2011-2012年NASA创新型科技前沿项目第一阶段
第1章 执行摘要
在2011年至2012年期间，NASA创新型科技前沿（NIAC）项目支持了一个第一阶段的项目，以研究一种涉及空间太阳能概念的新的转换方法：利用任意大型相控阵的太阳能发电人造卫星（SPS-ALPHA）。为了给地球提供能源，就需在地球同步轨道(GEO)上建立SPS-ALPHA基地，在这个地方利用一个独立的指向型薄膜镜组来拦截太阳光，通过一个大型射频（RF）孔将太阳光转变成相干微波波束，再将太阳能输送到地球场或太空场。图1展示了两种可选的SPS-ALPHA概念视觉效果图，以及早期的几个SPS概念图，以作比较。
图1-1 所选的早期太阳能发电人造卫星概念以及2种版本的新SPS-ALPHA概念
SPS-ALPHA吸纳了许多关键的新技术，包括：（1）利用高效固态放大器进行定向制动RF相控阵的WPT；（2），利用综合热力管理，在聚光光伏（CPV）架构中利用了高效多带隙PV太阳电池；（3）在多个系统/子系统中采用了轻型结构组件；（4）在高度结构化环境中采用了自主机器人技术；（5）各个模块实现了高度的自治性。但此项目不需要所谓的“重大突破”，并且在系统级别实现了关键创新。
此项目的目的是确定该SPS-ALPHA概念对早期的TRL3——概念分析论证——的经济和技术可行性，并为其进一步的研究和技术开发建立一个架构。该项目的目的是：（1）为了确定SPS-ALPHA的技术可行性，对该概念进行初步的端对端的系统分析；（2）对架构中内在的关键技术问题（包括每一个关键技术领域里的品质因数）进行详尽的确定与评估；（3）在支持平行试验中, 对一些SSP核心优势的参数进行测试，并使用测试成果来指导系统建模工作；（4）对该概念的经济可行性进行初步的评估(作为关键性能参数)；（5）为SPS-ALPHA概念的进一步发展制定一个初步的线路图。
此项目的目的是将这一新型概念法当前技术成熟度水平（TRL）从TRL1/TRL2（建立起来的物理原理，形成的基本概念）推向早期的TRL3（实验室里关键功能的实验和/或分析验证）。根据计划，此项目属于大型分析性项目，并选择了一些支撑实验作为配套。
以下个几段落总结了SPS-ALPHA NIAC第1阶段项目的11个任务的成果。
1.1 任务1：项目综合与报告
该活动为此项目完成了整体综合与报告，其中包括：（1）轨道进度；（2）为NASA提供双月状态报告；（3）未来概念发展的初步发展路线图（更多细节请参见第7节）；（4）撰写最终报告（即此文件）；（5）参加NIAC同仁会（于2012年3月下旬举行）。[1]最终报告是任务1的主要成果。
1.2 任务2：用于分析和建模的综合框架
任务2包括：（1）评估与利用先前研究开发的模型，特别是NASA新外观研究项目的空间段模型（1995-1997年）；（2）围绕有关关键参数的起点值，对架构级灵敏度进行研究和分析（例如：kg/kW和PV效率的WPT比质量）；（3）初步成本估计与所选的市场和空间应用领域之经济分析；（4）分析假设结果的灵敏度。
此项任务的成果详情见第4章“系统定义与分析方法”、第7章“SPS-ALPHA系统分析结果”。
1.3 任务3：商业案例研究：陆地市场与空间应用领域
商业案例开发任务包括：（1）确定使用SPS-ALPHA能量的候选陆地能源市场；（2）确定SPS-ALPHA概念的其他空间市场与使命的执行（例如：太空探索、太空工业化等）；其中包括为此概念创建数个概念性“设计参考任务”（DRMs）；（3）在任务2取得的成果的基础上，选择部分目标市场和应用领域；（4）确定潜在合伙人与利益相关者以进一步进行开发。
此项目发现SPS-ALPHA架构、系统与技术以及配套基础设施具有广阔的应用前景，包括图1-2总结的领域。
图1-2 SPS-ALPHA商业案例综述
有关此任务的成果详情见第4章“系统分析法”、第5章“SPS-ALPHA市场预测”和第6章“非SPS的应用展望”。
1.4 任务4：SPS-ALPHA系统概念的定义与视图
此任务是定义SPS-ALPHA的基本概念，包括尺寸、整体外形以及特定的系统要求（此定义基于一个或多个SPS-ALPHA的设计参考任务（DRMs），其反映了所选的市场和/或任务应用领域；见任务3.）。任务4还重点开展了可视化工作，产生了一个基于计算机渲染的静态可视化图集，这项工作受到一位重要顾问的支持。此任务的成果详情见第3章“SPS-ALPHA概念说明”。
1.5 任务5：系统-科技贸易空间的定义
项目任务5主要关注：（1）为SPS-ALPHA定义详细系统-技术交易空间，包括选择和确定关键平台技术选项、定义品质因素（FOMs）及其内在联系、确定目标和FOM阈值（也就是“关键性能参数”（KPPs）；（2）向IFAM数据库输入FOMS群和相关的KPPs（见任务2）；（3）对SSP的SME工作组在研讨中选择的FOMs进行评议（见任务6）。任务5的关键在于SPS-ALPHA平台；其他配套基础设施部分仅在能做初步系统分析的高层次配置时使用。
任务5成果详情见第3章SPS-ALPHA概念的说明及第7章“系统分析结果”。
1.6 任务6：太空太阳能主题专家工作组
此任务的目的是对SSP主题专家（SME）工作组予以引导，这涉及美国和国际上的参与者，还包括为选定的在美国举办的研讨会提供旅游资金。在实际项目中，任务6为两个研讨会提供了支持，包括原本计划的SME工作组，以及注重国际参与者的第二工作组。此任务成果详情见第3章“SPS-ALPHA概念的说明”、第7章“系统分析成果”、第8章“技术成熟度与风险评估”、第9章“前行道路：SPS-ALPHA路线图”。
1.7 任务7：整体技术准备程度与风险评估
此任务包括：（1）核心SPS功能/系统的技术成熟度水平（TRL）评估；（2）上述技术的风险鉴别；（3）核心功能/系统的整体技术准备程度/风险模型的研究。
执行此任务的成果详情见此报告第8章“技术准备程度与风险评估”。
1.8 任务8：关键SPS系统/子系统的质量评估
此任务完成了SPS-ALPHA平台的关键系统/子系统的基本质量评估，其包含在系统分析的建模中（见任务2）。此任务所选的成果将在第7章“系统分析成果”中加以讨论。
1.9 任务9：在公众中宣传项目成果
此任务是在两大重要会议上广泛宣传项目成果：（1）国家太空学会（NSS）的国际太空发展会议（ISDC），任务9在此会议上展示了一篇论文，并介绍了SSP的进展；（2）美国航天航空协会（AIAA）举办的国际能源转换工程会议（IECEC），任务9在此会议上展示了一篇论文；（3）并将于2012年10月初在2012年国际宇航大会（IAC）上展示一篇论文。任务9还制作了数张高质量图像，以在公众中宣传项目成果，其中包括在NAIC2012年春季研讨会上展示过的海报。任务9的成果详情见此报告第2章“引言”。
1.10 任务10：支持美国的实验
此任务是一个工程临床项目，目的是为SPS-ALPHA（包括微波发送器和整流天线接收器）开展一项模拟板电力无线传输（WPT）实验。（此实验已于2011-2012年加利福利亚州克莱尔蒙特市哈维姆德学院，作为工程临床项目的一部分完成。）此任务成果见上述任务4、5、8。
1.11 任务11：国际SSP概念研究与实验
这项工作包括两项国际任务：（1）神户大学，负责管理调节与美国同步开展的太空太阳能概念研究/实验，以及在SSP的SME研讨会上汇报工作（任务6）；斯特拉斯克莱德大学，负责与美国同步的太空太阳能概念研究/实验，以及在SSP的SME研讨会上汇报工作（任务6）。神户大学的成果包括技术型项目的微波能源传输、太空结构系统（例如：系链和充气结构）、内太空建造。斯特拉斯克莱德大学重点负责轨道设计与控制、结构分布尺寸与控制、系统优化、精度定量等技术型项目。
任务11的成果已在两个SME研讨会上汇报，（上述任务6），并为任务5、8所提供了有价值的信息。
1.12 成果总结
此研究得出的结论是：在取得必要的技术进展的情况下，SPS-ALPHA概念使能陆地上太阳能市场具备经济可行性。特别的，如果能够在关键组成技术方面取得所需的进展，全规模的SPS-ALPHA能够以大约每千瓦时9美分的平均发电成本（LCOE）提供电力。如上述所言，此研究成果的完成只是达到了TRL3的初始阶段。[2]虽然实现SPS-ALPHA不要求取得重大的技术突破，但却需要对空间系统的设计方法进行变革。需要开展更多的研究与开发（R&D）以证实这项非常具有前景的发现。
[1] 从2012年3月NIAC会议起SPS-ALPHA的介绍，请见www.nasa.gov/pdf/636903main_Mankins_Presentation.pdf
[2] “TRL 3” 意为证明新概念的可行性的一个实验或分析。
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