月球环境下激光能量传输的衍射与散射建模

可靠的能源输送是长期月球任务的关键要求，特别是在太阳照射有限的区域，如极地陨石坑和漫长的月夜期间。使用高功率激光的光学能量传输（OPB）为传统的太阳能提供了一种有前景的替代方案，但悬浮月尘对光束传播的影响仍知之甚少。本研究引入了一个详细的仿真模型，该模型同时考虑了静电悬浮月球风化层的衍射和高度相关的散射。与先前假设均匀尘埃层或中心到中心传输损耗的方法不同，我们的模型使用广义衍射理论和由粒子密度导出的折射率梯度来评估光束变形和衰减。结果表明，即使在地对地场景中，月尘也会显著降低能量传输效率，在无尘与有尘（175 nm颗粒）条件下，50公里距离上的效率从57%下降到3.7%。将颗粒尺寸增加到250 nm，将有效传输距离限制在30公里以下，效率为6%。研究进一步表明，提高激光源高度可以提高效率，当光源位于地面以上12米时，5公里距离的效率达到91%，50公里距离的效率达到25%。这些发现强调了系统高度和尘埃建模在月球OPB设计中的重要性，并揭示了颗粒尺寸分布的关键作用，尤其是在受人类活动干扰的环境中。