探测接收激光束的温度，APD探测器用于探测光照强度，反应激光辐照光板的偏移，根据APD探测器的探测数据确定激光光斑的实际偏差，分析波束需要精确移动的方位和距离信息，对激光发射指向装置进行精确控制。
进一步的，所述激光电池阵设计为圆形布局，通过多组激光电池串并联形成，直径为1.3m；激光电池阵帖敷在1mm厚的铝薄板上，上附聚酰亚胺膜进行绝缘；整个激光电池阵垂直伸展于探测器的上方，四周无遮挡，通过探测器底部的驱动装置实现水平方向的转动，实现对激光光束的跟踪；激光电池材料采用InGaAs，光电转换效率50％；激光电池阵背面进行表面处理，实现高发射率和散热；激光电池阵上布设温度传感器，对电池温度进行实时测量，当温度超过阈值上限时，调整激光电池阵的方位角，或者向激光发射端进行报警，调节激光传输能量。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)根据月球环境、探测任务的特点，提出激光发射装置(月球着陆器)与接收装置(探测器)的任务规划。
(2)提出月球南极着陆器、永久阴影区探测器的构成方案。其中，重点设计了着陆器新型薄膜太阳能电池，以及探测器激光电池等。
(3)根据激光无线能量传输任务，通过计算分析，明确提出选择效率较高的808nm激光传输模式。初步选择输出光纤芯径为100μm，发射光学口径为200mm，对应5km传输距离的接收端光斑直径为1.15m(84％能量)，最大功率密度为1.368kW/m2。
附图说明
图1为薄膜太阳电池阵示意图；
图2是着陆器激光能量发射系统示意图；
图3是探测器激光能量接收系统示意图；
图4是激光电池阵设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
本发明提出一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，采用激光无线能量传输方式通过着陆于月球南极高地的、可长期受到太阳光照的着陆器，向距离着陆器一定距离范围的永久阴影区探测器进行连续的供电，以实现探测器的生存和探测需求。
具体的，本发明提出的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，包括：激光能量发射系统和激光能量接收系统，激光能量发射系统安装在着陆器上，激光能量接收系统安装在探测器上；着陆器着陆后保持固定位置，不进行移动或转动，探测器与着陆器分离后，可展开太阳电池阵在着陆器上方展开并维持对日定向，为着陆器提供电能，激光能量发射系统对产生的激光进行指向控制装置，实现定向发射；探测器将根据任务需求移动到目标探测区域，处于较低的月球坑内，探测器通过激光能量接收系统以激光无线能量传输方式获得电能。
如图1所示，本发明可展开太阳电池阵采用薄膜太阳电池阵，薄膜太阳电池阵采用卷绕收拢展开方式；收拢时，所述可展开太阳电池阵呈圆柱状，主支撑杆正反面设有尼龙搭扣，保证电池阵的卷绕状态；
展开时，在充气展开机构作用下，气路驱动所述可展开太阳电池阵向外侧滚筒展开；
电池阵面采用聚酰亚胺薄膜基底、薄膜砷化镓电池和柔性透明防护膜实现薄膜化；薄膜砷化镓电池用于将太阳能转换为电能，薄膜基底用于安装薄膜电池和电池电路，柔性透明防护膜用于对于整个电池阵面进行防护。
如图2所示，本发明中激光能量发射系统包括：激光器供电电源、激光器、发射光学装置、指向装置、指向控制单元、信标接收器；
电能由外部提供给激光器供电电源，激光器供电电源给激光器供电，激光器将电能转换成激光，通过光纤进入发射光学装置；发射光学装置和信标接收器均置于指向装置上；指向装置在方位方向、俯仰方向转动，使得发射光学装置指向能量接收端，同时信标接收器接收信标指示光；在信标接收器接收到信标指示光信号后，经过计算将信标位置发送给指向控制单元；指向控制单元由此控制指向装置转动方向，对激光能量接收系统进行对准。
进一步的，激光能量发射系统还包括制冷系统，用于为激光器降温；激光器供电电源的输入电能通过可展开太阳电池阵提供。
如图3所示，本发明中激光能量发射系统和激光能量接收系统之间的激光无线能量传输，通过808nm激光传输实现，输出光纤芯径为100μm，发射光学装置中器件口径为200mm，对应5km传输距离的接收端光斑直径为1.15m，即84％能量，最大功率密度为1.368kW/m2。
所述激光能量接收系统用于接收激光光束，将其转化为电能，用于探测器的供电，包括：光电转换单元、能源管理单元、信息采集控制单元；光电转换单元又包括激光电池阵、探测器和信标光发生器；
信标光发生器用于生成信标指示光，探测器用于探测激光束，激光电池阵将接收到的激光束进行光电转换，生成电能；能源管理单元对由光电转换单元提供的电能进行存储和管理，即激光电池阵转换的电能经过最大功率跟踪、稳压电路后输出电压并接入负载的一次充电母线；信息采集控制单元采集探测器信号，对光电转换单元的温度和激光辐照位置状态进行监测。
进一步的，所述探测器包括温度探测器和APD探测器，温度探测器用于探测接收激光束的温度，APD探测器用于探测光照强度，反应激光辐照光板的偏移，根据APD探测器的探测数据确定激光光斑的实际偏差，分析波束需要精确移动的方位和距离信息，对激光发射指向装置进行精确控制。
如图4所示，本发明中激光电池阵设计为圆形布局，通过多组激光电池串并联形成，直径为1.3m；激光电池阵帖敷在1mm厚的铝薄板上，上附聚酰亚胺膜进行绝缘；整个激光电池阵垂直伸展于探测器的上方，四周无遮挡，通过探测器底部的驱动装置实现水平方向的转动，实现对激光光束的跟踪；激光电池材料采用InGaAs，光电转换效率50％；激光电池阵背面进行表面处理，实现高发射率和散热；激光电池阵上布设温度传感器，对电池温度进行实时测量，当温度超过阈值上限时，调整激光电池阵的方位角，或者向激光发射端进行报警，调节激光传输能量。
实施例：
整个系统主要包括着陆器和探测器。大着陆器着陆后保持固定位置，不进行移动或转动，探测器与着陆器分离后，大尺度可展开大功率太阳电池阵在着陆器上方展开并通过SADA维持对日定向；探测器与着陆器分离后，探测器处于较低的月球坑内。
如图1示，着陆器采用太阳能发电方式，总发电功率为4kW，其中为激光器供电功率为3kW，其余为着陆器平台及其他科学载荷供电。发电功率通过SADA传输到着陆器的电力管理系统，一部分电功率用于维持着陆器的基本功能(测控通信、热控、环境探测等)。大部分电功率将用于激光器的供电，产生的激光通过激光发射装置和激光光束指向控制装置进行定向发射，将能量传输到机动的阴影区探测器，为探测器提供连续供电。为了便于收拢以及降低太阳电池阵的质量，拟采用薄膜太阳电池阵。薄膜太阳电池阵采用卷绕收拢展开方式。电池阵面采用聚酰亚胺薄膜基底、高效率薄膜砷化镓电池和柔性透明防护膜实现薄膜化。薄膜电池用于将太阳能转换为电能，薄膜基底用于安装薄膜电池和电池电路，柔性透明防护膜用于对于整个阵面进行防护。
如图2示，激光无线能量发射系统主要激光器供电电源、激光器、发射光学装置、指向装置、指向控制单元、信标接收器；
激光发射流程：
电能由外部提供给激光器供电电源，激光器将电能转换成激光，通过光纤进入发射光学装置；发射光学装置和信标接收器均置于指向装置上；指向装置能够在方位、俯仰方向转动，使得发射光学装置指向能量接收端，同时信标接收器接收信标指示光；在信标接收器接收到信标指示光信号后，经过一定的算法计算，将信标位置发送给控制单元；指向控制单元由此控制指向装置转动方向，对激光能量接收系统进行对准。
激光接收流程：
如图3所示，光电转换单元主要由激光电池阵组成，并设置探测器和信标光；光电转换单元对接收到的激光束进行光电转换，能源管理单元对由光电转换单元提供的电能进行高效存储和管理，即激光电池阵转换的电能经过最大功率跟踪、稳压电路后输出电压并接入负载的一次充电母线。位于光电转换单元上的探测器为温度探测器和APD探测器，信息采集控制单元主要功能是采集探测器信号，对光电转换单元的温度和激光辐照位置状态进行监测。
如图4示，激光电池阵根据激光光斑的形状特性设计为圆形布局，通过多组电池串并联满足电流和电压的设计需求，直径为1.3m，整体电池组件帖敷在金属薄板上，考虑导热和重量因素，选取1mm厚的铝薄板为基板，上附聚酰亚胺膜进行绝缘。整个电池阵垂直伸展于探测器的上方，四周无遮挡，通过机构进行水平方向的转动，实现对激光光束的跟踪。激光电池材料采用GaAs，光电转换效率50％。激光电池阵背面进行表面处理，实现高的发射率，以更好的实现太阳电池的散热。
激光电池阵上布设温度传感器，对电池板温度进行实时测量，当温度超过阈值上限时，调整激光电池阵的方位角，调节激光传输能量。
为了进行更高精度的激光光束分布，在光电池板上按照一定规律排布APD探测器，依据APD探测数据确定光斑的实际偏差，分析波束需要精确移动的方位和距离信息。用于激光发射指向装置的精确控制。
本发明具备以下典型优势：
(1)根据月球环境、探测任务的特点，提出激光发射装置(月球南极着陆器)与接收装置(永久阴影区探测器)的任务规划。采用激光无线能量传输方式通过着陆于月球南极高地的、可长期受到太阳光照的着陆器，向距离着陆器一定距离范围的永久阴影区探测器进行连续的供电，以实现探测器的生存和探测需求。
(2)根据月球激光无线能量传输任务，设计轻质、高效的薄膜太阳电池阵收集电能并为激光能量发射系统提供电能；提出选择效率较高的808nm激光传输模式；选择输出光纤芯径为100μm，发射光学口径为200mm，对应5km传输距离的接收端光斑直径为1.15m(84％能量)，最大功率密度为1.368kW/m2。
(3)本发明激光电池阵设计为圆形布局；整体电池组件帖敷在金属薄板上，考虑空间环境导热和重量因素，选取1mm厚的铝薄板为基板，上附聚酰亚胺膜进行绝缘；激光电池材料采用InGaAs，光电转换效率50％。激光电池阵背面进行表面处理，实现高的发射率，以更好的实现电池的散热。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域的公知技术。
Claims (6)
1.一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于包括：激光能量发射系统和激光能量接收系统，激光能量发射系统安装在着陆器上，激光能量接收系统安装在探测器上；着陆器着陆后保持固定位置，不进行移动或转动，探测器与着陆器分离后，可展开太阳电池阵在着陆器上方展开并维持对日定向，为着陆器提供电能，激光能量发射系统对产生的激光进行指向控制装置，实现定向发射；探测器将根据任务需求移动到目标探测区域，处于较低的月球坑内，探测器通过激光能量接收系统以激光无线能量传输方式获得电能；
所述激光能量发射系统包括：激光器供电电源、激光器、发射光学装置、指向装置、指向控制单元、信标接收器；
电能由外部提供给激光器供电电源，激光器供电电源给激光器供电，激光器将电能转换成激光，通过光纤进入发射光学装置；发射光学装置和信标接收器均置于指向装置上；指向装置在方位方向、俯仰方向转动，使得发射光学装置指向能量接收端，同时信标接收器接收信标指示光；在信标接收器接收到信标指示光信号后，经过计算将信标位置发送给指向控制单元；指向控制单元由此控制指向装置转动方向，对激光能量接收系统进行对准；
所述激光能量接收系统用于接收激光光束，将其转化为电能，用于探测器的供电，包括：光电转换单元、能源管理单元、信息采集控制单元；光电转换单元又包括激光电池阵、探测器和信标光发生器；
信标光发生器用于生成信标指示光，探测器用于探测激光束，激光电池阵将接收到的激光束进行光电转换，生成电能；能源管理单元对由光电转换单元提供的电能进行存储和管理，即激光电池阵转换的电能经过最大功率跟踪、稳压电路后输出电压并接入负载的一次充电母线；信息采集控制单元采集探测器信号，对光电转换单元的温度和激光辐照位置状态进行监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述可展开太阳电池阵采用薄膜太阳电池阵，薄膜太阳电池阵采用卷绕收拢展开方式；收拢时，所述可展开太阳电池阵呈圆柱状，主支撑杆正反面设有尼龙搭扣，保证电池阵的卷绕状态；
展开时，在充气展开机构作用下，气路驱动所述可展开太阳电池阵向外侧滚筒展开；
电池阵面采用聚酰亚胺薄膜基底、薄膜砷化镓电池和柔性透明防护膜实现薄膜化；薄膜砷化镓电池用于将太阳能转换为电能，薄膜基底用于安装薄膜电池和电池电路，柔性透明防护膜用于对于整个电池阵面进行防护。
3.根据权利要求1所述的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于：还包括制冷系统，用于为激光器降温；激光器供电电源的输入电能通过可展开太阳电池阵提供。
4.根据权利要求1所述的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于：激光能量发射系统和激光能量接收系统之间的激光无线能量传输，通过808nm激光传输实现，输出光纤芯径为100μm，发射光学装置中器件口径为200mm，对应5km传输距离的接收端光斑直径为1.15m，即84％能量，最大功率密度为1.368kW/m2。
5.根据权利要求1所述的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述探测器包括温度探测器和APD探测器，温度探测器用于探测接收激光束的温度，APD探测器用于探测光照强度，反应激光辐照光板的偏移，根据APD探测器的探测数据确定激光光斑的实际偏差，分析波束需要精确移动的方位和距离信息，对激光发射指向装置进行精确控制。
6.根据权利要求1所述的一种基于月球探测的激光无线能量传输系统，其特征在于：所述激光电池阵设计为圆形布局，通过多组激光电池串并联形成，直径为1.3m；激光电池阵帖敷在1mm厚的铝薄板上，上附聚酰亚胺膜进行绝缘；整个激光电池阵垂直伸展于探测器的上方，四周无遮挡，通过探测器底部的驱动装置实现水平方向的转动，实现对激光光束的跟踪；激光电池材料采用InGaAs，光电转换效率50％；激光电池阵背面进行表面处理，实现高发射率和散热；激光电池阵上布设温度传感器，对电池温度进行实时测量，当温度超过阈值上限时，调整激光电池阵的方位角，或者向激光发射端进行报警，调节激光传输能量。
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| CN202111160886.2A Active CN114039431B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种基于月球探测的激光无线能量传输系统 |
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Citations (6)
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| CN103633924A (zh) * | 2013-12-04 | 2014-03-12 | 中国航天科技集团公司第五研究院第五一三研究所 | 一种激光传能系统 |
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-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111160886.2A patent/CN114039431B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| 月球南极着陆区关键特性分析;李飞等;航天器工程;24(01);全文 * |
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