这个事情说起来容易,做起来难。

张承毅加入西安团队的时间并不长,还不到半年。他本来在何亦滨院士的“天眼阵列”项目组里做编程工作,汤家祥教授过去交流的时候,认识了他,惊为天人,于是竭力邀请他加入西安团队。何院士当然不同意。汤院士不得不开出各种优惠条件,最后将当时刚满20岁的张承毅“暂借”半年,并承诺:一旦空间太阳能电站竞标结束,不管结局如何,都会把张承毅归还给何院士。

到西安团队后,张承毅才第一次深入接触空间太阳能电站。一开始他也是蒙的。一大堆能把人直接砸晕的陌生名词扑面而来,幸好他早有自己的一套处理技巧,那就是跳过词语——有的词语创造出来的目的就是不想让人看懂——直接去理解词语底下的本质,就像再复杂再强大的电脑程序,本质上也是一串串代码而已。

空间太阳能电站的原理决定了它由发电系统、输电系统和接收系统等三大子系统组成。发电系统和输电系统组合在一起就是空间太阳能电站的太空部分,而接收系统是地面部分。

显然,以光伏电板为主体的发电系统非常关键。

总体上来说,空间太阳能电站的光伏电板排列方式有两种:第一种是平台式,把光伏电板铺展开就好。但光伏电板需要每天旋转180°,保证24小时朝向太阳,而微波天线需要一直指向地球上的固定位置。

因此,发电系统需要一个额外的动力,同时发电系统与微波天线之间需要一个复杂的连接装置。

第二种是聚光式,光伏电板在电站中间,四周布置聚光系统,使光伏电板不用旋转,也能24小时受到太阳光的照耀。但加上聚光系统后,整个空间太阳能电站就变得更加庞大、更加复杂,造价上也更加昂贵。

两个方案各有优缺点。平台式方案的最大问题是总体效率偏低,相对而言,聚光式的效率高得多。同时,聚光式空间太阳能电站完全建成后才能投入使用,而平台式的前期建设工作完成,有几组光伏电板到位,就可以一边建设一边发电。

此外,还有星链式,在较低的轨道上,布置一系列小型光伏卫星,保证随时都有1~3颗光伏卫星在指定区域上空经过。这种设计,成本最低,技术难度最小,但同时也是效率最低的。“就像是一串飞过天空的糖葫芦,”陈斌在说到这个方案时作出这样的评价,“只在经过你头上时,让你舔一下。”

现在,国际上空间太阳能电站的主流方案,不是平台式,就是聚光式,只是在更具体的设计上有很大的区别。

“多旋转关节空间太阳能电站”是一种平台式方案,最早由中国航天科技集团五院“钱学森空间技术实验室”于2015年提出,获得了当年国际太阳能卫星设计竞赛第一名。这个方案将整体光伏电板阵分解为多个独立的子阵列,将单一的导电旋转关节转变为每一个子阵列对应两个独立导电旋转关节,解决了极大功率导电旋转关节技术难题,并避免了导电关节的单点失效问题,解决了制约空间太阳能电站方案设计的最大难题。

西京电力大学机电科技研究所的方案叫作“球形薄膜能量收集阵空间太阳能电站”,是一种聚光式方案,于2014年提出。该方案最重要的特征就是利用球面聚光收集能量,聚光方式为线聚焦。平行光入射至半球面后,光线将会经球面反射全部集中在置于球面底部圆柱形的光伏电板上。其回转体特性及单向透光薄膜或对日镜面打开调整方法,保证空间太阳能电站在同步轨道运行的时候,不需要大规模旋转调整。

“所以呢,世界上没有完美无缺的方案,”胡学伟教授曾经这样说过,“只能说,在现有技术条件下,尽可能地做到扬长避短。是的,设计方案不追求完美,也无法追求完美。一个那么复杂的项目,涉及数以10万计的零部件,总会有不足之处。倘若追求完美,那任何方案都只能停留在纸上。”

2018年,经过数次讨论,最终确定了“两条腿走路,两条腿都要快”的原则。西安和重庆各自组建团队,分别由汤家祥和苏廷信两位国宝级院士带头,按照各自的原初方案,投入数十亿的研究经费,招募最优秀的人才,进行长期研究。

这种带有探索与技术储备性质的研发最终能走到哪一步其实很难预测。一个重要的原因是,除了方案本身存在难以解决的问题,制约空间太阳能电站建成的因素还有很多。比如兆瓦级空间太阳能电站的体积比天宫2号都要大许多倍,起码要2000吨,甚至3000吨,需要上百次发射到达近地轨道并进行组装,再送往3.6万千米的地球同步轨道。这远远超出了当年火箭的发射能力。显而易见,研发低成本、大运载量的近地轨道运载器和高性能轨道间电推进系统,研发轨道上的大规模生产与组装技术,都远远超出了空间太阳能电站本身的研究范围,归属到另一个更为瞩目的高端科研项目——航天领域了。

今年9月要在上海召开2028年国际空间太阳能大会,现在中国的兆瓦级空间太阳能电站会进入最后的竞标阶段,有赖于去年也就是2027年7月,长征九号重型火箭在海南文昌发射成功。这是中国自主研发的最大火箭,当时全中国一片欢腾,都说是航天事业的一大阶段性胜利。

张承毅查过资料,长征九号重型火箭最大起飞推力3680吨,最多能将140吨的航天器送往近地轨道。用小学数学就可以算出来,假如空间太阳能电站重2000吨,那么长征九号需要发射15次,而其他型号的火箭则需要发射70~140次。要知道在2020年的时候,全世界的火箭,不论推力大小,也不管是哪一个国家的,发射次数加起来才114次。

“空间太阳能电站的正式建设终于可以提上议事日程了。”张承毅清楚地记得汤家祥教授说这话时的表情——是那种多年夙愿终于达成的激动。

然而,距离胜利还很遥远,西安方案与重庆方案还没有一决胜负。对汤教授而言,心中的块垒一直存在。

重型火箭之外,制约空间太阳能电站建成的因素还有很多。不管是西安的聚光式方案,还是重庆的平台式方案,都存在着总体结构过于复杂、转换效率过于低下、建设难度过于巨大等毛病。最大的问题是,建设成本太高。

媒体把空间太阳能电站称为“太空中的三峡工程”,准确,又不准确。说准确,是因为两者有太多的共同之处;说不准确,是因为三峡工程的总投资才2000亿元人民币,而建设一座空间太阳能电站的投资预计超过10000亿元人民币,相当于5个三峡工程。

“当然,也正因为如此,方案改进的思路也异常简单:简化结构,提高效率,降低成本。”汤家祥说。而张承毅要做的,就是优化西安方案中涉及程序的部分。

西安团队组建后,在汤家祥教授的带领下,一边进行数以千计的实验,一边根据实验结果还有技术进步,对原初方案进行了不计其数的改进。10年时间里,一次次更新,一次次升级,一次次迭代,说最终方案跟原初方案是两套完全不同的方案毫不为过。

但重庆团队在苏廷信教授的带领下也做了同样的事情。就已知的数据而言,西安方案与重庆方案各有千秋,不分伯仲。鹿死谁手,还真是未知之数。

汤家祥教授再一次看向众人,焦灼的目光从胡学伟、陈斌和张承毅的脸上一一划过,问:“我们要采取什么样的策略,才能确保最后成功?”