СИСТЕМА БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭНЕРГОПИТАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов относится к системам передачи СВЧ излучения от источника к потребителю и к системам энергопитания летательных аппаратов, например к искусственным спутникам Земли (ИСЗ) и беспилотным сверхмалым летательным аппаратам.
Прототипом данной конструкции можно считать традиционную солнечную космическую электростанцию с передачей энергии с помощью СВЧ излучения. (Glaser, P.E. 1968 "Power from the Sun: Its future", Science, 162, 857 (1968)) В ней присутствуют основные элементы предлагаемой системы беспроводной передачи энергии, недостатком является передача энергии с подвижной станции на стационарную антенну наземного базирования, с обязательным последующим преобразованием в переменный или постоянный ток с помощью большого количества полупроводниковых диодов. Аналогом предлагаемой конструкции можно считать конструкцию вертолета, получающего энергию с земли помощью СВЧ излучения. (Brown W.C., Heenan N.I., Mims J.R., An experimental microwave-powered helicopter. IEEE Intern. Conv. Record, 13, Pt.5 pp.225-235 (1965). В ходе этих работ был разработан вертолет, у которого двигатель постоянного тока получал энергию через устройство, называемое теперь ректенна (ректенна - приемная антенна, преобразующая падающее СВЧ излучение в постоянный ток с помощью большого количества полупроводниковых диодов).
антенна, преобразующая падающее СВЧ излучение в постоянный ток с помощью большого количества полупроводниковых диодов).
В системе беспроводной передачи предлагается использование двигателей, использующих напрямую излучение СВЧ диапазона, (для вертолета, например Stockman H.E. Parametric motor energized by radio frequency field, Proc. IEEE (Correspondence), 51, pp.1253-1254 (sept. 1963)). За счет отказа от использования большого количества маломощных полупроводниковых диодов с барьером Шоттки достигается повышение потока мощности в СВЧ-пучке и снижение массогабаритных характеристик, в основном за счет размеров приемно-выпрямительной антенны и снижении массы аккумуляторов. Все это позволяет повысить степень надежности работы системы энергопитания, увеличить полезную нагрузки или уменьшить габариты летательного аппарата и его заметность.
В случае применения на летательном аппарате двигателя постоянного тока предлагаемая система также позволяет уменьшить размеры приемной антенны и заметность аппарата, т.к. преобразование СВЧ энергии в постоянный ток осуществляется не в ректенне большой площади, а в малогабаритном преобразователе, например, циклотронном (патент РФ №2119691 от 27.09.1998, патент США №6507152 от 14.01.2003).
Использование предлагаемой системы на ИСЗ также дает преимущества по сравнению с традиционными системами энергопитания. При потребляемой космическим аппаратом мощности до 20 кВт используются солнечные термоэлектрические системы и фотоэлектрические системы. Масса бортовой энергетической установки составляет, в среднем, около 20% массы всего аппарата. (В.Н.Гущин Основы устройства космических аппаратов. М. Машиностроение 2003 год). Преимущественно используются солнечные фотоэлектрические системы (солнечные батареи), т.к. в них нет движущихся частей. Однако остаются ограничения связанные с деградацией материала батарей под действием жесткого излучения Солнца. На низких орбитах на время активного существования аппаратов сказывается также снижение времени облучения солнечным светом и аэродинамическое сопротивление батарей. Для корректировки и стабилизации орбит ИСЗ используются двигатели малых тяг. Обычные ракетные двигатели обладают ограниченным ресурсом по числу включений и требуют расхода относительно большого количество вещества для создания реактивной тяги. Это ограничивает время жизни спутников, совершающих большое количество маневров на орбите, и низкоорбитальных систем, требующих постоянной корректировки орбиты из-за тормозящего действия атмосферы. На подобных аппаратах все чаще применяют ионные двигатели, отличающиеся длительным ресурсом, высокой надежностью и малым расходом вещества, используемого для создания реактивной тяги. В качестве примера можно привести радиочастотный ионный движитель РИД-26. Потребляя 6 кВт энергии, этот двигатель может развить тягу до 200 мН, при этом тяга регулируется изменением подводимой мощности. Уровень тяги подобных двигателей ограничен мощностью солнечных батарей системы энергообеспечения.
Предлагаемая система может обеспечить передачу средней мощности до 15 кВт на расстояние до нескольких сотен километров. Применение предлагаемой конструкции позволяет снизить размеры приемной антенны, увеличить среднюю мощность, потребляемую аппаратурой, и увеличить массу полезной нагрузки аппарата, т.к. на борту исключается преобразователь энергии постоянного тока в излучение, используемое двигателем, что также увеличивает надежность. Энергию можно получать даже в тени.
Подписи к рисункам:
Фиг.1 Схема системы питания радиочастотного ионного двигателя (РИД) СВЧ энергией. 1 - приемная антенна, 2 - РИД.
Фиг.2 Схема системы питания радиочастотного ионного двигателя (РИД) СВЧ энергией с одновременной передачей сигнала па блок управления (БУ). 1 - приемная антенна, 2 - РИД, 3 - направленный ответвитель, 4 - детектор низкочастотного сигнала управления, 4 - БУ.
Фиг.3 Схема приема СВЧ энергии с циклотронным преобразователем (ЦП) СВЧ энергии в постоянный ток и накоплением ее в аккумуляторной батарее (АБ). 1 - приемная антенна, 2 - направленный ответвитель, 3 - ЦП, 4-АБ.
Фиг.4. Схема питания ионного двигателя (РИД) СВЧ энергией с резервным накоплением электрической энергии, полученной после преобразования СВЧ-энергии в циклотронном преобразователе (ЦП), в аккумуляторной батарее (АБ) и использованием ее для питания внутреннего СВЧ-генератора (Ген) в случае отсутствия СВЧ-сигнала на приемной антенне. 1 - приемная антенна, 2 - направленный ответвитель, 3 - ЦП, 4 - АБ, 5 - электронный ключ включения питания высокочастотного генератора от аккумуляторной батареи, 6 - схема индикации СВЧ сигнала и управления электронным ключем, 7 - СВЧ-генератор, 8 - двойной мост, 9 - РИД.