當前亟待解決的五個關鍵技術
　　相當于超大型地球同步軌道衛星天線的空間太陽能電站，主要由三部分組成，即太陽光聚光裝置、能量轉換和發射裝置，以及地面接收和轉換裝置。其中，太陽聚光鏡與光伏電池陣裝置將太陽能轉化成為電能，能量轉換裝置將電能轉換成微波等形式，并利用天線向地面發送能束，地面接收系統利用地面天線接收空間發射來的能束，通過整流裝置將其轉換成電能以供使用。
　　作為大型工程，空間太陽能電站的發展必須盡早確定發展規劃與研究計劃，開展長期、持續的基礎性和前瞻性研究，解決其中共性與關鍵技術難題。目前，空間太陽能電站的關鍵技術難題主要有五個方面：即超大型空間天線系統輕量化設計、天線波束指向與控制、空間機器人組裝、機電耦合設計和低成本空間運輸。
　　超大型空間天線與聚光鏡系統設計方面，由于尺度在公里級，成本必須考慮，既要求高性能又要求輕重量、低成本。因此，亟待建立兼顧多學科、多尺度的設計模型，提出輕量化設計理論與方法。對空間聚光鏡、太陽能電池陣及發射天線進行深入研究，降低系統重量，解決空間太陽能電站的太陽能收集系統功率質量比，以及發射天線結構重量、輻射面積和散熱等技術難題。
　　天線陣波束賦形與指向控制方面，需要研究發射天線陣遠場或過渡場方向圖精確指向地面接收天線的孔徑中心、方向圖地面足印及接收天線孔徑的匹配問題。因此，由于同步軌道到地面的指向精度要求很難達到，需要研究合理的實現策略。
　　空間組裝方面，包括機器人（手）技術，亟待實現空間機器人的小型化、智能化，使其適應太空微重力、大溫差、強輻射等極限工作環境；虛擬現實技術，開展虛擬現實環境下的裝配建模、操作定位及交互式裝配規劃與評價。此外，還應進行地面縮比模型試驗，對空間太陽能電站的結構性能、裝配性能及電性能等進行實驗研究。
　　空間太陽能電站大功率連續傳輸的機電耦合問題也不容忽視。空間太陽能電站作為大型在軌運行系統，不可避免地存在多場、多因素、多尺度的耦合問題，其環境載荷、結構參數對位移場、電磁場和溫度場有著巨大的影響，相互之間的機電耦合問題十分突出。為此，亟待開展多物理量在極端惡劣的空間環境下的相互作用機理、相互影響規律的研究，進而建立場耦合理論模型、挖掘影響機理。
　　由于空間太陽能電站的體積比國際空間站大許多倍，需要多次發射到近地軌道并進行組裝，再送往地球同步軌道，而目前人類最大的運載火箭近地軌道運載能力只有100噸，發射成本高。因此，需要研制低成本、大運載量的近地軌道運載器，以及高性能軌道間電推進系統。
　　中國空間太陽能電站研究 應分階段穩步推進
　　空間太陽能電站涉及機械、航天等數十個領域，是一個巨型系統工程，其實際規模將會超過美國已經實施的“阿波羅計劃”，能夠帶動大批從事基礎和工程技術研究的高素質人才培養，并有望引發一場新技術革命。
　　中國從上世紀80年代以來，就一直跟蹤國際空間太陽能電站發展。近年，以中國空間技術研究院為核心，中國工程物理研究院、西安電子科技大學、重慶大學、四川大學等參與的國內研究團隊，分別結合各自的優勢，在系統論證和關鍵技術方面開展了相關工作。
　　2010年，多位中國科學院和中國工程院院士參加完成了《空間太陽能電站技術發展預測和對策研究》咨詢評議報告，建議盡快開展相關論證和設計工作，得到了一批研究機構和學者的重視。根據目前我們的技術水平和研究進展，綜合分析我國的國情和各方面情況，建議在立足于現有的技術條件下，踏實且分階段地推進中國空間太陽能電站研究工作。
　　空間太陽能電站的具體設計和發展，可分為近期、中期及遠期來推進實施，即兩大步三小步：第一大步，2030年建造兆瓦（MW）級空間太陽能電站；第二大步，2050年建造吉瓦（GW）級空間商用太陽能電站。第一大步之內，又分為三個階段進行：即2020年完成關鍵技術的地面攻關與模型演示驗證，2025年完成兆瓦（MW）級電池陣空間構建的驗證，2030年完成百米量級空間組裝天線與相應聚光鏡的驗證。當然，如果能加快進程，將是大家更為希望的。
　　作者簡介：
　　段寶巖，中國工程院院士，電子機械工程專家。

作者：段寶巖 來源：中國科學報 責任編輯：gaoting