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DARPA新项目拟开发自由空间激光功率网络,实现安全高效传输

据外媒最新报道,美国军方研究人员正在呼吁和推进工业界开发自由空间激光功率网络。这种新型传输网络能够利用飞机作为光能的接收器和中继器,通过激光网络传输电力。

据悉,位于弗吉尼亚州阿灵顿的美国国防高级研究计划局(DARPA)发布了小型企业创新研究机会项目,这是“能源网络优势突破技术”(Breakthrough Technologies for Energy Web Dominance)项目的一部分。

来自DARPA的研究人员表示,他们规划中的由几个动态节点组成的无线能源网,将显著帮助提高军事能力。他们的目标是开发安全的光功率传送网络,提供严格的光子遏制和入侵监控,以确保光能进入目标接收器而不会伤害周边的人或物。

为了实现这一目标,研究人员对三个技术领域进行了钻研,分别是:高能流、高效光能转换、继电器技术。

这种能源网络包括了地面激光源,它通过转换来向机载节点提供能量,然后将剩余的能量转播出去,并且无需转换到其他能源网络节点。其设计应当能够满足电力波束系统的机载部分的低尺寸、轻重量和低功率(SWAP)要求。

研究人员解释称,由于高温的影响,传统的光伏发电光束在高能量通量的情况下,往往效率会降低。同时,虽然热转换等方法是实现更高能量的通量的一种方法,但它们的效率通常很低。

而美国国防部高级研究计划局(DARPA)的“能源网络优势突破技术”项目则希望通过计算系统冷却损失来优化系统效率。这些系统的能量通量目前约为每平方米1千瓦,未来可扩展到每平方米100千瓦以上。

继电器是光链中的一种元件,它可以在无需先将光能转换回电能的情况下,去重新传输光能。这些光波导可以像镜子一样简单,但可能需要几个组件来灵活地将功率重定向到预定的接收器。

继电器必须拥有足够高的效率和光束质量,同时权衡减少光纤耦合低效和传播路径中湍流造成的波前像差(wavefront aberrations)等损失。因此,解决如何纠正光束像差的问题,又或者减少光链继电器能量的损失,在这一过程中成为了新的关键。

安全性能也是一个需要解决大问题。无线光能发射将需要至少10-100千瓦的持续光束光功率。这些功率级别具有内在的危险性,并给系统设计带来了巨大的挑战,特别是对于在真实环境中运行的动态平台。

尤其值得关注的是,对于那些可能受到“飞溅”闪光或“溢出”反射影响的旁观者来说,无意中的一丝偏差就可能会导致它们处于危险的环境。因此,DARPA的研究人员正在寻找一种技术,能够通过严格保证的光子密封(photon containment)来切实解决这些安全问题。低SWAP解决方案,还必须提供连续的路径监控,以检测进入波束的移动入侵者,并基于此作出反应。

DARPA目前认为,任何被提议的认证过的光子密封方法,都可能帮助去解决这整个问题的一部分。比如其中一种解决方案是,在一个近乎球形的视场上感知闪光。另一种有可能设计出来的表面形态,则可以捕捉反射,抗反射,形成覆盖涂层或具有吸收性。

严格认证的光子遏制,提供了不到十亿分之一的可能性——即在每平方厘米超过5毫瓦的辐照度下,如果波长低于1.4微米,意外辐射辐射就能够到达人体。而如果高于1.4微米,辐照度水平应不超过100毫瓦每平方厘米。

据介绍,这个项目的技术实现落地后,不只是用于军事应用。能够产生高效功率束的系统可以应用于许多其他场景中,如自由空间激光通信、高能激光传播、激光雷达或其他高脉冲能量/连续功率激光应用。另外,由于光学系统对热负荷具有高耐受性,它也可应用于那些在附近热源的挑战性环境中运行的系统。

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