Всенаправленный приёмник-преобразователь лазерного излучения (2 варианта)
LASER LIGHT OMNIDIRECTIONAL RECEIVER-TRANSDUCER (2 VERSIONS)

Изобретение относится к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности и лазерных локационных систем для наведения с высокой точностью лазерного канала передачи энергии на приемник-преобразователь. В частности, может быть использовано в космической технике в области эксплуатации беспроводных систем дистанционной передачи энергии для электропитания космических аппаратов (КА) [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012.. Т. 48, №2. с. 59-66.].
Известны конструкции космических приемников-преобразователей электромагнитного излучения, а именно солнечных батарей (СБ), выполненных в виде пространственных форм на основе цилиндров, многогранников и их комбинаций, лопастей, пространственно расположенных относительно корпуса КА [Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 79]. Независимо от разнообразия геометрических форм их объединяет то, что в процессе работы после раскрытия всех элементов конструкции, форма СБ фиксируется и сохраняется неизменной в течение всего времени работы на орбите. Однако, токосъем с таких СБ изменяется в зависимости от угла падения солнечных лучей, а значит и освещенности отдельных фрагментов, взаимного затенения частей конструкции и корпуса КА.
-6
2
-4
0
0
0
В изобретении [Солнечная батарея для ИСЗ с одноосной ориентацией на Землю и способ ее эксплуатации. Заявка на изобретение №94028971/11, 02.08.1994. Дата публикации заявки: 27.06.1996.] предлагается конструкция приемника-преобразователя - солнечной батареи для КА, функционирующего на околокруговых орбитах с одноосной ориентацией на центр Земли. Предлагаемая СБ выполнена в виде плоских панелей, размещенных симметрично относительно указанной оси, и снабженной устройством для изменения угла между плоскостью панелей и осью ориентации в зависимости от положения КА на орбите. Изобретение повышает эффективность использования СБ по интегральному токосъему, в сравнении с батареей фиксированной формы. Однако, переход КА с теневой орбиты на солнечную и обратно или движение КА по орбите с теневым участком требует постоянного изменения геометрии СБ, так называемых перекладок панелей, число которых может составлять 5-6 тысяч в год. Для таких СБ требуется постоянная работа системы ориентации и стабилизации КА, что ограничивает область использования КА, в частности технологических КА для производства материалов в космосе, к которым предъявляются повышенные требования к микрогравитационной обстановке на борту, т.е. менее 10 g [В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. Москва. Машиностроение, 1989 г., с. 113], где ускорение свободного падения g=9,81 м/с. Однако, повороты СБ и работа системы ориентации и стабилизации создают в конструкции КА вибрации и микроперегрузки превышающие 5⋅10 g [В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. Москва. Машиностроение, 1989 г., с. 115-116], что недопустимо для подобных КА.
Кроме того, вышеприведенные конструкции приемников-преобразователей имеют общий недостаток, связанный с неполным использованием падающего на ФЭП потока солнечного излучения для создания фототока через p-n-переход. Это связано с тем, что солнечный свет не является монохроматическим, а содержит электромагнитные волны различных частот. А поскольку свойства полупроводниковых материалов ФЭП зависят от длины волны падающего излучения (например, абсолютный показатель преломления, коэффициент отражения, показатель поглощения и т.д.), то технологически сложно создать солнечный элемент (СЭ) работающий в оптимальном режиме для широкого спектра длин волн характерных солнечному излучению. Особенно это касается производства современных высокоэффективных СЭ, представляющих собой чрезвычайно низкодефектные сложноорганизованные структуры из микронных, субмикронных и наноразмерных слоев. Использование лазера для передачи энергии монохроматического излучения позволит поднять КПД приемников-преобразователей энергии, упростить технологию производства фотоэлементов (ФЭ), в сравнении с обычными СЭ, где характерны спектральные потери энергии. При этом можно значительно снизить разогрев панелей ФЭП, обусловленный спектральными потерями. Кроме того, использование лазерного излучения с высокой плотностью потока энергии, не опасаясь перегрева панелей ФЭП, позволяет снизить стоимость панелей и улучшить их массогабаритные показатели.
В качестве прототипа принята наиболее близкая по назначению и принципам преобразования энергии конструкция всенаправленного приемника-преобразователя лазерного излучения, приведенная в [Космический приемник-преобразователь лазерного излучения. Патент на изобретение №2566370, МПК: G01J 5/58 (2006.01). Опубликовано 27.10.2015].
TT
TT
ТТ
TT
TT
Ш
Д
Ш
TT
Д
TT
П
Д
П
ТТ
П
П
Космический приемник-преобразователь лазерного излучения, включающий приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели, на внешней стороне которой установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов, использующих внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения лазера, направленного на геометрический центр круговой панели, в электрическую энергию, где дополнительно введены две перпендикулярные круговые панели взаимно перпендикулярные с первой круговой панелью. Точка пересечения трех круговых панелей совпадает с их геометрическими центрами, все три круговые панели выполнены радиусом R и толщиной h<<R, в результате пересечения круговых панелей каждая круговая панель делится на четыре сектора, где каждый сектор круговой панели выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью и состоит из двух обкладок с сотовым заполнителем между ними. На внешней поверхности каждой обкладки через электроизолирующий слой установлены упомянутые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, с лицевыми и тыльными контактами, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи. Тыльные контакты, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой с обкладкой, охлаждаются двумя группами тепловых труб - радиальными и в форме дуги, взаимно перпендикулярными в точках соприкосновения и установленными внутри сотовой конструкции секторов круговых панелей. При этом сечение корпуса каждой тепловой трубы является прямоугольником со сторонами а и b, где а<b, боковые грани корпуса тепловой трубы со сторонами b через теплопроводный слой соединены с внутренними поверхностями обкладок сектора круговой панели. Причем в первой группе радиальные тепловые трубы выполнены прямолинейными, а корпус радиальной прямолинейной тепловой трубы с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал, выполненный в теплопроводящем шарообразном центральном переходнике с радиусом r<<R и геометрическим центром, совпадающим с точкой пересечения срединных плоскостей трех круговых панелей. Во второй группе тепловые трубы выполнены в форме дуги и установлены или между радиальными тепловыми трубами - дугообразные тепловые трубы - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению (r+b)<ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели, или на периферии сектора - периферийная дугообразная тепловая труба - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели. Причем периферийная дугообразная тепловая труба каждого сектора конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, соседних, примыкающих к нему, трех секторов через теплопроводящий крестообразный переходник с каналом внутри каждого луча крестообразного переходника, в который входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы длиной δ<<π⋅ρ/2 соответствующего сектора. Причем на участках соприкосновения корпусов радиальных прямолинейных тепловых труб с дугообразными тепловыми трубами или периферийными дугообразными тепловыми трубами, а также на участках сочленения радиальных прямолинейных тепловых труб с теплопроводящим центральным переходником с геометрическим центром, совпадающем с точкой пересечения трех круговых панелей и периферийных дугообразных тепловых труб с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи.
Благодаря такой конструкции часть электромагнитной энергии лазерного пучка не преобразованной в электроэнергию в приемнике-преобразователе, в виде тепловой энергии, равномерно распределяется по поверхности трех круговых панелей и сбрасывается излучением в космос. Кроме того, в данной конфигурации выходная мощность приемника-преобразователя практически не зависит от угла падения на него лазерного пучка, что делает приемник-преобразователь фактически всенаправленным.
-6
0
Недостатком данного приемника-преобразователя является его достаточно сложный поиск, слежение и наведение (ПСН) на него лазерного пучка. Для таких приемников-преобразователей требуется постоянная работа системы ПСН космического аппарата, что ограничивает область использования КА, в частности технологических КА для производства материалов в космосе, к которым предъявляются повышенные требования к микрогравитационной обстановке на борту, т.е. менее 10 g [В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. Москва. Машиностроение, 1989 г., с. 113].
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей конструкции всенаправленного приемника-преобразователя, способствующих решению вопросов поиска, слежения и наведения лазерного излучения.
Техническим результатом изобретения является:
1) расширение функциональных возможностей всенаправленного приемника-преобразователя за счет:
- применения в конструкции приемника-преобразователя пассивного маркера выполненного в виде всенаправленного отражателя для лазерной локации всенаправленного приемника-преобразователя;
- совмещения функций в одном лазерном пучке используемом и в системе беспроводной передачи энергии между космическими аппаратами и в качестве зондирующего пучка лазерной локационной системы (ЛЛС);
- совмещения функций конструкции всенаправленного отражателя, кроме функции пассивного маркера системы поиска, слежения и наведения (ПСН), так же функций силовой конструкции и тепловой, что позволяет выполнить конструктивную и тепловую увязку всех сотовых секторов круговых панелей все направленно приемника-преобразователя в единую тепловую сеть;
2) использование ЛЛС, обладающей лучшими точностными и массогабаритными характеристиками, в сочетании с всенаправленным уголковым отражателем позволяет уменьшить энергетику подсветки и таким образом улучшить характеристики системы ПСН при подсветке зондирующим пучком ЛЛС.
ТТ
ТТ
TT
ТТ
ТТ
Д
Д
ТТ
П
Д
П
ТТ
П
П
П
1
PTT
П
ЦП
PTT
Технический результат достигается тем, что всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения (по варианту 1) включает приемную плоскость, выполненную в виде трех круговых панелей, взаимно пересекающихся между собой перпендикулярно и симметрично, на внешней стороне каждой из которых установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов, использующих внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового лазерного пучка, ось которого направлена на геометрический центр круговых панелей, в электрическую энергию, все три круговые панели выполнены радиусом R и толщиной h<<R, в результате пересечения круговых панелей каждая из них делится на четыре сектора, при этом каждый сектор круговой панели выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью и состоит из двух обкладок с сотовым заполнителем между ними, на внешней поверхности каждой обкладки через электроизолирующий слой установлены упомянутые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, с лицевыми и тыльными контактами, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи, причем тыльные контакты, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой с обкладкой, охлаждаются двумя группами тепловых труб - радиальными и дугообразными, взаимно перпендикулярными в точках соприкосновения и установленными внутри сотовой конструкции секторов круговых панелей, при этом сечение корпуса каждой тепловой трубы является прямоугольником со сторонами а и b, где а≤b, боковые грани корпуса тепловой трубы со сторонами b через теплопроводный слой соединены с внутренними поверхностями обкладок сектора круговой панели, причем корпус радиальной тепловой трубы с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал, выполненный в теплопроводящем центральном переходнике с геометрическим центром, совпадающим с точкой пересечения срединных плоскостей трех круговых панелей, во второй группе тепловые трубы выполнены в форме дуги и установлены или между радиальными тепловыми трубами - дугообразные тепловые трубы - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели, или на периферии сектора - периферийная дугообразная тепловая труба - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели, причем периферийная дугообразная тепловая труба каждого сектора конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, соседних, примыкающих к нему, трех секторов через теплопроводящий крестообразный переходник с каналом внутри каждого луча крестообразного переходника, в который входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы длиной Δ<<π⋅ρ/2 соответствующего сектора, причем на участках соприкосновения корпусов радиальных тепловых труб с дугообразными тепловыми трубами или периферийными дугообразными тепловыми трубами, а также на участках сочленения радиальных тепловых труб с центральным переходником и периферийных дугообразных тепловых труб с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи, при этом центральный переходник выполнен в виде всенаправленного отражателя, включающего восемь уголковых отражателей сплошных или/и полых, каждый из которых установлен в зоне трехгранного угла, образованного в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения по одной из диагоналей каждой из трех квадратных теплопроводящих пластин, причем каждая площадью s<<S и толщиной h=h, где S - площадь одной круговой панели, при этом точки пересечения срединных плоскостей круговых панелей и квадратных теплопроводящих пластин совпадают, а плоскости квадратных теплопроводящих пластин, выполненные совпадающими с внешними поверхностями обкладок секторов круговых панелей, образуют восемь зон из восьми трехгранных углов, каждый из которых образует правильную треугольную пирамиду с тремя перпендикулярными боковыми гранями, одновременно являющимися гранями трехгранного угла, и основанием в виде равностороннего треугольника, при этом корпус каждой радиальной тепловой трубы длиной L≈ρ с одного конца установлен и зафиксирован в радиальном канале длиной Δ<<L, выполненном в соответствующей квадратной теплопроводящей пластине центрального переходника.
Всенаправленный отражатель выполнен из полых уголковых отражателей, боковые грани которых являются отражающими и выполнены зеркальными.
Центральный переходник выполнен из алюминия, меди, серебра или сплавов на их основе.
Всенаправленный отражатель выполнен из сплошных уголковых отражателей, каждый из которых установлен в зоне трехгранного угла и выполнен из оптического материала в виде правильной треугольной пирамиды, где боковые грани являются отражающими и расположенными параллельно соответствующим граням трехгранного угла, а основание является входной гранью сплошного уголкового отражателя.
ом
ом
Между отражающими гранями сплошного уголкового отражателя и соответствующим им граням трехгранного угла выполнен не герметичный зазор величиной δ>λ, где λ - длина волны лазерного излучения в оптическом материале.
Отражающие грани сплошного уголкового отражателя выполнены металлизированными с зеркальным отражением.
На поверхность входной грани сплошного уголкового отражателя нанесено антиотражающее покрытие.
ТТ
ТТ
ТТ
ТТ
ТТ
Д
Д
ТТ
П
Д
П
ТТ
П
П
П
2
СФ
2
PTT
П
ЦП
PTT
2
2
1/2
Тот же технический результат достигается тем, что всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения (по варианту 2) включает приемную плоскость, выполненную в виде трех круговых панелей, взаимно пересекающихся между собой перпендикулярно и симметрично, на внешней стороне каждой из которых установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов, использующих внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения кругового лазерного пучка, ось которого направлена на геометрический центр круговых панелей, в электрическую энергию, все три круговые панели выполнены радиусом R и толщиной h<<R, в результате пересечения круговых панелей каждая из них делится на четыре сектора, при этом каждый сектор круговой панели выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью и состоит из двух обкладок с сотовым заполнителем между ними, на внешней поверхности каждой обкладки через электроизолирующий слой установлены упомянутые фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, с лицевыми и тыльными контактами, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи, причем тыльные контакты, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой с обкладкой, охлаждаются двумя группами тепловых труб - радиальными и дугообразными, взаимно перпендикулярными в точках соприкосновения и установленными внутри сотовой конструкции секторов круговых панелей, при этом сечение корпуса каждой тепловой трубы является прямоугольником со сторонами а и b, где а≤b, боковые грани корпуса тепловой трубы со сторонами b через теплопроводный слой соединены с внутренними поверхностями обкладок сектора круговой панели, причем корпус радиальной тепловой трубы с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал, выполненный в теплопроводящем центральном переходнике с геометрическим центром, совпадающим с точкой пересечения срединных плоскостей трех круговых панелей, во второй группе тепловые трубы выполнены в форме дуги и установлены или между радиальными тепловыми трубами - дугообразные тепловые трубы - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели, или на периферии сектора - периферийная дугообразная тепловая труба - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы и геометрическим центром круговой панели, причем периферийная дугообразная тепловая труба каждого сектора конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, соседних, примыкающих к нему, трех секторов через теплопроводящий крестообразный переходник с каналом внутри каждого луча крестообразного переходника, в который входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы длиной Δ<<π⋅ρ/2 соответствующего сектора, причем на участках соприкосновения корпусов радиальных тепловых труб с дугообразными тепловыми трубами или периферийными дугообразными тепловыми трубами, а также на участках сочленения радиальных тепловых труб с центральным переходником и периферийных дугообразных тепловых труб с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи, при этом центральный переходник, выполнен в виде всенаправленного отражателя, включающего восемь трехгранных объемов, в зоне которых установлены сплошные или/и полые малые уголковые отражатели, причем трехгранные объемы образованы в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения трех круглых теплопроводящих пластин каждая площадью s<<S, радиусом r и толщиной h=h, где S - площадь одной круговой панели, при этом точки пересечения срединных плоскостей круговых панелей и круглых теплопроводящих пластин совпадают, а круговые плоскости круглых теплопроводящих пластин, выполненные совпадающими с внешними поверхностями обкладок секторов круговых панелей, вписаны в сферическую поверхность радиусом r=(r+h/4) и при их взаимном пересечении образуют восемь трехгранных объемов, ограниченных каждый тремя перпендикулярными гранями трехгранного угла и сферическим треугольником, образуемым при пересечении упомянутых граней со сферической поверхностью, причем в зоне каждого из трехгранных объемов установлены N малых уголковых отражателей, где N>1, в виде правильных треугольных пирамид с перпендикулярными боковыми гранями, являющимися отражающими гранями, и основанием в виде равностороннего треугольника, причем три вершины при основании каждой из правильных треугольных пирамид лежат на сферическом треугольнике, при этом корпус каждой радиальной тепловой трубы длиной L≈ρ с одного конца установлен и зафиксирован в радиальном канале длиной Δ<<L, выполненном в соответствующей круглой теплопроводящей пластине центрального переходника.
Центральный переходник выполнен из алюминия, меди, серебра или сплавов на их основе.
Малые уголковые отражатели выполнены полыми с тонкостенными боковыми отражающими гранями, внутренняя поверхность которых выполнена зеркальной.
Трехгранный объем заполняют теплопроводным материалом, повторяющим конфигурацию трехгранного объема, за исключением объема занимаемого малыми уголковыми отражателями, и аналогичным материалу центрального переходника.
Перпендикулярные боковые отражающие грани, выполненные в теплопроводном материале и образующие полые малые уголковые отражатели, выполнены зеркальными.
Малые уголковые отражатели выполнены сплошными из оптического материала в виде правильных треугольных пирамид с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями и основанием, являющимся входной гранью сплошных малых уголковых отражателей.
ом
ом
Между отражающими гранями сплошных малых уголковых отражателей и теплопроводным материалом выполнен негерметичный зазор величиной δ>λ, где λ - длина волны лазерного излучения в оптическом материале.
Отражающие грани сплошных малых уголковых отражателей выполнены металлизированными с зеркальным отражением.
На поверхность входной грани сплошного малого уголкового отражателя нанесено антиотражающее покрытие.
Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг. 1-24).
На фиг. 1 приведен общий вид всенаправленного приемника-преобразователя с тремя пересекающимися круговыми панелями и размещенным в центральной его части всенаправленным отражателем.
Д
П
PTT
На фиг. 2 приведен разрез по срединной плоскости одной из круговых панелей всенаправленного приемника-преобразователя, где в центральной части показана одна из трех квадратных теплопроводящих пластин. На рисунке обозначено: R - радиус круговой панели; h - толщина круговой панели; ρ - средний радиус кривизны дуги дугообразных тепловых труб; ρ - средний радиус кривизны дуги периферийных дугообразных тепловых труб; L - длина корпуса радиальной тепловой трубы; А - выносной элемент (приведен на фиг. 3).
П
На фиг. 3, в виде выносного элемента A, показано сочленение периферийных дугообразных тепловых труб из двух соседних секторов круговой панели с крестообразным переходником, где ρ - средний радиус кривизны дуги периферийных дугообразных тепловых труб; Б-Б - сечение (приведено на фиг. 4).
ТТ
На фиг. 4 показано сечение Б-Б по средней линии тепловой трубы (в качестве секущей применена цилиндрическая поверхность, развертываемая затем в плоскость), где а - один из поперечных размеров канала в луче крестообразного переходника; Δ - длина канала в луче крестообразного переходника.
ЦП
П
УО
На фиг. 5 показан местный разрез по срединной плоскости квадратной теплопроводящей пластины центрального переходника, где приведено сочленение его с радиальными тепловыми трубами одного из секторов круговой панели, при этом не показана в этом секторе обкладка и сотовая конструкция. Здесь Δ - длина радиального канала, выполненного в квадратной теплопроводящей пластине центрального переходника; l - длина стороны квадратной теплопроводящей пластины; l - одна из сторон равностороннего треугольника, образующих входную грань уголкового отражателя; h - толщина круговой панели.
ТТ
TT
На фиг. 6 приведено сечение тепловой трубы (для примера приведена двухканальная тепловая труба), установленной внутри сотовой конструкции сектора круговой панели. Здесь h - толщина круговой панели; а и b - размеры сторон в сечении корпуса тепловой трубы; В - выносной элемент, (приведен на фиг. 7).
На фиг. 7 приведен выносной элемент B фрагмента расположения фотоэлементов с внутренним фотоэффектом на обкладке сектора круговой панели.
ТТ
TT
На фиг. 8 представлен общий вид крестообразного переходника, где  а и b - размеры канала внутри каждого луча крестообразного переходника, соответствующие размерам сторон в сечении корпуса тепловой трубы; Г-Г - сечение (приведено на фиг. 9); Д-Д - сечение (приведено на фиг. 10).
На фиг. 9 приведено сечение Г-Г крестообразного переходника.
На фиг. 10 приведено сечение Д-Д крестообразного переходника, где Δ - длина канала в луче крестообразного переходника.
1
На фиг. 11 приведен общий вид всенаправленного отражателя, где h - толщина одной из трех квадратных теплопроводящих пластин; Е-Е - сечение (приведено на фиг. 13); Ж-Ж - сечение (приведено на фиг. 14).
На фиг. 12 представлен общий вид полого уголкового отражателя, образованного плоскостями квадратных теплопроводящих пластин, выполненных совпадающими с внешними поверхностями обкладок секторов круговых панелей (фрагменты секторов круговых панелей показаны на фигуре пунктирными линиями).
П
На фиг. 13 приведено сечение Е-Е всенаправленного отражателя, где l - длина стороны квадратной теплопроводящей пластины.
На фиг. 14 приведено сечение Ж-Ж всенаправленного отражателя.
На фиг. 15 приведен общий вид всенаправленного отражателя, где 8 - негерметичный зазор между отражающими гранями сплошного уголкового отражателя и плоскостями квадратных теплопроводящих пластин.
На фиг. 16 приведен общий вид сплошного уголкового отражателя, выполненного из оптического материала в виде правильной треугольной пирамиды с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями, работающими на эффекте полного внутреннего отражения.
Д
П
PTT
На фиг. 17 приведен разрез по срединной плоскости одной из круговых панелей всенаправленного приемника-преобразователя, где в центральной части показана одна из трех круглых теплопроводящих пластин. На этом рисунке обозначено: R - радиус круговой панели; h - толщина круговой панели; ρ - средний радиус кривизны дуги дугообразных тепловых труб; ρ - средний радиус кривизны дуги периферийных дугообразных тепловых труб; L - длина корпуса радиальной тепловой трубы; А - выносной элемент (приведен на фиг. 3).
СФ
На фиг. 18 приведен общий вид центрального переходника, образованного при пересечении трех круглых теплопроводящих пластин, где r - радиус сферической поверхности, огибающей круговые плоскости трех круглых теплопроводящих пластин; r - радиус круглой теплопроводящей пластины; И-И - сечение (приведено на фиг. 19); К-К - сечение (приведено на фиг. 20).
2
На фиг. 19 приведено сечение И-И центрального переходника, где h -толщина одной из трех круглых теплопроводящих пластин.
На фиг. 20 приведено сечение К-К центрального переходника.
ЦП
На фиг. 21 показан местный разрез по срединной плоскости круглой теплопроводящей пластины центрального переходника, где приведено сочленение его с радиальными тепловыми трубами одного из секторов круговой панели, при этом не показана в этом секторе обкладка и сотовая конструкция. На этом рисунке Δ - длина радиального канала, выполненного в соответствующей круглой теплопроводящей пластине центрального переходника.
2
На фиг. 22 приведен общий вид всенаправленного отражателя, включающего восемь трехгранных объемов, в каждом из которых, для примера, установлено по четыре малых уголковых отражателя (на фигуре условно показаны только входные грани малых уголковых отражателей, лежащие на сферическом треугольнике каждого трехгранного объема). Здесь h - толщина одной из трех круглых теплопроводящих пластин.
Р
УО
На фиг. 23 приведен общий вид сплошного/полого малого уголкового отражателя, выполненного в виде правильной треугольной пирамиды с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями, основание которой является входной гранью малого уголкового отражателя, где l - длина ребра правильной треугольной пирамиды; l - длина одной из сторон треугольника в основании правильной треугольной пирамиды.
На фиг. 24 приведено объемное изображение одного из восьми трехгранных объемов, в котором, для примера, установлено четыре малых уголковых отражателя, в виде правильных треугольных пирамид, три вершины основания каждой из которых лежат на сферическом треугольнике этого трехгранного объема.
На фиг. 1-24 приведено:
1 - круговая панель;
2 - всенаправленный отражатель;
3 - сектор;
4 - обкладка;
5 - сотовый заполнитель;
6 - фотоэлемент;
7 - электроизолирующий слой;
8 - полупроводниковая структура;
9 - лицевой контакт;
10 - тыльный контакт;
11 - межэлементное соединение;
12 - защитное покрытие.
13 - тепловая труба (ТТ);
14 - радиальная тепловая туба (РТТ);
15 - теплопроводный слой;
16 - радиальный канал;
17 - центральный переходник;
18 - срединная плоскость;
19 - дугообразная тепловая туба (ДТТ);
20 - периферийная дугообразная тепловая туба (ПДТТ);
21 - крестообразный переходник;
22 - канал;
23 - уголковый отражатель;
24 - полый уголковый отражатель;
25 - сплошной уголковый отражатель;
26 - оптический материал;
27 - квадратная теплопроводящая пластина;
28 - срединная плоскость;
29 - отражающая грань;
30 - входная грань;
31 - теплопроводный клей;
32 - радиальный канал;
33 - центральный переходник;
34 - круглая теплопроводящая пластина;
35 - срединная плоскость;
36 - трехгранный объем;
37 - грань;
38 - сферический треугольник;
39 - малый уголковый отражатель;
40 - отражающая грань;
41 - входная грань;
42 - лазерный пучок;
43 - зондирующий пучок.
В первом варианте исполнения всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения конструктивно выполнен следующим образом.
ТТ
TT
ТТ
TT
TT
Д
Д
TT
П
Д
П
TT
П
П
П
П
1
ом
ом
РТТ
П
ЦП
РТТ
Всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения выполнен из трех круговых панелей 1, пересекающихся между собой взаимно перпендикулярно и симметрично с размещенным в его центральной части всенаправленным отражателем 2 (фиг. 1). Все три круговые панели 1 выполнены радиусом R и толщиной h<<R (фиг. 2). В результате пересечения круговых панелей 1 каждая из них делится на четыре сектора 3, где каждый сектор 3 круговой панели 1 выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью и состоит из двух обкладок 4 с сотовым заполнителем 5 между ними (фиг. 2 и фиг. 6). Внешние поверхности круговых панелей 1 образуют приемные плоскости, на которых установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов 6 (фиг. 7), использующие внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения лазера с длиной волны λ, направленного на геометрический центр всенаправленного приемника-преобразователя, в электрическую энергию. На внешней поверхности каждой обкладки 4 (фиг. 7) через электроизолирующий слой 7 установлены упомянутые фотоэлементы 6 на основе полупроводниковой структуры 8 с лицевыми контактами 9 и тыльными контактами 10, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи с помощью межэлементных соединений 11. С лицевой стороны на фотоэлементы 6 нанесено защитное покрытие 12. Причем тыльные контакты 10, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой 7 с обкладкой 4, охлаждаются двумя группами тепловых труб 13 - радиальными тепловыми трубами 14 и дугообразными, взаимно перпендикулярными в точках соприкосновения и установленными между обкладками 4 с сотовым заполнителем 5 (фиг. 2 и фиг. 6) внутри сотовой конструкции секторов 3 круговых панелей 1. При этом сечение корпуса тепловой трубы 13 является прямоугольником со сторонами  а и b, где  а≤b (фиг. 6). Боковые грани корпуса тепловой трубы 13 со сторонами b через теплопроводный слой 15 соединены с внутренней поверхностью обкладки 4 сектора 3 круговой панели 1. Причем корпус радиальной тепловой трубы 14 (фиг. 5) с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал 16 (фиг. 13), выполненный в центральном переходнике 17 (фиг. 11), с геометрическим центром, совпадающем с точкой пересечения трех срединных плоскостей 18 круговых панелей 1 (фиг. 2 и фиг. 5). Вторая группа тепловых труб 13 выполнена в форме дуги (фиг. 2) и установлена или между радиальными тепловыми трубами 14 - дугообразные тепловые трубы 19 - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы 19 и геометрическим центром круговой панели 1, или на периферии сектора 3 -периферийная дугообразная тепловая труба 20 - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией периферийной дугообразной тепловой трубы 20 и геометрическим центром круговой панели 1. Причем периферийная дугообразная тепловая труба 20 каждого сектора 3 конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами 20, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, соседних, примыкающих к нему трех секторов 3 через теплопроводящий крестообразный переходник 21 (фиг. 2, 3, 4, 8, 9,10) с каналом 22 (фиг. 9, 10) внутри каждого луча крестообразного переходника 21, в который входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы 20 длиной Δ<<π⋅ρ/2 (фиг. 4, 10) соответствующего сектора 3. Причем на участках соприкосновения корпусов радиальных тепловых труб 14 с дугообразными тепловыми трубами 19 или периферийными дугообразными тепловыми трубами 20, а также на участках сочленения радиальных тепловых труб 14 с центральным переходником 17 и периферийных дугообразных тепловых труб 20 с крестообразными переходниками 21, выполнены тепловые связи. При этом центральный переходник 17 (фиг. 2, 5, 11), выполнен в виде всенаправленного отражателя 2, включающего восемь уголковых отражателей 23. Уголковый отражатель 23 выполнен либо в виде полого уголкового отражателя 24 (фиг. 11, 12), либо сплошного уголкового отражателя 25 из оптического материала 26 (фиг. 15 и фиг. 16). Причем, всенаправленный отражатель 2 из восьми уголковых отражателей 23 образован в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения по одной из диагоналей каждой из трех квадратных теплопроводящих пластин 27 (фиг. 11) площадью s<<S каждая со стороной l (фиг. 13) и толщиной h=h (фиг. 11), где S - площадь круговой панели. При этом точки пересечения срединных плоскостей 18 (фиг. 2, 5) круговых панелей 1 и срединных плоскостей 28 (фиг. 11, 13) квадратных теплопроводящих пластин 27 совпадают. Плоскости трех квадратных теплопроводящих пластин 27, выполненные совпадающими с внешними поверхностями обкладок 4 секторов 3 круговых панелей 1, при взаимном перпендикулярном пересечении образуют восемь трехгранных углов. Причем эти грани, выполненные зеркальными, образуют отражающие грани 29 (фиг. 12) восьми полых уголковых отражателей 24 (фиг. 11, 12). При этом образована правильная треугольная пирамида с боковыми гранями, являющимися отражающими гранями 29, и основанием, имеющим форму равностороннего треугольника (фиг. 12). При этом для полого уголкового отражателя 24 основание правильной треугольной пирамиды фактически является входной гранью 30. В случае выполнения всенаправленного отражателя 2 из восьми сплошных уголковых отражателей 25 (фиг. 15), каждый из них установлен в зоне выше упомянутого трехгранного угла и выполнен из оптического материала 26 в виде правильной треугольной пирамиды (фиг. 16) с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями 29 установленными параллельно соответствующим граням трехгранного угла образованного плоскостями квадратных теплопроводящих пластин 27 (фиг. 15). При этом основание этой правильной треугольной пирамиды является входной гранью 30 сплошного уголкового отражателя 25 (фиг. 16). Причем, отражающие грани 29 сплошного уголкового отражателя 25 работают либо на эффекте полного внутреннего отражения, при этом между отражающими гранями 29 и плоскостями квадратных теплопроводящих пластин 27 выполнен не герметичный зазор величиной δ>λ (фиг. 15), где λ - длина волны лазерного излучения в оптическом материале 26, либо на эффекте зеркального отражения, где отражающие грани 29 выполнены металлизированными с зеркальным отражением. При этом корпус каждой радиальной тепловой трубы 14 длиной L≈ρ (фиг. 2) с одного конца установлен и зафиксирован, как показано на фиг. 5 и фиг. 13, теплопроводным клеем 31 в радиальном канале 16 длиной Δ<<L, выполненном в соответствующей квадратной теплопроводящей пластине 27 центрального переходника 17. Центральный переходник 17 выполнен из алюминия, меди, серебра или сплавов на их основе. На поверхность входной грани 30 сплошного уголкового отражателя 25 нанесено антиотражающее покрытие (на фигуре не показано).
Во втором варианте исполнения всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения конструктивно выполнен следующим образом.
ТТ
тт
ТТ
ТT
TT
Д
Д
TT
П
Д
П
TT
П
П
П
2
СФ
2
PTT
П
ЦП
РТТ
2
2
1/2
Всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения, выполнен из трех круговых панелей 1, пересекающихся между собой взаимно перпендикулярно и симметрично, с размещенным в его центральной части всенаправленным отражателем 2 (фиг. 1), образованным в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения трех круглых теплопроводящих пластин 34 (фиг. 17). Все три круговые панели 1 выполнены радиусом R и толщиной h<<R (фиг. 17). В результате пересечения круговых панелей 1 каждая из них делится на четыре сектора 3, где каждый сектор 3 круговой панели 1 выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью и состоит из двух обкладок 4 с сотовым заполнителем 5 между ними (фиг. 6). Внешние поверхности круговых панелей 1 образуют приемные плоскости, на которых установлены фотоэлектрические преобразователи на основе полупроводниковых фотоэлементов 6 (фиг. 7), использующие внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения лазера с длиной волны λ, направленного на геометрический центр всенаправленного приемника-преобразователя, в электрическую энергию. На внешней поверхности каждой обкладки 4 через электроизолирующий слой 7 установлены упомянутые фотоэлементы 6, на основе полупроводниковой структуры 8, с лицевыми контактами 9 и тыльными контактами 10, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи с помощью межэлементных соединений 11. С лицевой стороны на фотоэлементы 6 нанесено защитное покрытие 12. Причем тыльные контакты 10, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой 7 с обкладкой 4, охлаждаются двумя группами тепловых труб 13 (фиг. 6) -радиальными тепловыми трубами 14 и дугообразными, взаимно перпендикулярными в точках соприкосновения и установленными внутри сотовой конструкции секторов 3 круговых панелей 1 (фиг. 17). При этом сечение корпуса тепловой трубы 13 является прямоугольником со сторонами а и b где а≤b (фиг. 6). Боковые грани корпуса тепловой трубы 13 со сторонами b через теплопроводный слой 15 соединены с внутренней поверхностью обкладки 4 сектора 3 круговой панели 1. Причем корпус радиальной тепловой трубы 14 с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал 32 (фиг. 18, 20, 21), выполненный в круглой теплопроводящей пластине 34 центрального переходника 33. Причем геометрический центр центрального переходника 33 совпадает с точкой пересечения трех срединных плоскостей 18 круговых панелей 1 (фиг. 17). Вторая группа тепловых труб 13 выполнена в форме дуги (фиг. 17) и установлена или между радиальными тепловыми трубами 14 - дугообразные тепловые трубы 19 - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы 19 и геометрическим центром круговой панели 1, или на периферии сектора 3 - периферийная дугообразная тепловая труба 20 - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией тепловой трубы 20 и геометрическим центром круговой панели 1. Причем периферийная дугообразная тепловая труба 20 каждого сектора 3 конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами 20, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, соседних, примыкающих к нему, трех секторов 3 через теплопроводящий крестообразный переходник 21 (фиг. 3, 4) с каналом 22 внутри каждого луча крестообразного переходника 21 (фиг. 8, 9, 10), в который входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы 20 длиной Δ<<π⋅ρ/2 соответствующего сектора 3. Причем на участках соприкосновения корпусов радиальных тепловых труб 14 с дугообразными тепловыми трубами 19 или периферийными дугообразными тепловыми трубами 20, а также на участках сочленения радиальных тепловых труб 14 с центральным переходником 33 (фиг. 17) и периферийных дугообразных тепловых труб 20 с крестообразными переходниками 21, выполнены тепловые связи. При этом центральный переходник 33 (фиг. 17, 18, 19, 20) образован в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения трех круглых теплопроводящих пластин 34 площадью s<<S каждая, радиусом r (фиг. 18) и толщиной h=h (фиг. 19), где S - площадь круговой панели. При этом точки пересечения срединных плоскостей 18 (фиг. 17) круговых панелей 1 и срединных плоскостей 35 (фиг. 18, 20) круглых теплопроводящих пластин 34 совпадают. А круговые плоскости круглых теплопроводящих пластин 34, выполненные совпадающими с внешними поверхностями обкладок 4 секторов 3 круговых панелей 1 (фиг. 21), вписаны в сферическую поверхность радиусом r=(r+h/4) (фиг. 18) и при их взаимном пересечении образуют восемь трехгранных объемов 36, ограниченных каждый тремя перпендикулярными гранями 37 трехгранного угла (фиг. 18, 19) и сферическим треугольником 38, образуемым при пересечении упомянутых граней 37 со сферической поверхностью (фиг. 24). Причем, в каждом из трехгранных объемов 36 установлены N малых уголковых отражателей 39, где N>1, сплошных или полых и выполненных в виде правильных треугольных пирамид с перпендикулярными боковыми гранями, являющимися отражающими гранями 40, и основанием в виде равностороннего треугольника. Причем для полого малого уголкового отражателя 39 основание правильной треугольной пирамиды фактически является входной гранью 41. При этом три вершины при основании каждой из правильных треугольных пирамид лежат на сферическом треугольнике 38. Причем корпус каждой радиальной тепловой трубы 14 длиной L≈ρ (фиг. 17, 21) с одного конца установлен и зафиксирован теплопроводным клеем 31 в радиальном канале 32 длиной Δ<<L (фиг. 21, 20), выполненном в соответствующей круглой теплопроводящей пластине 34 центрального переходника 33, выполненного из алюминия, меди, серебра или сплавов на их основе.
Малые уголковые отражатели 39, выполненные полыми, изготовлены или с тонкостенными отражающими гранями 40, внутренняя поверхность которых зеркально отражающая или образованы в результате заполнения трехгранного объема 36 теплопроводным материалом (на рисунке не показан). Теплопроводный материал повторяет конфигурацию трехгранного объема 36, за исключением объема, занимаемого малыми уголковыми отражателями 39, и выполнен из материала аналогичного материалу центрального переходника 33. Причем перпендикулярные боковые отражающие грани 40, выполненные в теплопроводном материале и образующие полые малые уголковые отражатели 39, выполнены зеркальными.
ом
ом
Малые уголковые отражатели 39, выполненные сплошными из оптического материала 26, имеют вид правильных треугольных пирамид с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями 40 и основанием, являющимся входной гранью 41 (фиг. 22, 23, 24). Теплопроводный материал, повторяющий конфигурацию трехгранного объема 36, за исключением объема, занимаемого малыми уголковыми отражателями 39, является конструктивной основой для установки сплошных малых уголковых отражателей 39. Причем сплошные малые уголковые отражатели 39 выполнены или с металлизированными отражающими гранями 40 с зеркальным отражением или между отражающими гранями 40 и теплопроводным материалом выполнен негерметичный зазор величиной δ>λ, где λ - длина волны лазерного излучения в оптическом материале. На поверхности входных граней 41 сплошных малых уголковых отражателей 39 нанесено антиотражающее покрытие (на фигуре не показано).
В первом варианте исполнения всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения работает следующим образом.
ТТ
TT
ТТ
TT
П
П
1
П
Положим с космического аппарата A (на фигуре не показан), с помощью системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на рисунке не показана), реализуется дистанционная передача энергии лазерным пучком 42 на всенаправленный приемник-преобразователь (фиг. 1), установленный на некотором расстоянии от пассивного космического аппарата B (на фигуре не показан) для его электропитания. Система ПСН направляет ось лазерного пучка 42 с космического аппарата A в точку пересечения круговых панелей 1 (фиг. 1), причем практически не зависимо от их взаимного расположения. Для пассивного космического аппарата B реализуется первоначальный поиск сигнала от установленного на всенаправленном приемнике-преобразователе ответного оптического устройства, выполненного в виде всенаправленного отражателя 2 на основе уголковых отражателей 23. А именно, часть электромагнитной энергии лазерного пучка 42, называемого зондирующим пучком 43, падает на всенаправленный отражатель 2 и меняет направление своего распространения на противоположное. Таким образом, энергия отраженного пучка в виде сигнала попадает в приемное устройство системы ПСН космического аппарата B, что позволяет длительное время с высокой точностью поддерживать режим поиска, слежения и наведения в контуре с замкнутой обратной связью системы ПСН. Монохроматическое электромагнитное излучение лазерного пучка 42, падающего на приемные плоскости трех взаимно перпендикулярных круговых панелей 1 радиусом R и толщиной h<<R (фиг. 2), проходит через прозрачное защитное покрытие 12 в фотоактивную область полупроводниковой структуры 8 фотоэлементов 6 с внутренним фотоэффектом (фиг. 7). В фотоэлементах 6 происходит прямое преобразование энергии электромагнитного излучения лазера, основанное на фотовольтаическом эффекте, для создания фото-ЭДС и фототока через p-n-переход. В результате фотоэлектрический ток снимается с помощью лицевого контакта 9 и тыльного контакта 10. Межэлементные соединения 11 обеспечивают электрические соединения отдельных фотоэлементов 6 в параллельные и последовательные цепи для получения требуемого рабочего напряжения всенаправленного приемника-преобразователя. Не преобразованная во всенаправленном приемнике-преобразователе энергия лазерного излучения, в виде теплового излучения с лицевой поверхности фотоэлементов 6, уходит в космическое пространство. Одновременно с этим процессом идет также процесс теплообмена в конструктивных элементах всенаправленного приемника-преобразователя. Не преобразованная энергия, по причине неполного использования падающего на фотоэлементы 6 потока электромагнитного излучения лазера в полупроводниковой структуре 8, в виде тепловой энергии через тыльный контакт 10 и электроизолирующий слой 7 поступает на внешнюю поверхность обкладки 4 сектора 3. Далее эта тепловая энергия распределяется по каждому сектору 3 круговых панелей 1, благодаря выполнению секторов 3 с сотовым заполнителем 5 из материалов с высокой теплопроводностью, а также благодаря установленным в сотовой конструкции секторов 3 тепловым трубам 13, сечение корпуса которых является прямоугольником со сторонами  а и b, где  а≤b (фиг. 6), и которые контактируют с обкладками 4 через теплопроводный слой 15. РТТ 14, ДТТ 19 и ПДТТ 20 с высокой эффективностью транспортируют теплоту, по градиенту температуры, в радиальном и окружном направлениях обеспечивая изотермичность обкладок 4 в каждом секторе 3. Одновременно с этим процессом происходит взаимная передача теплоты между отдельными секторами 3 через центральный переходник 17 (фиг. 2, 5), образованный в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения по одной из диагоналей каждой из трех квадратных теплопроводящих пластин 27 площадью s<<S каждая со стороной l и толщиной h=h. Взаимная передача теплоты между отдельными секторами 3 круговых панелей 1 осуществляется РТТ 14, которые рассеивают тепло в радиальном направлении, при минимальных температурных перепадах, на большую поверхность обкладок 4 каждого сектора 3. Одновременно осуществляется передача теплоты между четырьмя соседними секторами 3 круговых панелей 1 периферийными дугообразными тепловыми трубами 20 через, стыкуемые с двух концов каждой ПДТТ 20, теплопроводящие крестообразные переходники 21 (фиг. 2, 3, 4), в которые входит часть корпуса периферийной дугообразной тепловой трубы 20 длиной Δ<<π⋅ρ/2 (фиг. 8, 9, 10) соответствующего сектора 3. Таким образом обеспечивается изотермичность поверхностей радиационного теплоотвода с круговых панелей 1 и равные температурные условия работы фотоэлементов 6 всенаправленного приемника-преобразователя.
Одновременно, как отмечалось выше, часть электромагнитной энергии лазерного пучка 42 используется в качестве зондирующего пучка 43 лазерной локационной системы (ЛЛС). Электромагнитная энергия зондирующего пучка 43 падает на всенаправленный отражатель 2, установленный в центральной части трех взаимно пересекающихся круговых панелей 1 всенаправленного приемника-преобразователя. Причем, в зависимости от взаимного расположения круговых панелей относительно направления зондирующего пучка 43 будет меняться видимая для зондирующего пучка 43 площадь лобовой поверхности всенаправленного отражателя 2. Как видно из фиг. 1 в зависимости от направления оси зондирующего пучка 43, относительно положения пересекающихся круговых панелей 1, возможно освещение от одного до четырех входных граней 30 уголковых отражателей 23.
Так, например, при прохождении оси зондирующего пучка 43 через вершину трехгранного угла перпендикулярно входной грани 30 одного из уголковых отражателей 23 освещаться будет только входная грань 30 этого уголкового отражателя 23. А при совпадении оси зондирующего пучка 43 с осью пересечения двух круговых панелей 1 будут освещаться четыре входные грани 30 соответственно для четырех уголковых отражателей 23. При этом возможны, с учетом затенения входных граней 30 круговыми панелями 1, промежуточные ситуации.
В случае выполнения всенаправленного отражателя 2 из полых уголковых отражателей 24 (фиг. 12), фотоны зондирующего пучка 43 проходят через входные грани 30, в общем случае от одного до четырех полых уголковых отражателей 24, и падают на отражающие грани 29 трехгранных углов. Зеркальное отражение от каждого из трех отражающих граней 29 трехгранного угла приводит к перевороту соответствующей составляющей вектора скорости фотона в направлении строго противоположном первоначальному, т.е. в направлении приемного устройства системы ПСН.
1
min
1
1
min
1
1
1
1
1
2
1
1
2
Рассмотрим работу всенаправленного отражателя выполненного из сплошных уголковых отражателей 25 (фиг. 15, 16). Каждый из них выполнен из оптического материала 26 в виде правильной треугольной пирамиды с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями 29. Лазерные лучи зондирующего пучка 43 падают на основание - входная грань 30 (в общем случае на основания от одного до четырех сплошных уголковых отражателей 25) этой правильной треугольной пирамиды, с нанесенной на ее поверхность пленкой антиотражающего покрытия, где они преломляются (первое преломление) и переходят из оптически менее плотной среды в оптически более плотную. Толщина пленки d подбирается так, чтобы волны, отраженные от обеих ее поверхностей, погашали друг друга [Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х тт. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 6-е изд., стер. - СПб.: Из-во «Лань», 2006. С. 370]. При падении на эту прозрачную плоскопараллельную пленку плоской волны параллельных лучей зондирующего пучка 43 происходит отражение волн от передней и задней поверхностей пленки [Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х тт. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 6-е изд., стер. - СПб.: Из-во «Лань», 2006. С. 363], которые оказываются в противофазах, если их время запаздывания Δt=Т/2, где Т период электромагнитных колебаний. Отсюда выбираем толщину пленки d=λ/(4n), имея в виду, что при падении луча перпендикулярно пленке Δt=2d/v, где v - скорость распространения электромагнитной волны в пленке с коэффициентом преломления n. Антиотражающее покрытие выбрано с коэффициентом преломления n, меньшим коэффициента преломления n оптического материала 26. Таким образом, при отражении электромагнитных волн зондирующего пучка 43 от передней и задней поверхностей тонкой пленки антиотражающего покрытия толщиной d эти волны при интерференции гасят друг друга, что приводит к увеличению доли энергии лазерного излучения попадающего в оптический материал 26. Далее, на границе двух сред (антиотражающее покрытие - оптический материал 26) лазерный луч зондирующего пучка 43 испытывает второе преломление и лазерный луч переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (n<n), а угол преломления оказывается меньше угла падения. Далее электромагнитные волны проходят оптический материал 26, падая на отражающие грани 29 трехгранного угла. После чего рассмотрим два случая.
В первом случае, когда отражающие грани 29 выполнены металлизированными, сплошной уголковый отражатель 25 работает на эффекте зеркального отражения. Зеркальное отражение от каждого из трех отражающих граней 29 трехгранного угла приводит к перевороту соответствующей составляющей вектора скорости фотона в направлении строго противоположном первоначальному. Далее лазерный луч, претерпевая в обратном направлении два преломления, как рассмотрено выше, выходит из сплошного уголкового отражателя 25 под тем же углом, под которым он ранее падал на входную грань 30 в направлении приемного устройства системы ПСН.
ом
пред
ом
пред
Рассмотрим второй случай, когда отражающие грани 29 сплошного уголкового отражателя 25 работают на эффекте полного внутреннего отражения. В этом случае лазерные лучи зондирующего пучка 41 из более плотной первой среды (оптический материал 26) отражаются от оптически менее плотной второй среды. В нашем случае это воздух или вакуум, присутствующий в не герметичном зазоре (фиг. 15), величиной δ>λ, между отражающими гранями 29 и плоскостями квадратных теплопроводящих пластин 27. При углах падения лазерных лучей, заключенных в пределах от θ до π/2, электромагнитная волна проникает в не герметичный зазор (фиг. 15) во вторую среду (воздух или вакуум) на расстояние порядка длины волны λ и затем возвращается в первую среду (Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х тт. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 6-е изд., стер. - СПб.: Из-во «Лань», 2006. С. 324). Здесь θ - предельный угол полного внутреннего отражения. Полное внутреннее отражение от каждого из трех отражающих граней 29 трехгранного угла приводит к перевороту соответствующей составляющей вектора скорости фотона в направлении строго противоположном первоначальному. Далее лазерный луч, аналогично первому случаю, претерпевая в обратном направлении два преломления, выходит из сплошного уголкового отражателя 25 под тем же углом, под которым он ранее падал на входную грань 30 в направлении приемного устройства системы ПСН.
λ
*
Причем, нужно отметить, что эффективность сплошного уголкового отражателя 25 несколько выше полого уголкового отражателя 24, при условии правильного подбора оптического материала 26 с высоким коэффициентом внутреннего пропускания τ [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. С. 772] для данной длины волны λ и малой зависимостью от радиационных повреждений в космических услових. Лазерный луч зондирующего пучка 43 падает на входную грань 30 и переходит из оптически менее плотной среды (например, космического вакуума) в оптически более плотную среду, в результате преломленный луч ближе приближается к перпендикуляру к границе раздела, чем падающий. Таким образом, за счет увеличения угла падения лазерных лучей зондирующего пучка 43 увеличивается доля лучей, падающих на входную грань 30, которые после преломления на границе сред попадают в трехгранный угол. Это приводит к увеличению энергии отраженного пучка и соответственно энергии принятого сигнала приемным устройством системы ПСН. А эффективность сплошного уголкового отражателя 25, работающего на эффекте полного внутреннего отражения может быть несколько выше работающего на эффекте зеркального отражения, где отражающие грани 29 выполнены металлизированными.
Так же нужно отметить, что центральный переходник 17, кроме выполнения тепловой связи и транспорта теплоты в круговых панелях 1 для выравнивания температуры обкладок 4 сотовых секторов 3 и силовой связи всех секторов 3 в единую конструкцию, является конструктивной основой всенаправленного отражателя 2 зондирующего пучка 43 лазерной локационной системы.
Во втором варианте исполнения всенаправленный приемник-преобразователь лазерного излучения работает следующим образом.
Положим с космического аппарата A (на фигуре не показан), с помощью системы поиска, слежения и наведения (ПСН) (на фигуре не показана), реализуется дистанционная передача энергии лазерным пучком 42 на всенаправленный приемник-преобразователь (фиг. 1), установленный на некотором расстоянии от пассивного космического аппарата B (на фигуре не показан) для его электропитания. Системой ПСН направляют ось лазерного пучка 42 с космического аппарата A в точку пересечения круговых панелей 1 (фиг. 1), причем практически независимо от их взаимного расположения. Для пассивного космического аппарата B реализуется первоначальный поиск сигнала от установленного на всенаправленном приемнике-преобразователе ответного оптического устройства, выполненного в виде всенаправленного отражателя 2 на основе сплошных/полых малых уголковых отражателей 39 (фиг. 22, 23, 24). А именно, часть электромагнитной энергии лазерного пучка 42, называемого зондирующим пучком 43, падает на всенаправленный отражатель 2 и меняет направление своего распространения на противоположное. Таким образом, энергия отраженного пучка в виде сигнала попадает в приемное устройство системы ПСН космического аппарата B, что позволяет длительное время с высокой точностью поддерживать режим поиска, слежения и наведения в контуре с замкнутой обратной связью системы ПСН.
Что касается преобразования энергии монохроматического электромагнитного излучения лазерного пучка 42, падающего на приемные плоскости круговых панелей 1, в электроэнергию, то этот процесс аналогичен рассмотренному выше в первом варианте исполнения всенаправленного приемника-преобразователя.
Процесс теплообмена в конструктивных элементах всенаправленного приемника-преобразователя и сброс непреобразованной энергии лазерного излучения в виде теплового излучения с лицевой поверхности фотоэлементов 6 в космическое пространство, что обеспечивает изотермичность поверхностей радиационного теплоотвода с круговых панелей 1 и равные температурные условия работы фотоэлементов 6 всенаправленного приемника-преобразователя, аналогичен рассмотренному выше в первом варианте исполнения всенаправленного приемника-преобразователя.
Одновременно, как отмечалось выше, часть электромагнитной энергии лазерного пучка 42 используется в качестве зондирующего пучка 43 лазерной локационной системы (ЛЛС). Электромагнитная энергия зондирующего пучка 43 падает на всенаправленный отражатель 2, установленный в центральной части трех взаимно пересекающихся круговых панелей 1 всенаправленного приемника-преобразователя. Причем, в зависимости от взаимного расположения круговых панелей 1 относительно направления зондирующего пучка 41 будет меняться видимая для зондирующего пучка 41 суммарная площадь входных граней 39 (фиг. 22), через которые входит зондирующий пучок 43 в трехгранные углы малых уголковых отражателей 39 всенаправленного отражателя 2. Как видно из фиг. 1, в зависимости от направления оси зондирующего пучка 43 относительно положения пересекающихся круговых панелей 1, возможно освещение от одного до четырех трехгранных объемов 36 (фиг. 18, 22, 24). Так, например, при прохождении оси зондирующего пучка 43 через вершину трехгранного угла и центр сферического треугольника 38 одного из трехгранных объемов 36 освещаться будут только входные грани 41 малых уголковых отражателей 39, размещенных в этом трехгранном объеме 36. А при совпадении оси зондирующего пучка 43 с осью пересечения двух круговых панелей 1 будут освещаться входные грани 41 малых уголковых отражателей 39, которые размещены в четырех трехгранных объемах 36. При этом возможны, с учетом затенения входных граней 41 круговыми панелями 1, промежуточные ситуации.
Рассмотрим работу всенаправленного отражателя 2 с малыми уголковыми отражателями 39 выполненными полыми с боковыми отражающими гранями 40, внутренняя поверхность которых зеркально отражающая. Фотоны зондирующего пучка 43 падают на входные грани 41 малых уголковых отражателей 39 в количестве N, где N>1. Причем, три вершины при основании, являющемся входной гранью 41, каждой из правильных треугольных пирамид, образующих малые уголковые отражатели 39, лежат на сферическом треугольнике 38. В общем случае лучи зондирующего пучка 43 могут падать на сферические треугольники 38, от одного до четырех, соответствующих трехгранных объемов 36. Далее они проходят через входные грани 41 и падают на отражающие грани 40 полых малых уголковых отражателей 39. Далее идет процесс аналогичный как для полого уголкового отражателя 24, ранее рассмотренный в первом варианте исполнения всенаправленного приемника-преобразователя.
Рассмотрим работу всенаправленного отражателя 2 с малыми уголковыми отражателями 39 выполненными сплошными (фиг. 22, 23, 24) из оптического материала 26 в виде правильной треугольной пирамиды с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями 40. Фотоны зондирующего пучка 43 падают на сферические треугольники 38, на каждом из которых размещены входные грани 41 малых уголковых отражателей 39 в количестве N, где N>1. Причем, с уменьшением габаритов малых уголковых отражателей 39, увеличением их количества N и плотной упаковке, суммарная площадь входных граней 41 будет приближаться к площади сферического треугольника 38 A количество N малых уголковыхотражателей 39, размещаемых в трехгранном объеме, может быть ограничено технологическими возможностями изготовления.
Лазерные лучи зондирующего пучка 43 падают на основания этих правильных треугольных пирамид, являющиеся входными гранями 41, с нанесенным на эти основания антиотражающим покрытием. Далее идут процессы в каждом малом уголковом отражателе 39 аналогичные ранее рассмотренным для сплошных уголковых отражателей 25 в первом варианте исполнения всенаправленного приемника-преобразователя.
Причем, нужно отметить, что эффективность всенаправленного отражателя 2 по второму варианту исполнения, выполненного из малых уголковых отражателей 39, выше всенаправленного отражателя 2 по первому варианту за счет увеличения суммарной площади входных граней 41, которая может приближаться к площади сферического треугольника 38, что приводит к увеличению энергии отраженного пучка и соответственно энергии принятого сигнала приемным устройством системы ПСН.
Приведем расчетный пример проектирования всенаправленного приемника-преобразователя лазерного излучения для первого варианта исполнения.
3
2
0
0
0
0
Для данного примера примем круговой лазерный пучок, т.е. пространственное распределение мощности лазерного пучка имеет круговую симметрию. Ось лазерного пучка направлена в точку пересечения круговых панелей приемника-преобразователя, при этом испускаются электромагнитные волны длиной λ=0,8 мкм [Физический энциклопедический словарь. Москва, «Советская энциклопедия», 1983. С. 338]. Примем, что лазерный пучок падает непрерывно со средней плотностью мощности E=5⋅10 Вт/м отнесенной к поперечному сечению пучка радиусом примерно равным радиусу круговых панелей R и проходящему через точку пересечения круговых панелей. В первом приближении примем зависимость относительной выходной мощности (Р/Р), снимаемой с приемника-преобразователя, от направления оси лазерного пучка, падающего на приемник-преобразователь, аналогичной зависимости Р/Р для солнечной батареи шарообразной формы, как наиболее близкой по геометрии, и приведенной в [Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 79], где Р/Р=0,9-1,0. Здесь Р - максимальная выходная электрическая мощность снимаемая с всенаправленного приемника-преобразователя. Используя для P уравнение из [Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983. С. 73], запишем в общем виде для выходной электрической мощности всенаправленного приемника-преобразователя соотношение
2
где E - средняя плотность мощности лазерного пучка падающего на приемник-преобразователь, Вт/м;
η - КПД преобразования приемника-преобразователя, отн. ед.;
F - суммарный фактор, учитывающий возможную деградацию ее параметров и особенности приемника-преобразователя, в том числе снижение полезной площади круговой панели за счет конструкции центрального переходника;
i - номер круговой панели;
ПП
i
2
(S) - площадь приемной плоскости i-ой круговой панели, на которую падает лазерный пучок, м;
i
Г - угол между осью лазерного пучка и нормалью к плоскости i-ой круговой панели.
ПП
ПП
Примечание - в рассматриваемом приемнике-преобразователе площадь приемной плоскости S круговой панели может составлять только часть площади круговой панели S. S≤S поскольку лазерный пучок падает, как правило, на часть круговой панели, а другая часть этой круговой панели загорожена (затенена) соседними круговыми панелями и поэтому остается в тени.
П
П
max
П
Примем, что площадь квадратной теплопроводящей пластины s (с обрезанными уголками, как показано на фиг. 5) центрального переходника относительно площади круговой панели S составляет величину порядка 2%, что соответствует требуемому условию s<<S. Откуда, в первом приближении, максимальная мощность зондирующего пучка, падающего на всенаправленный приемник-преобразователь W=Е⋅s, что соответствует направлению оси лазерного пучка совпадающей с осью пересечения двух круговых панелей и перпендикулярному третьей круговой панели.
III
V
II
VI
0
0
ПП
Базовыми материалами для производства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом [В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. Москва. Машиностроение, 1989 г. С. 138] являются полупроводниковые структуры на основе соединений элементов III и V (АВ), II и VI групп (AB) или на основе полупроводников IV группы периодической системы элементов. Для расчетного примера в качестве фотоэлементов, покрывающих через электроизолирующий слой обкладки секторов круговых панелей, используем тонкопленочные однопереходные ФЭП на основе AlGaAs/GaAs [Ж.И. Алферов, В.М. Андреев, В.Д. Румянцев. Тенденции и перспективы развития солнечной фотоэнергетики // Физика и техника полупроводников, 2004, том 38, вып. 8, с. 937-948], разработанные в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН и позволяющие сохранить высокий КПД при уменьшении толщины структуры ФЭП до величины менее 10 мкм [В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012.. Т. 48, №2. с. 59-66.]. На поверхность полупроводниковой структуры со стороны тыльного контакта нанесено зеркальное отражающее покрытие, что позволит снизить потери в фотоэлементе [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984. С. 101]. По этой же причине предлагают [В.М. Андреев. Гетероструктурные солнечные элементы. Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 9, с. 1035-1038] полупроводниковую структуру фотоэлемента выполнять со встроенными брэгговскими зеркалами. На внешней поверхности секторов каждой круговой панели через электроизолирующий слой устанавливаем фотоэлементы с лицевыми полосковыми и тыльными сплошными контактами выполненными из материала на основе Au, и коммутируем их в последовательно-параллельные цепи. В расчетном примере примем КПД фотоэлементов с внутренним фотоэффектом η=0,5, а суммарный фактор, учитывающий потери в коммутации и дополнительную тепловую нагрузку на всенаправленный приемник-преобразователь от солнечного излучения, в первом приближении примем F=0,9. Считаем, что максимум снимаемой с всенаправленного приемника-преобразователя выходной электрической мощности (Р) соответствует направлению оси лазерного пучка совпадающей с осью пересечения двух круговых панелей и перпендикулярному третьей круговой панели. Примем величину максимальной выходной электрической мощности всенаправленного приемника-преобразователя Р=3500 Вт. Решая уравнение (1) относительно S получаем площадь приемной плоскости, в данном случае она практически совпадает с площадью круговой панели (S), с одной ее стороны, т.е.
ПП
0
3
2
S=Р/(Е⋅cosГ⋅π⋅F)=3500/(5⋅10⋅cos0⋅0,5⋅0,9)=1,55 м.
П
ПП
ПП
ПП
эф
2
0,5
0,5
2
2
2
2
Т.к. s/S=(S-S)/S=0,02, то S=S/0,98=1,55/0,98=1,58 м. Откуда определим размеры приемника-преобразователя, т.е. величину радиуса круговых панелей R=(S/π)=(1,58/π)=0,71 м. Зная габариты приемника-преобразователя, выполненного из трех взаимно перпендикулярных круговых панелей, где каждая панель с двух сторон покрыта тонкопленочными фотоэлементами на базе GaAs, оценим суммарную площадь покрытую фотоэлементами ΣS=6⋅S=6⋅1,55=9,3 м и эффективную поверхность радиационного излучения приемника-преобразователя S=4⋅π⋅R=4⋅π⋅ 0,71=6,33 м.
-2
-2
-2
-2
-2
-2
1
1
TT
TT
TT
Д
П
Д
П
TT
П
П
РТТ
РТТ
П
ЦП
ЦП
РТТ
Выполняем сектора каждой круговой панели в виде сотовой конструкции с сотовым заполнителем из фольги. Примем толщину круговых панелей, включая толщину двух обкладок, равной h=1,35⋅10 м, при этом соблюдается условие h<<R, и толщину квадратной теплопроводящей пластины центрального переходника h=1,35⋅10 м, что соответствует требуемому соотношению h=h. Примем, что в каждый сектор круговой панели вмонтированы две РТТ, одна ДТТ и одна ПДТТ. Сотовые конструкции круговых панелей с тепловыми трубами выполняем из сплавов на основе алюминия, материала обладающего высокой теплопроводностью. Тепловые трубы для надежности выполняем двухканальными с размерами профиля а=1,25⋅10 м и b=2,6⋅10 м, и контактирующие стороной b с обкладками сектора через клеевой теплопроводный слой. Для ДТТ, установленных между РТТ, средний радиус кривизны дуги примем ρ=0,5 м, а для ПДТТ примем средний радиус кривизны дуги ρ=0,69 м, что отвечает требуемому соотношению ρ<ρ<(R-b/2). ПДТТ каждого сектора конструктивно объединена с периферийными дугообразными тепловыми трубами, с тем же средним радиусом кривизны дуги ρ, установленными в соседних трех секторах, примыкающих к первому сектору, через теплопроводящий крестообразный переходник. Крестообразный переходник выполняем из сплавов на основе алюминия, материала обладающего высокой теплопроводностью. Внутри каждого луча крестообразного переходника выполнен канал, в который входит часть корпуса ПДТТ длиной примем Δ=5⋅10 м, что соответствует требуемому соотношению Δ<<π⋅ρ/2. Возьмем радиальную тепловую трубу длиной L=0,65 м, что отвечает требуемому соотношению L≈ρ. Корпус РТТ с одного конца устанавливаем и фиксируем теплопроводным клеем в радиальном канале длиной Δ=7⋅10 м, выполненном в соответствующей квадратной теплопроводящей пластине центрального переходника, что соответствует требуемому соотношению Δ<<L. Центральный переходник выполняем из высокотеплопроводных сплавов на основе алюминия. На участках соприкосновения корпусов РТТ с ДТТ или с ПДТТ, а также на участках сочленения РТТ с центральным переходником и ПДТТ с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи, например через клеящие теплопроводящие слои. Причем РТТ с ДТТ и ПДТТ устанавливаем в сотовой конструкции взаимно перпендикулярно в точках соприкосновения.
УО
УО
П
П
П
П
П
П
П
УО
-2
2
2
2
2
1/2
-2
-2
2
1/2
Центральный переходник выполняем в виде всенаправленного отражателя включающего восемь разнонаправленных уголковых отражателей, входная грань каждого из которых имеет форму равностороннего треугольника со стороной l. Из геометрии квадратной теплопроводящей пластины (фиг. 5) определим l через известную площадь квадратной теплопроводящей пластины s. Используя ранее принятое соотношение s/S=0,02, определяем s=1,58⋅0,02=3,16⋅10 м. Т.к. s=l-h, то очевидно l=(s+h)=[3,16⋅10+(1,35⋅10)]=0,178 м. Откуда  Оценим площадь входной грани уголкового отражателя s
Оценим максимальную мощность излучения подсветки зондирующего пучка, попадающего через входные грани в уголковые отражатели (максимально в четыре), что соответствует направлению оси лазерного пучка совпадающей с осью пересечения двух круговых панелей и перпендикулярному третьей круговой панели, из выражения
λ
λ
Рассмотрим случай, когда уголковые отражатели выполнены полыми и образованы в результате пересечения плоскостей трех квадратных теплопроводящих пластин, которые при пересечении образуют восемь трехгранных углов. Причем эти грани выполняем зеркальными с отражающим покрытием из серебра, что вызвано в первую очередь максимально высоким спектральным коэффициентом отражения пленок серебра ρ. Для принятой в примере длины волны λ=0,8 мкм коэффициент отражения пленки серебра, которую используем в качестве покрытия ρ=0,964 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. С. 783].
2
λ
2
1
2
1
1
*
Рассмотрим случай, когда уголковые отражатели выполнены сплошными. Каждый сплошной уголковый отражатель выполняем из оптического материала в виде правильной треугольной пирамиды с тремя взаимно перпендикулярными боковыми отражающими гранями и помещаем в зону упомянутого выше трехгранного угла. Причем, боковые отражающие грани сплошного уголкового отражателя устанавливаем параллельно соответствующим граням трехгранного угла. В качестве оптического материала для принятого монохроматического лазерного излучения с длиной волны λ=0,8 мкм используем кварцевое стекло с показателем преломления n≈1,453 и с коэффициентом внутреннего пропускания τ=0,999 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. С. 772]. При этом для уменьшения отражения монохроматического лазерного излучения зондирующего пучка от входной грани используем антиотражающее покрытие, например, выполненное из MgF с коэффициентом преломления n=1,32 [Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом. / В.А. Летин, Л.С. Гаценко, Т.А. Агеева, В.Ф. Суркова // Журнал научно-производственного предприятия «КВАНТ», №24-25, 2008-2009. С. 9], меньшим коэффициента преломления оптического материала n, и толщиной d=λ/(4⋅n)=0,8/(4⋅1,32)=0,15 мкм. Выбор материала антиотражающего покрытия вызван тем, что его наибольшая эффективность достигается в том случае, если показатель преломления пленки равен корню квадратному из показателя преломления оптического материала [Савельев И.В. Курс общей физики: Учебное пособие. В 3-х тт. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. 6-е изд., стер. - СПб.: Из-во «Лань», 2006. С. 370].
λ
λ
Причем, если выполняем сплошной уголковый отражатель с отражающими гранями, работающими на эффекте зеркального отражения, то на эти грани нанесено покрытие с отражающим слоем из серебра с ρ=0,964 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. С. 783], что вызвано в первую очередь максимально высоким спектральным коэффициентом отражения пленок серебра ρ для принятой в примере длины волны λ.
ом
ом
2
Если же выполняем сплошной уголковый отражатель с отражающими гранями, работающими на эффекте полного внутреннего отражения, то между отражающими гранями и плоскостями квадратных теплопроводящих пластин выполнен негерметичный зазор величиной δ≈(1-2) мкм, что удовлетворяет условию δ>λ, где λ=λ/n=0,8/1,453=0,55 мкм.
0
Таким образом, рассматриваемая система обеспечения теплового режима, состоящая из 12 секторов трех высокотеплопроводных круговых панелей сотовой конструкции, включает сеть из 48 тепловых труб по 16 тепловых труб в каждой круговой панели, связанных между собой в единую тепловую систему, перераспределяет тепловую энергию (Q), одновременно излучаемую в окружающее космическое пространство, обеспечивая необходимую изотермичность приемника-преобразователя. Далее для принятой максимальной выходной электрической мощности Р=3500 Вт оценим Q из выражения
2
3
2
0
Q=Е⋅π⋅R-Р=5⋅10⋅π⋅0,71-3500=4418 Вт.
Считаем, что со стороны лицевого контакта на фотоэлементы нанесено защитное покрытие на основе стеклянных пластин [Защитные покрытия солнечных батарей космических аппаратов с большим ресурсом // Журнал научно-производственного предприятия «КВАНТ» Автономная энергетика. М.: НПП «КВАНТ», №24-25, 2008-2009, с. 3-13.] с коэффициентом теплового излучения, в диапазоне длин волн более 5 мкм, ε=0,95 [Л.А. Новицкий, Б.М. Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Москва, Машиностроение, 1980. С. 170] и с антиотражающим покрытием, выполненным например из ZnS [Высокоэффективные концентраторные (2500 солнц) AlGaAs/GaAs - солнечные элементы // Андреев В.М., Хвостиков В.П., Ларионов В.Р. и др. // Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып. 9, с. 1070-1072.]. Определим температурные условия работы фотоэлементов, оценив среднюю температуру круговых панелей приемника-преобразователя Т, используя закон теплового излучения Стефана-Больцмана
-8
2
4
где σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,67⋅10 Вт/(м⋅К).
эф
0,25
-8
0,25
Из (2) Т=[Q/(ε⋅σ⋅S)]=[4418/(0,95⋅5,67⋅10⋅6,33)]=337 К.
Таким образом, температурные условия использованных в примере фотоэлементов на основе арсенида галлия отвечают требуемым для этого материала [В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984. С. 110].
Приведем расчетный пример проектирования всенаправленного приемника-преобразователя лазерного излучения для второго варианта исполнения.
Второй вариант проектирования всенаправленного приемника-преобразователя отличается от первого только в основном исполнением всенаправленного отражателя.
П
П
2
2
-2
При этом сотовые конструкции с тепловыми трубами секторов круговых панелей стыкуем с центральным переходником как показано на фиг. 17-21. Центральный переходник выполняем из сплава на основе алюминия. Центральный переходник является конструктивной основой для всенаправленного отражателя и образован в результате перпендикулярного взаимно симметричного пересечения трех круглых теплопроводящих пластин. Примем, что площадь круглой теплопроводящей пластины s центрального переходника относительно площади круговой панели S составляет величину порядка 2%, что соответствует требуемому условию s <<S. Радиус круговой панели примем, как в первом варианте, R=0,71 м. Откуда радиус круглой теплопроводящей пластины  (фиг. 18) и примем толщину круглой теплопроводящей пластины h=1,35⋅10 м, что соответствует требуемому соотношению h=h.
СФ
2
CФ
2
2
1/2
2
-2
2
1/2
Круговые плоскости круглых теплопроводящих пластин, совпадающие с внешними поверхностями обкладок секторов круговых панелей, вписаны в сферическую поверхность радиусом r=(r+h/4)=[0,1+(1,35⋅10)/4]≈0,1 м. При их взаимном пересечении образуют восемь трехгранных объемов, ограниченных каждый тремя перпендикулярными гранями трехгранного угла и сферическим треугольником, образуемым при пересечении упомянутых граней со сферической поверхностью. В каждом из трехгранных объемов устанавливаем малые уголковые отражатели, например, числом N=4, что отвечает принятому условию N>1. Причем, с увеличением количества N малых уголковых отражателей, размещенных в трехгранном объеме, при плотной упаковке их входных граней на сферическом треугольнике, суммарная площадь входных граней будет приближаться к площади сферического треугольника S. А количество N малых уголковых отражателей, размещаемых в трехгранном объеме, может быть ограничено технологическими возможностями изготовления.
Рассмотрим, для примера, насколько может увеличиться суммарная площадь входных граней малых уголковых отражателей, с увеличением N.
УО.
УО
2
Р
2
CФ
СФ
2
2
-2
-2
-2
2
-3
2
2
2
2
-2
-2
2
-2
-3
-2
-3
2
Так, например, предположим, что в рассматриваемом сферическом треугольнике размещен один уголковый отражатель, для которого из фиг. 22 можно определить площадь входной грани S Входная грань имеет форму равностороннего треугольника со стороной l, которую нетрудно определить, зная h=1,35⋅10 м и r=0,1 м, из фиг. 22 и фиг. 23. Из фиг. 22 определяем длину ребра 1р правильной треугольной пирамиды l=r-h/2=0,1-(1,35⋅10)/2=9,32⋅10 м, а из фиг. 23 определяем  Откуда площадь входной грани  ⋅0,132=7,5⋅10 м. Теперь оценим из фиг. 22 площадь сферического треугольника S≈[4π⋅r-(6π⋅r⋅h-6⋅h)]/8={4π⋅0,1-[6π⋅0,1⋅1,35⋅10-6(1,35⋅10)]}/8=(12,57⋅10-24,35⋅10)/8=10,14⋅10/8=12,67⋅10 м.
Из вышерассмотренного примера видно, что использование малых уголковых отражателей значительно поднимает суммарную площадь входных граней всенаправленного отражателя, а следовательно и эффективность в целом всенаправленного отражателя.
λ
λ
Рассмотрим случай, когда малые уголковые отражатели выполнены полыми с тонкостенными боковыми гранями, с входными гранями плотно упакованными по сферическому треугольнику. Например, тонкостенные боковые грани выполняем толщиной 0,1 мм из сплава бронзы БрБ2 (твердое состояние) [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 59], а внутреннюю поверхность боковых граней выполняем зеркально отражающей с отражающим покрытием из серебра с ρ=0,964 [Физические величины. Справочник под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Москва: Энергоатомиздат, 1991. С. 783], что вызвано в первую очередь максимально высоким спектральным коэффициентом отражения пленок серебра ρ, для принятой в примере длины волны λ.
Другой вариант исполнения полых малых уголковых отражателей можно получить, когда трехгранный объем заполняют теплопроводным материалом, повторяющим конфигурацию трехгранного объема за исключением объема, занимаемого малыми уголковыми отражателями. В данном варианте теплопроводный материал является конструктивной основой для установки малых уголковых отражателей. В качестве теплопроводного материала, заполняющего трехгранный объем, выбираем сплав на основе алюминия, аналогичный материалу центрального переходника. Данный выбор теплопроводного материала вызван тем, что предотвращает термические напряжения на стыке с центральным переходником и, кроме того, снижает термическое сопротивление при теплообмене между секторами круговых панелей. При этом, поверхности боковых граней этих малых уголковых отражателей выполняем зеркально отражающими с отражающим покрытием из серебра.
Рассмотрим случай, когда малые уголковые отражатели выполнены сплошными. Каждый из них устанавливаем в зоне трехгранных углов полых малых уголковых отражателей, рассмотренных выше. Сплошные малые уголковые отражатели выполнены из того же оптического материала и работают аналогично рассмотренным выше сплошным уголковым отражателям, как и в первом варианте исполнения всенаправленного приемника-преобразователя.