技术瓶颈已突破!我国应尽快研制激光炮卫星,以便清除太空垃圾
5月24日,伊朗公布了伊朗总统坠机事件的初步调查结果。其中有个诡异的疑点是,伊朗总统乘坐的美制直升机刚起飞时当地天气很好,但在半路上突然遇到一片诡异的云团。伊朗总统座机在穿越这片诡异云团时突然起火坠毁。刚好那段时间有美国大型运输机在坠机地点附近飞过。于是,有人怀疑,有可能伊朗总统座机碰到的诡异云团是通过定向能武器制造的等离子云团,因此穿越期间才会起火坠毁。
根据公开消息,美国的定向能武器已经具备实用化能力。理论上美军有能力通过定向能武器制造等离子云团。
对于我国来说,不论伊朗总统坠机事件罪魁祸首是否是定向能武器,我们都要加快定向能武器,比如高能激光。因为这类武器用途广泛,使用成本还远低于导弹、火炮。鉴于美国军用潜力巨大的“星链卫星”网络已经初步成型,我国非常有必要尽快研究低成本、高效应对手段。
据报道,2023年美国曾进行了一次“星链”拦截洲际导弹的模拟测试,测试结果显示有350枚来袭洲际导弹,“星链”全部拦截成功。
近几十年来人类的航天活动产生了天量天空垃圾。此外,美国的星链卫星已经部署了几千颗,这是美国构建不对称战略威慑的手段。为了保护我国太空资产,也为避免战略被动,我国有必要尽快做好应对准备。目前摧毁卫星的手段主要有导弹拦截、激光炮拦截、太空拖曳卫星捕获等手段。其中,最高效、成本最低的手段还是激光炮。战时可以快速秒杀敌方卫星。因此,我国非常有必要在太空部署太空激光炮卫星,平时可以用于清除太空垃圾,保护空间站、卫星免遭太空垃圾撞毁,战时还能高效低成本秒杀敌方卫星。
那么太空激光炮卫星该设计成什么样呢?
第一输出功率要达到150kW,第二持续射击能力要做到200次。
在太空中,由于没有空气,激光功率衰减很慢,150kW的输出功率就足以在几百公里范围内摧毁物体。按照每次攻击持续照射10秒计算,每次攻击可输出1.5MW能量,即0.41667度电的能量。目前最适合作为太空激光炮能量输出装置的激光器是光纤激光器。根据国内厂家公布的数据,高功率光纤激光器光电转换效率不小于35%,远高于化学激光器。按照每次放电效率90%计算,每次射击需要消耗1.3度电,如果再把储能系统的充放电损耗考虑在内,每次射击消耗的电能不会超过1.5度电。那么200次射击消耗的电能就不超过300度电。
按照输出功率150kW,200次持续射击能力计算,一枚太空激光炮卫星重量不会超过5629kg。
太空激光卫星由激光发射装置、储能装置、光伏发电系统、霍尔推进器等4大部分零部件,再加上体积、重量、能耗几乎可以忽略不计的计算机控制系统组成。通过估算4大部分零部件重量就能估算出激光卫星重量。
一是150kW光纤激光炮发射装置重量不超过750kG。
2017年11月16日,《中国光学期刊网》发布了一篇名为《美“高能液体激光区域防御系统”将在直升机上开展试验》的新闻。文中提到,美军计划研制一款输出功率约为150kW的激光武器,重量仅为750kg。从美军曝光的消息来看,该激光武器基本可以确定采用光纤激光器作为能量输出装置。
据了解,我国在光纤激光器技术领域已经领先美国!据“中关村丰台园”官方头条号报道,3月20日, 在2024慕尼黑上海光博会上,凯普林正式发布全球首台150kW工业级光纤激光器,刷新全球工业切割领域高功率纪录,并支持200kW超高功率激光产生与传输的超高功率输出头。
为满足激光炮瞬时超大功率输出,一般采用超级电容给激光炮供电,而我国在超级电容技术领域同样领先世界。据报道,2023年奥威科技研制的超级电容器单体能量密度就已经达到120Wh/kg,处于世界领先水平。
凭借领先美国的光纤激光器技术和超级电容技术,我国完全有能力造出比美国还要好的光纤激光炮!也就是说,我国有望造出输出功率150kW,但重量小于750kg的激光炮。
二是150度电容量的卫星储能电池重量不超过750kg。
飞机发动机功率可达10MW以上,作为飞机携带的激光炮,飞机自带的发电机就能满足为超级电容快速充电的要求。但如果要把这套系统搬到卫星上去,那就需要再增加一套储能系统。因为在太空中,卫星补充燃料的难度很大,一般采用光伏发电补充能量。为了控制卫星尺寸,光伏发电功率很难超过100kW。当卫星进入地球阴影区(黑夜区),卫星就无法发电,此外,卫星的光伏发电板也无法时刻正对太阳,发电功率也不稳定,这就要求卫星要集成储能系统以确保随时都能为超级电容充电。
令人振奋的是,我国在储能电池领域同样是世界领先!今年3月8日,中国科学院院士陈军在接受记者采访时表示,他所带领的团队已经成功研发出400Wh/kg的新型固态电池样品,预计2年之内研发出600Wh/kg的固态电池。
按照400Wh/kg的能量密度计算,750kg的固态电池就能为太空激光炮卫星提高300度电。
三是激光炮卫星所需的光伏发电系统重量不超过3629kg。
据了解,国际空间站的光伏发电系统总重超过19200磅(约8709kg),可提供84~120kW的发电功率。也就是说国际空间站光伏发电系统产生1kW电能需要付出72.583~103.69kg重量。这是因为国际空间站采用的光伏板技术老旧,发电效率仅14%左右,而我国最先进的光伏发电板已经提升到40%!由于光伏发电效率更高,我国的天宫空间站仅用1200平方面积的新型光伏板,发电功率就超过国际空间站最初2400平方的发电功率。
据报道,我国企业生产的聚光三结砷化镓电池,全光谱能吸收95%的太阳光能量,可以实现40%的转换效率,并且还可以在390℃的条件下仍正常工作。
按照这个效率测算,产生1千瓦的电能仅需付出25.4~36.29kg重量。那么产生100千瓦电能也仅需付出2540~3629kg重量。
四是用于变轨的霍尔推进器系统重量按照500kg计算。
美国星链卫星重量仅277kg,却搭载了霍尔推进器用于变轨。我国的霍尔推进器同样是世界先进水平,即便最保守估算,整套变轨动力系统重量也很难超过500kg。
综上所述,一枚太空激光炮卫星的重量也不会超过5629kg。现阶段用长征五号运载火箭发射,一次可发射4枚太空激光炮卫星用于应急或临时建设。今后一旦国产可重复使用火箭成熟,就可以低成本发射大量激光炮卫星,为我国筑牢太空防御网,避免我国遭受“太空垃圾”威胁。
#我要上头条##伊朗发布首份总统坠机事故调查报告#
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