【原创文章】无线能量传输——X-37B的新黑科技

伴随着宇宙神V火箭的轰鸣,航天飞机的唯一继承者X-37B第六次飞入太空,这也是美国太空军正式成立后第一次X-37B发射。不过和一问三不知的前五次任务不同,这次代号USSF-7的任务首次公布了X-37B的部分载荷,相比较其他几项比较普通的太空实验,有一项技术的实验却非常引人注目,那便是听上去非常科幻的微波能量传输测试。

本文作者:Saturn V,本网授权发表,标题是我瞎起的。

无线能量传输——X-37B的新黑科技

无线能量传输——X-37B的新黑科技

微波能量传输是无线能量传输的一种,正如其名是不依赖物理连接,利用电磁波中的微波来隔空进行能量传输。随着无线充电手机的普及无线充电技术应该不陌生,不过和手机无线充电的电生磁,磁生电的近距离电磁感应不同,微波能量传输的目的在于不通过任何质量来完成能量的远距离传输。现阶段的电网家用电器等,依赖的都是电线内导体电子的“接力”来完成电能的传输,需要诸如电线电网等基础设施的建设,微波能量传输便可跳过导体的步骤直接“隔空”传输能量

无线能量传输——X-37B的新黑科技

接触式加热(左)和微波加热(右)

 

乍一看这个技术听上去很科幻,但实际上日常生活中几乎天天都用到,那便是微波炉。微波炉把电能转换成微波,微波传递给食物中的水和脂肪使其运动产生热能加热食物,借助微波完成了电能和热能的转换,本质上便是无线能量传输。微波能量传输即是省去了热能的步骤,同时大幅度拉长传播距离,把接收到的微波直接转换回电能的技术。

 

无线能量传输——X-37B的新黑科技

太阳能发电卫星设想图

不需要铺设电线便能输电的优势在太空尤为明显,使用微波的太阳能发电卫星不需要建设太空电梯等造价昂贵的基础设施来传输电力,只需要把电能转换为微波发射回地表再由地面基站转换回电能即可。由于没有直接连接,卫星既可部署在同步轨道上向地表固定点传输,亦可部署在优化太阳照射的轨道上向地表各基站“接力”传输,完全不受天气影响提供几乎24小时不间断的无限清洁能源。那么为什么要使用微波呢?这还要从无线能量传输要解决的一个大问题说起,那便是地球大气对电磁波的干扰。

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黄色为宇宙太阳光谱,红色为大气吸收后的太阳光谱

太空太阳能发电的效率要远高于地表太阳能发电的效率,首要原因便是哪怕没有天气的影响,地球大气也会反射和吸收大量的太阳光能量,据估算太阳辐射能量有23%被大气层吸收另有29%被反射回太空,实际到达地表的连一半都不到。好在地球大气层对于不同频率的电磁波的吸收/反射程度并不一样,因而为减少电能在传输时的损耗,必须选择被大气吸收和反射的少,也就是透过率高的电磁波频率来传输

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为减少对地面日常生活的影响显然不能选择可见光,那剩下的波长中能穿透大气层的只有10微米左右的近红外电磁波,或者是波长1毫米以上到10米以下区间的微波和无线电波。两种波段选择各有利弊,由于接收和发射电磁波的天线长度和波长成正比,波长较长的微波传输能量需要建造更大更长的天线,但电磁波的能量与波长成反比,波长较短能量较高的近红外对行进过程中媒介和收发天线的加热效应更大,且近红外电磁波容易被云层和雨水阻挡。因此X-37B上搭载的无线能量传输装置采用的是微波电磁波,最大限度减少对载具的影响和对地表天气的依赖。

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具体而言X-37B要测试这个设备名叫PRAM,是英文“光伏无线电波天线模组” (Photovoltaic Radio-frequency Antenna Module)的英文首字母简写。外观上为一个30厘米的正方形太阳能电板,由28个小型长方形光伏模组组成,模组下方安装有转换装置,将太阳辐射转化为微波波束后发射回地面。研究人员将对比发射的波束和接收到的电能来计算PRAM穿越大气层的能量转换效率,进一步完善设计。X-37B超长的在轨时间也是为了测试PRAM长时间真空环境下的工作状态,且和其他测试卫星不同X-37B能把PRAM带回地面检查分析损耗情况,是测试微波能量传输的绝佳载具。

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激光动力飞行器原理

除去太阳能发电卫星,微波能量传输技术的其他应用也非常广泛。既然发射平台不需要相对固定,那接收平台理论上也不需要相对固定。充分利用无线的优势,太阳能发电卫星只需要一个接收器便可为没有或难以铺设电力基础设施的偏远地区直接供电,甚至可通过聚焦微波波束,以微波“激光”的形式为电动无人机乃至电动无人船只提供近乎无限的动力,无限滞空的无人机和无限航行的集装箱船将不再是梦想。

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DARPA列出的能量波束的应用,横轴为传输距离纵轴为瓦特,SBSP及为太阳能发电卫星

不过这也引出了PRAM另一个不止为民用的发展,从太空将能量精确的传输给地面意味着也能将能量精确的传输给太空中的其他目标。PRAM的核心技术在于降低微波转换和传输时的热损耗,但如果把该技术的应用反过来增大热损耗,在太空中没有大气吸收,微波的能量将悉数传递给接收器。如果再刻意提高发射微波的能量密度增强热效应,就像把手机放入微波炉一样,高能微波能直接烧毁目标的集成电路乃至让目标的电池爆炸,换言之稍加改造PRAM将会是一个非常高效的反卫星武器

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高能微波(High-power Microwave)被美国国防情报局纳入威胁卫星手段中的一种,且位列首位。和其他的卫星杀伤方式相比,高能微波不需要直接对目标进行撞击,避免了撞击后产生的大量太空垃圾碎片破坏其他的卫星。同时由于高能微波对电子元件是硬杀伤能直接损毁一个卫星,比软杀伤的电子干扰等手段更加直接且有效。更为关键的是一个能太空多次变轨的载具,比如X-37B,可靠近多个卫星以“电”为“子弹”依次摧毁,大幅度降低反卫星的成本。事实上采用高能微波的“直接能量”武器早已有先例。

 

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最臭名昭著的莫过于雷声公司研发的“主动阻止系统”(ADS),通过3.2毫米波长的高能微波远距离加热人皮肤下的脂肪和水,就像突然在面前打开高温烤箱一样瞬间造成炙热和灼烧感觉,以此来驱散人群。不过和太空用杀伤电子元件目的更接近的应该是波音研发的CHAMP导弹,也就是“反电子高能微波先进导弹项目”(Counter-Electronics High Power Microwave Advanced Missile Project)和雷声在ADS上改进的陆用CHAMP一样,均为通过释放高能微波烧毁目标的电子元器和集成电路,达到永久破坏的目的。

 

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雷声针对无人机的高能微波武器

有趣的是尽管在X-37B上测试的PRAM为彻彻底底的民用科技,实验的绝大多数数据估计也会以论文形式公开,但实际进行PRAM研究的却是美国海军研究实验室,资金更直接由美国国防部下属的OECIF直接提供。和概念理论研发不同OECIF更加强调新技术的整合展示,以及非实验室环境下的现场实验和测试。或许这才是非军事纯科研的PRAM却在X-37B而不是国际空间站上测试的最根本原因吧。

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文末附送本次X-37B发射回放
(全文完)

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