论文标题：Optimal laser power beaming network for powering Lunar permanently shadowed regions: a coverage–connectivity–cost trade-off

期刊：Planet

作者：Mengfan TIAN, Liangmin YU, Yanglong ZHANG, Yiqing WANG, Pengzhen GUO,  Lifang LI, Haibo GAO, Zongquan DENG

发表时间：9 Jan 2026

DOI： 10.15302/planet.2026.26008

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哈尔滨工业大学团队提出地形感知覆盖-连通-成本协同优化新框架，首次实现月球永久阴影区激光供能网络的系统级设计。

1.探月能源瓶颈

月球南极的永久阴影区是人类太空探索中最令人神往却又最具挑战的前沿阵地。在这些数十亿年未见阳光的深邃陨石坑中，蕴藏着支撑未来月球基地的关键资源——水冰。

然而，这些区域常年处于-230°C以下的极寒黑暗之中，传统太阳能设备根本无法工作。尽管各国航天机构和商业公司相继提出了从核裂变反应堆到轨道空间电站等多种解决方案，一个根本性问题始终悬而未决：如何设计一套既经济可行又稳定可靠的能源输送系统，让探索活动能够真正深入这些阳光禁区？

哈尔滨工业大学李丽芳教授和郭朋真教授团队在Planet期刊2026年第1期发表的最新研究，为这一难题提供了一种系统性的研究思路。论文题为"Optimal laser power beaming network for powering Lunar permanently shadowed regions: a coverage–connectivity–cost trade-off"，提出了一套完整的地形感知网络优化框架，将激光供能问题从传统的单链路分析拓展到多站点协同、系统级优化层面，为未来月面能源基础设施布局提供了新的思路。

这项研究的问世恰逢其时——当多国航天力量竞相角逐月球南极，美国阿尔忒弥斯计划、中国国际月球科研站以及各类商业探月项目都在为建立永久性前哨站蓄势待发之际，能源供给问题已成为决定成败的关键瓶颈。

2.功能核心矛盾

月球极区探索面临着一个根本性的能源地理悖论：陨石坑边缘几乎全年沐浴阳光，是理想的太阳能获取与供能部署区域；而真正具有科学价值的坑底——水冰富集区——却深陷永久黑暗。

此前的技术探索大多局限于地形受限的点对点传输链路。虽然研究人员已经在地球环境下验证了激光远距离传输的可行性，开发了适用于激光能量接收的高效光电转换器，提出了轨道中继星座的构想。但学界针对月球极区陨石坑边缘复杂地形环境激光给能效率受限问题始终缺少一个系统层面的认知：如何让多个能量传输节点协同工作形成网络，在提升目标区域有效覆盖、增强区域连通性并控制基础设施成本这三重约束下找到最优解？

3.组网设计突破

研究团队将这一难题转化为激光给能网络设计问题进行数学建模，实现了研究思路的重要突破。他们的研究以NASA月球轨道激光高度计（LOLA）提供的高分辨率地形数据为基础，以沙克尔顿陨石坑附近区域为对象，综合考虑了地形遮挡、局部光照条件、激光束衍射发散、指向误差以及月尘对链路的衰减影响，建立了较为完整的月面激光传输与网络部署模型。

需要指出的是，研究中的供能节点并非简单意义上的固定式“激光给能站”，而是采用了分体式构型：固定支撑平台负责能量获取与供电，激光发射单元则可在局部范围内进行调整和移动部署，以获得更优的传输条件。团队据此模拟了多个发射单元如何向位于黑暗中的巡视器、飞跃器或原位采掘器传输能量。

图 1 月面地形感知多站激光高效传输网络

这项研究的核心创新在于首次实现了三个关键性能维度的同步优化：

• 覆盖能力确保更多具有科学价值的永久阴影区都能在需要时获得能量补给，无论是短暂穿行的巡视器还是长期运行的固定设备。

• 连通性关注的并不是简单增加若干彼此孤立的供能点，而是尽可能减少供能区域碎片化，使有效供能范围形成更连续的空间结构，从而降低移动探测器在跨区域移动过程中意外脱离供能范围的风险，支撑持续探测任务。

• 成本约束则清醒地认识到，每一套传输单元、每一平方米接收阵列、每一吨运抵月面的设备都对应着高昂的代价。

将这三个因素视为相互关联的变量而非孤立考虑的问题，团队最终形成了兼顾基础设施规模与运行能力的地形感知优化激光给能网络配置方案。

4.实测优化成效

研究结论可为月球基地建设规划提供有效的决策依据。研究显示，经过地形感知优化部署能够显著改善南极永久阴影区的供能覆盖与区域连通性：有效覆盖率由10.76%提升至27.55%，区域连通性由39.93%提升至98.92%。

相较于仅依据局部高光照条件进行给能站点选择的基线方案，该优化方案在控制基础设施规模的同时，显著提升了供能区域的整体性能。更值得关注的是，团队不仅优化了站点选择，还对激光发射单元进行了局部位置优化，从而使原本较为分散的供能区域得到更有效连接，为月面移动探测任务提供更可靠的持续能源支撑。

图 2 地形感知月面移动探测器接收能量优化前后分布图

从技术演进的角度审视，这项研究将激光能量传输从实验室示范推进到了任务架构层面。近年来，相关领域的实验研究已为工程化奠定了基础：

• 高效率半导体激光器在模拟月球环境的极端温度波动中已能保持稳定工作。

• 激光接收用光伏阵列的能量转换效率已进入经济可行的区间。

哈工大团队的贡献在于将这些技术单元整合为一个系统框架，为月球基地任务规划者指明了在复杂月面地形条件下，发射单元应如何部署、各节点如何协同、系统性能如何在覆盖、连通与成本之间取得平衡。

5.全域落地价值

这项研究的深层意义远不止于月球。随着人类探索活动向地外空间延伸，在复杂地形条件下实现无线能量传输将变得越来越关键。研究团队建立的优化原理有望迁移至火星峡谷、小行星采矿乃至地球上的偏远地区供电场景。这项研究为空间能源网络提供的方法论基础——将其视为集成系统而非孤立链路——将随着人类太阳系疆域的拓展而愈显重要。

论文发表恰逢全球探月热潮对能源解决方案的需求集中爆发。美国国家航空航天局近期加速推进其空间核裂变表面动力计划，商业公司相继提出轨道太阳能电站卫星和塔基激光传输系统的构想。

各类技术路线各有拥趸，但它们都共同需要一种系统级的分析框架来指导艰难的投入决策。通过确立严谨的优化判据，哈工大的这项研究为不同供能架构之间的客观比较提供了可能，为未来数年内即将落地的重大投资提供了科学依据。

尤为可贵的是，研究表明激光能量传输网络展现出明确的工程实现潜力，相关关键技术也正在持续发展和成熟。

此前所欠缺一份能够证明这些组件可集成为满足任务需求、成本可控的可靠系统的确信。研究团队通过严谨的分析和优化，恰恰补上了这一关键环节。

随着各航天大国为未来十年的月球探索厉兵秣马，问题已不再是能否将能量送入月球的至暗之地，而是如何以最优方式实现这一目标。哈尔滨工业大学这项研究，提供了迄今为止最为系统全面的答案，将激光能量传输从单链路设想推进到面向工程任务规划的网络化方案。

对于那些有朝一日将在月球陨石坑永恒暗区中运行的巡视器、钻探设备和生命保障系统而言，可靠的能源供给，正是支撑深空探测持续走向深处的重要基础。

论文信息

Mengfan TIAN, Liangmin YU, Yanglong ZHANG, Yiqing WANG, Pengzhen GUO, Lifang LI, Haibo GAO, Zongquan DENG. Optimal laser power beaming network for powering Lunar permanently shadowed regions: a coverage–connectivity–cost trade-off. Planet, 2026, 2(1): 26008

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