КОСМИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК-ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
SPACE LASER RADIATION RECEIVER-CONVERTER

Изобретение относится к космической технике, к области создания приемников-преобразователей на основе полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) для преобразования электромагнитной энергии лазерного излучения высокой плотности. Области применения такого преобразования - беспроводные системы дистанционного энергопитания космических аппаратов (КА) /1/.
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 /2, 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 /3/ предлагается конструкция приемника-преобразователя - солнечной батареи для КА, функционирующего на околоземных круговых 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 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 10g /4, 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 5·10g /4, с.115-116/, что недопустимо для подобных КА.
Кроме того, вышеприведенные конструкции 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. 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 СБ, где характерны спектральные потери энергии. При этом значительно снижается 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 космического приемника-преобразователя лазерного излучения, приведенная в /5/. Эта конструкция включает приемную плоскость, выполненную в виде круговой панели, на внешней стороне которой установлены фотоэлектрические преобразователи. ФЭП выполнены на основе полупроводниковых фотоэлементов и используют внутренний фотоэффект для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения лазера в электрическую энергию. Ось лазерного пучка, электромагнитные волны которого распространяются в круговом конусе, непрерывно и нормально направляют на геометрический центр круговой панели приемника-преобразователя. Приемник-преобразователь установлен на технологическом КА для производства материалов в космосе так, чтобы ось пучка совпадала с вектором скорости КА и проходила через его центр масс, причем лазерный пучок находится в плоскости орбиты функционирования КА, а источник лазерного излучения установлен на определенной высоте над этой орбитой. Электрическая энергия из приемника-преобразователя подается для питания технологических установок и двигательной установки причаливания и ориентации КА. Недостатком данного приемника-преобразователя является его чувствительность к неравномерному распределению мощности лазерного пучка по приемной плоскости круговой панели, что приводит к местным перегревам фотоэлементов, снижению эффективности приемника-преобразователя, его надежности и ресурса, ограничивает допустимую мощность лазерного пучка. Кроме того, достаточно жесткие требования к взаимному положению лазерного пучка, орбиты функционирования технологического КА и приемной плоскости круговой панели прототипа ограничивают функциональные возможности приемника-преобразователя, поскольку поиск, слежение и наведение лазера может представлять для разработчиков в области управления достаточно сложную задачу.
Таким образом, задачей изобретения является повышение допустимой мощности лазерного излучения на приемник-преобразователь и эффективности приемника-преобразователя, увеличение надежности и ресурса его работы в космосе, а также расширение функциональных возможностей за счет обеспечения всенаправленности приемника-преобразователя.
TT
TT
TT
TT
TT
Ш
Д
Ш
TT
Д
TT
П
Д
П
TT
П
П
Поставленная задача достигается космическим приемником-преобразователем лазерного излучения, включающим 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, дополнительно введены две перпендикулярные круговые панели взаимно перпендикулярные с первой круговой панелью, причем 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, причем 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 a и b, где a≤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 переходнике с радиусом r<<R и геометрическим центром, совпадающем с точкой пересечения трех круговых панелей, во второй группе тепловые трубы выполнены в форме дуги и установлены или между радиальными прямолинейными тепловыми трубами - дугообразные тепловые трубы - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению (r+b)<ρ<(R-b/2) 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 шарообразным переходником и периферийных дугообразных тепловых труб с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи. (Вариант 1).
TT
TT
TT
TT
TT
C
Д
TT
Д
TT
П
Д
П
TT
П
П
Так же поставленная задача достигается космическим приемником-преобразователем лазерного излучения, включающим 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, дополнительно введены две перпендикулярные круговые панели взаимно перпендикулярные с первой круговой панелью, причем 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, причем тыльные контакты, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой с обкладкой, охлаждаются двумя группами тепловых труб - V-образными 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 a и b где a≤b боковые грани корпуса тепловой трубы со сторонами b через теплопроводный слой соединены с внутренними поверхностями обкладок сектора круговой панели, причем в первой группе V-образные тепловые трубы выполнены с вершиной совпадающей с точкой пересечения трех круговых панелей и радиусом округления при вершине r<<R и с углом раскрытия ветвей а, отвечающим соотношению 0°<α<90°, причем одна ветвь V-образной тепловой трубы установлена в одном секторе, а другая в соседнем, во второй группе тепловые трубы выполнены в форме дуги и установлены в каждом секторе или между ветвями двух V-образных тепловых труб - дугообразные тепловые трубы - со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению 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 переходника, в который входит часть корпуса тепловой трубы длиной δ<<π·ρ/2 соответствующего сектора, причем на участках соприкосновения корпусов V-образных тепловых труб с дугообразными тепловыми трубами или периферийными дугообразными тепловыми трубами, а также на участках сочленения периферийных дугообразных тепловых труб с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи. (Вариант 2).
Суть изобретения поясняется рисунками на фиг.1-19.
На фиг.1, 2 и 3 приведены виды фронтальный, сверху и слева, соответственно, первого варианта конструкции космического приемника-преобразователя лазерного излучения с теплопроводящим шарообразным переходником. Невидимые части - радиальные прямолинейные тепловые трубы, дугообразные тепловые трубы и периферийные дугообразные тепловые трубы показаны на фиг.1, 2 и 3 при помощи штриховых линий.
На фиг.4, 5 и 6 приведены виды фронтальный, сверху и слева, соответственно, второго варианта конструкции космического приемника-преобразователя лазерного излучения. Невидимые части - V-образные тепловые трубы, дугообразные тепловые трубы и периферийные дугообразные тепловые трубы показаны на фиг.4, 5 и 6 при помощи штриховых линий.
На фиг.7 приведен фронтальный вид, а на фиг.8 вид с боку одной из круговых панелей (первый вариант исполнения приемника-преобразователя), разбитой на четыре сектора с шарообразным и крестообразными переходниками, причем невидимые части - радиальные прямолинейные тепловые трубы, дугообразные тепловые трубы и периферийные дугообразные тепловые трубы показаны при помощи штриховых линий.
На фиг.9, в виде выносного элемента, показано сочленение периферийных дугообразных тепловых труб из двух соседних секторов круговой панели с крестообразным переходником, а на фиг.10 показано сечение по средней линии тепловой трубы, где в качестве секущей применена цилиндрическая поверхность, развертываемая затем в плоскость.
На фиг.11 показан местный разрез шарообразного переходника, где приведено сочленение его с радиальными прямолинейными тепловыми трубами одного из секторов круговой панели, при этом не показана в этом секторе обкладка и сотовая конструкция.
C
На фиг.12 приведен фронтальный вид, а на фиг.13 вид сбоку одной из круговых панелей (второй вариант исполнения приемника-преобразователя), разбитой на четыре сектора с крестообразными переходниками, где невидимые части - V-образные тепловые трубы, дугообразные тепловые трубы и периферийные дугообразные тепловые трубы показаны при помощи штриховых линий. А на фиг.14 на выносном элементе показан фрагмент V-образной тепловой трубы с вершиной, по средней линии, совпадающей с центром круговой панели, с радиусом округления при вершине r и углом раскрытия ветвей, по средней линии, α.
На фиг.15 приведено сечение тепловой трубы (для примера приведена двухканальная тепловая труба), установленной внутри сотовой конструкции сектора круговой панели.
На фиг.16 на выносном элементе приведен фрагмент расположения фотоэлементов с внутренним фотоэффектом на обкладке сектора круговой панели.
На фиг.17 приведен общий вид крестообразного переходника, а на фиг.18 и фиг.19 приведены два его сечения.
На фиг.1-19 приведено:
1, 2, 3 - круговые панели;
4 - шарообразный переходник;
5 - радиальная прямолинейная тепловая труба (РПТТ);
6 - дугообразная тепловая труба (ДТТ);
7 - периферийная дугообразная тепловая труба (ПДТТ);
8 - V-образная тепловая труба (V-образная ТТ);
9 - крестообразный переходник;
10 - сектора;
11 - межэлементное соединение;
12 - обкладки;
13 - сотовый заполнитель;
14 - тепловые тубы (ТТ);
15 - теплопроводный слой;
16 - электроизолирующий слой;
17 - фотоэлемент с внутренним фотоэффектом (ФЭ с внутренним фотоэффектом);
18 - полупроводниковая структура;
19 - лицевой контакт;
20 - тыльный контакт;
21 - защитное покрытие.
TT
TT
TT
TT
TT
Ш
Д
Ш
TT
Д
TT
П
П
Д
TT
П
П
Космический приемник-преобразователь лазерного излучения, в первом варианте исполнения конструкции приемника-преобразователя (фиг.1-3), выполнен следующим образом. Приемник-преобразователь выполнен так, что дополнительно к круговой панели 1 введены две перпендикулярные круговые панели 2 и 3 взаимно перпендикулярные с круговой панелью 1, причем точка пересечения круговых панелей 1, 2 и 3 совпадает с их геометрическими центрами. Все круговые панели 1, 2 и 3 выполнены радиусом R и толщиной h<<R (фиг.7, 8, 15). В результате пересечения круговых панелей 1, 2 и 3 каждая круговая панель делится на 4-е сектора 10, где каждый сектор 10 круговой панели выполнен в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью. Сектор 10 состоит из двух обкладок 12 с сотовым заполнителем 13 между ними (фиг.15). На внешней поверхности каждой обкладки 12 через электроизолирующий слой 16 (фиг.16) установлены фотоэлементы с внутренним фотоэффектом 17, на основе полупроводниковой структуры 18 с лицевыми контактами 19 и тыльными контактами 20, коммутируемые в последовательно-параллельные цепи с помощью межэлементных соединений 11. С лицевой стороны на фотоэлементы с внутренним фотоэффектом нанесено защитное покрытие 21. Тыльные контакты 20 (фиг.16), непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой 16 с обкладкой 12, охлаждаются тепловыми трубами 14, например двухканальными тепловыми трубами (фиг.15), установленными внутри сотовой конструкции секторов 10 круговых панелей 1, 2 и 3. Тепловые трубы 14 (фиг.1-3, 7, 11) подразделяются на две группы: радиальные прямолинейные тепловые трубы 5 и дугообразные - ДТТ 6 и ПДТТ 7. РПТТ 5, ДТТ 6 и ПДТТ 7 взаимно перпендикулярны в точках соприкосновения (фиг.1-3, фиг.7). Сечение корпуса каждой тепловой трубы 14 (фиг.15) выполнено прямоугольным со сторонами a и b, где a≤b. Боковые грани корпуса тепловой трубы 14 со сторонами b через теплопроводный слой 15 соединены с внутренними поверхностями обкладок 12 сектора 10 круговых панелей 1, 2 и 3. Корпус РПТТ 5 (фиг.7, 11) с одного конца установлен в соответствующий радиальный канал, выполненный в теплопроводящем шарообразном переходнике 4. Шарообразный переходник 4 выполнен радиусом r<<R и установлен так, что его геометрический центр совпадает с точкой пересечения трех круговых панелей 1, 2 и 3. ДТТ 6, как видно из фиг.7, расположены между РПТТ 5 и выполнены в форме дуги 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. ПДТТ 7 установлена на периферии сектора 10, со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению ρ<ρ<(R-b/2) и образованным отрезком нормали между средней линией ПДТТ 7 и геометрическим центром круговой панели 1, 2 или 3. ПДТТ 7, установленная в каждом секторе, с двух концов конструктивно объединена с ПДТТ 7, с тем же средним радиусом кривизны ρ дуги, установленными в соседних, примыкающих к каждому сектору 10, трех секторов 10 через теплопроводящие крестообразные переходники 9 (фиг.7, 9, 10, 17-19). Внутри каждого луча крестообразного переходника 9 выполнен канал (фиг.9, 10, 17-19), в который входит часть корпуса ПДТТ 7, длиной δ<<π·ρ/2, соответствующего сектора 10. Причем на участках соприкосновения корпусов РПТТ 5 с ДТТ 6 или ПДТТ 7, а также на участках сочленения РПТТ 5 с шарообразным переходником 4 и ПДТТ 7 с крестообразными переходниками 9, через теплопроводный слой 15 выполнены тепловые связи (фиг.9-11).
C
Д
TT
Д
TT
Космический приемник-преобразователь лазерного излучения, во втором варианте исполнения конструкции приемника-преобразователя (фиг.4-6 и фиг.12-14), выполнен следующим образом. Второй вариант отличается от первого тем, что тыльные контакты 20, непосредственно контактирующие через электроизолирующий слой 16 с обкладкой 12 (фиг.15, фиг.16), охлаждаются двумя группами тепловых труб 14: V-образными ТТ 8, как показано на фиг.12 и фиг.14, и дугообразными (ДТТ 6 и ПДТТ 7), как в первом варианте. V-образные ТТ 8 выполнены с вершиной совпадающей с точкой пересечения трех круговых панелей 1, 2 и 3 и радиусом скругления при вершине r<<R и с углом раскрытия ветвей α, отвечающим соотношению 0°<α<90°. Одна ветвь каждой V-образной ТТ 8 установлена в одном секторе 10, а другая ветвь в соседнем примыкающем к нему секторе 10. ДТТ 6 выполнены со средним радиусом кривизны ρ дуги, отвечающим соотношению b<ρ<(R-b) и образованным отрезком нормали между средней линией ТТ и геометрическим центром круговой панели 1, 2 или 3. При этом ДТТ 6 установлены между ветвями двух V-образных ТТ 8, как видно из фиг.12. ПДТТ 7 в каждом секторе 10 выполнены также как в первом варианте исполнения приемника-преобразователя (фиг.9, фиг.10, фиг.12). На участках соприкосновения корпусов V-образных ТТ 8 с ДТТ 6 или ПДТТ 7, а также на участках сочленения ПДТТ 7 с крестообразными переходниками 9, через теплопроводный слой 15, выполнены тепловые связи (фиг.10, 12).
Космический приемник-преобразователь лазерного излучения в первом варианте исполнения работает следующим образом. Направляют ось лазерного пучка (на рисунке не показан), практически с любого направления, в точку пересечения круговых панелей 1, 2 и 3 приемника-преобразователя (фиг.1-3), установленного на космическом аппарате (на рисунке не показан) на некотором расстоянии от него. Причем в общем случае ось лазерного пучка падающего на приемник-преобразователь составляет с нормалью каждой круговой панели 1, 2 и 3 разные углы. Монохроматическое электромагнитное излучение лазера падает на приемные плоскости взаимно перпендикулярных круговых панелей 1, 2 и 3 приемника-преобразователя (фиг.1-3) После чего монохроматическое электромагнитное излучение лазера проходит через прозрачное защитное покрытие 21 в фотоактивную область полупроводниковой структуры 18 фотоэлементов с внутренним фотоэффектом 17 (фиг.16). В фотоэлементах с внутренним фотоэффектом 17 происходит прямое преобразование энергии электромагнитного излучения лазера, основанное на фотовольтаическом эффекте, в фотоэлектрический ток, который снимается с помощью лицевого контакта 19 и тыльного контакта 20. Межэлементные соединения 11 обеспечивают электрические соединения отдельных фотоэлементов с внутренним фотоэффектом 17 в параллельные и последовательные цепи для получения требуемого рабочего напряжения приемника-преобразователя. Не преобразованная в приемнике-преобразователе энергия лазерного излучения, в виде теплового излучения с лицевой поверхности фотоэлементов с внутренним фотоэффектом 17, уходит в космическое пространство; одновременно с этим процессом идет также процесс теплообмена в конструктивных элементах приемника-преобразователя. Не преобразованная энергия, по причине неполного использования падающего на фотоэлементы с внутренним фотоэффектом 17 потока электромагнитного излучения лазера в полупроводниковой структуре 18 для создания фото-ЭДС и фототока через p - n-переход, в виде тепловой энергии через тыльный контакт 20 и электроизолирующий слой 16 поступает на внешнюю поверхность обкладки 12 сектора 10. Далее эта тепловая энергия распределяется по каждому сектору 10 круговых панелей 1, 2 и 3, благодаря выполнению секторов 10 с сотовым заполнителем 13 из материалов с высокой теплопроводностью, а также благодаря установленным в сотовой конструкции секторов 10 тепловым трубам 14, которые контактируют с обкладками 12 через теплопроводный слой 15. РПТТ 5, ДТТ 6 и ПДТТ 7 с высокой эффективностью транспортируют теплоту, по градиенту температуры, в радиальном и окружном направлениях обеспечивая изотермичность обкладок 12 в каждом секторе 10. Одновременно с этим процессом происходит взаимная передача теплоты между отдельными секторами 10 круговых панелей 1, 2 и 3, осуществляемая РПТТ 5 рассеивающими в радиальном направлении, при минимальных температурных перепадах на большую поверхность обкладок 12 каждого сектора 10, теплоту сконцентрированную в весьма малом объеме теплопроводящего шарообразного переходника 4 или наоборот. Одновременно осуществляется передача теплоты между четырьмя соседними секторами 10 круговых панелей 1, 2 и 3 периферийными дугообразными тепловыми трубами 7 через, стыкуемые с двух концов каждой ПДТТ 7, теплопроводящие крестообразные переходники 9. Таким образом, обеспечивается изотермичность поверхностей радиационного теплоотвода с круговых панелей 1, 2 и 3 и равные температурные условия работы фотоэлементов с внутренним фотоэффектом 17 космического приемника-преобразователя.
Космический приемник-преобразователь лазерного излучения, во втором варианте исполнения конструкции приемника-преобразователя, работает следующим образом. Второй вариант отличается от первого только тем, что транспортировка теплоты в радиальном направлении в каждом секторе 10 выполняется V-образными ТТ 8. V-образные ТТ 8, ДТТ 6 и ПДТТ 7 с высокой эффективностью транспортируют теплоту, по градиенту температуры, в радиальном и окружном направлениях обеспечивая изотермичность обкладок 12 в каждом секторе 10 с сотовым заполнителем 13. Одновременно с этим процессом происходит взаимная передача теплоты между двумя соседними секторами 10 круговых панелей 1, 2 и 3, осуществляемая V-образными ТТ 8 собирающими рассеянную на большой поверхности обкладок 12 каждого сектора 10 теплоту и при минимальных температурных перепадах перераспределяющая ее в объем одного сектора 10 из второго сектора 10 или наоборот. Одновременно происходит передача теплоты между четырьмя соседними секторами 10 панелей 1, 2 и 3, аналогично первому варианту конструкции приемника-преобразователя, ПДТТ 7 через стыкуемые, с двух концов каждой ПДТТ 7, теплопроводящие крестообразные переходники 9. Таким образом обеспечивается тепловая связь между секторами 10 трех круговых панелей 1, 2 и 3 приводящая к изотермичности поверхностей радиационного теплоотвода с круговых панелей 1, 2 и 3 и равным температурным условиям работы фотоэлементов с внутренним фотоэффектом 17 космического приемника-преобразователя.
Приведем расчетный пример проектирования космического приемника-преобразователя лазерного излучения для первого варианта исполнения приемника-преобразователя.
3
2
0
0
0
0
Для данного примера примем круговой пучок, т.е. пространственное распределение мощности лазерного пучка имеет круговую симметрию. Ось лазерного пучка направлена в точку пересечения круговых панелей приемника-преобразователя. Примем, что лазерный пучок падает непрерывно со средней плотностью мощности Е=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 (P/P), снимаемой с приемника-преобразователя, от направления оси лазерного пучка, падающего на приемник-преобразователь, аналогичной зависимости P/P для солнечной батареи шарообразной формы, как наиболее близкой по геометрии, и приведенной в /2, с.79/, где P/P=0,9-1,0. Здесь Р - максимальная выходная электрическая мощность снимаемая с приемника-преобразователя. Используя для Р уравнение из /2, с.73/, запишем в общем виде для выходной мощности приемника-преобразователя соотношение
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mi>E</mi><mo>⋅</mo><mi>η</mi><mo>⋅</mo><mi>F</mi><mo>⋅</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mn>3</mn></munderover><mrow><mo stretchy="false">[</mo><msub><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>S</mi><mi>П</mi></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mi>cos</mi><msub><mi>Г</mi><mi>i</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo><mo>,</mo><mtext>                                                    (1)</mtext></mrow>
2
где Е - средняя плотность мощности лазерного пучка падающего на приемник-преобразователь, Вт/м;
η - КПД преобразования приемника-преобразователя, отн. ед.;
F - суммарный фактор, учитывающий особенности приемника-преобразователя и возможную деградацию ее параметров;
i - номер круговой панели;
П
i
(S) - площадь приемной плоскости i-ой круговой панели, на которую падает лазерный пучок, м;
i
Г - угол между осью пучка лазера и нормалью к плоскости i-ой круговой панели.
П
П
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.
III
V
II
VI
0
0
П
Базовым материалом для производства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом /4, с.138/ являются полупроводниковые структуры на основе соединений элементов III и V (A B) II и VI групп (A B) или на основе полупроводников IV группы периодической системы элементов. Для расчетного примера в качестве фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, покрывающих через электроизолирующий слой обкладки секторов круговых панелей, используем тонкопленочные однопереходные ФЭП на основе Al-GaAs/GaAs /12/, 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 /1/. На поверхность полупроводниковой структуры со стороны тыльного контакта нанесено зеркальное отражающее покрытие, что позволит снизить потери в фотоэлементе с внутренним фотоэффектом /6, с.101/. По этой же причине предлагают /7/ полупроводниковую структуру фотоэлемента с внутренним фотоэффектом выполнять со встроенными брэгговскими зеркалами. На внешней поверхности секторов каждой круговой панели через электроизолирующий слой устанавливаем фотоэлементы с внутренним фотоэффектом, 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 приемник-преобразователь от солнечного излучения, в первом приближении примем F=0,9. Считаем, что максимум снимаемой с приемника-преобразователя выходной электрической мощности (Р) соответствует направлению оси лазерного пучка перпендикулярно одной из круговых панелей. Примем величину максимальной выходной мощности P=3400 Вт. Решая уравнение (1) относительно S получаем площадь приемной плоскости, в данном случае она совпадает с площадью круговой панели (S), с одной ее стороны,
П
0
3·
2
S=S=Р/(Е·cosГ·η·F)=3400/(5·10cos0·0,5·0,9)=1,5 м.
0,5
0,5
2
2
2
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mo>∑</mo><mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><mn>6</mn><mo>⋅</mo><mi>S</mi><mo>=</mo><mn>6</mn><mo>⋅</mo><mn>1,5</mn><mo>=</mo><mn>9,0</mn><mtext> </mtext><msup><mi>м</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle></mrow>
ЭФ
Откуда определим размеры приемника-преобразователя, т.е. величину радиуса круговых панелей R=(S/π)=(1,5/π)=0,69 м. Зная габариты приемника-преобразователя, выполненного из трех взаимно перпендикулярных круговых панелей, где каждая панель с двух сторон покрыта тонкопленочными ФЭ с внутренним фотоэффектом на базе GaAs, оценим суммарную площадь покрытую фотоэлементами с внутренним фотоэффектом
и эффективную поверхность радиационного излучения приемника-преобразователя S=4·π·R=4·π·0,69=6,0 м.
-2
-2
-2
-2
-2
TT
TT
TT
Ш
Ш
Ш
TT
Д
TT
Д
П
Д
П
TT
П
П
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. Примем, что в каждый сектор круговой панели вмонтированы две РПТТ, 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 a=1,25·10 м и b=2,6·10 м, и контактирующие стороной b с обкладками сектора через клеевой теплопроводный слой. Корпус РПТТ с одного конца устанавливаем в соответствующий радиальный канал, выполненный в теплопроводящем шарообразном переходнике. Шарообразный переходник выполняем из высокотеплопроводных сплавов на основе алюминия. Радиус шарообразного переходника примем r=9·10 м, что соответствует условию r<<R. Для ДТТ, установленных между РПТТ, средний радиус кривизны дуги, в соответствии с соотношением (r+b)<ρ<(R-b), примем ρ=0,5 м, а для ПДТТ примем средний радиус кривизны дуги ρ=0,65 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=0,65 м, 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. На участках соприкосновения корпусов РПТТ с ДТТ или с ПДТТ, а также на участках сочленения РПТТ с шарообразным переходником и ПДТТ с крестообразными переходниками, выполнены тепловые связи, например через клеящие теплопроводящие слои. Причем РПТТ с ДТТ и ПДТТ устанавливаем в сотовой конструкции взаимно перпендикулярно в точках соприкосновения. 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. Для принятой максимальной выходной электрической мощности ро=3400 Вт, оценим Q из выражения
2
3
2
0
Q=E·π·R-P=5·10·π·0,69-3400=4078 Вт.
Считаем, что со стороны лицевого контакта на фотоэлементы с внутренним фотоэффектом нанесено защитное покрытие на основе стеклянных пластин /8/ с коэффициентом теплового излучения, в диапазоне длин волн более 5 мкм, ε=0,95 /9, с.170/ и с антиотражающим покрытием, выполненным например из ZnS /10/. Далее оценим среднюю температуру круговых панелей приемника-преобразователя Т, определив таким образом температурные условия работы фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, используя закон теплового излучения Стефана-Больцмана, из выражения
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>ε</mi><mo>⋅</mo><mi>σ</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>T</mi><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><msub><mi>S</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mtext>                                                                                 (2)</mtext></mrow>
-8
2·
4
где σ - постоянная Стефана-Больцмана, σ=5,67·10 Вт/(мК).
эф
0,25
-8·
0,25
Из (2) Т=[Q/(ε·σ·S)]=[4078/(0,95·5,67·106,0)]=335 К.
0
0
В случае относительной выходной мощности Р/Р=0,9, т.е. минимальной выходной электрической мощности Р=0,9·Р=0,9·3400=3060 Вт снимаемой с приемника-преобразователя, тепловая мощность
2
3
2
Q=E·π·R-P==5·10·π·0,69-3060=4418 Вт.
Откуда из (2) определяем максимальную среднюю температуру круговых панелей, при которой работают фотоэлементы с внутренним фотоэффектом
эф
0,25
-8
0,25
Т=[Q/(ε·σ·S)]=[4418/(0,95·5,67·10·6,0)]=342 К.
Приведем расчетный пример проектирования космического приемника-преобразователя лазерного излучения для второго варианта исполнения приемника-преобразователя.
C
C
C
Д
Д
TT
Д
TT
П
Д
П
TT
Второй вариант проектирования отличается от первого только тем, что транспортировка теплоты в радиальном направлении в каждом секторе выполняется V-образными ТТ, с углом раскрытия ветвей α, который принимаем α=45°, что отвечает требуемому соотношению 0°<α<90°, причем одна ветвь V-образной ТТ установлена в одном секторе, а другая в соседнем. Радиус скругления r по средней линии V-образной ТТ, как видно из рисунка выносного элемента на фиг.14, принимаем r=0,025 м, что соответствует требуемому соотношению r<<R. Для ДТТ, установленных в каждом секторе между ветвями двух соседних V-образных ТТ, примем средний радиус кривизны ρ дуги равным ρ=0,5 м, что отвечает соотношению b<ρ<(R-b), а для ПДТТ примем средний радиус кривизны дуги ρ=0,65 м, что отвечает требуемому соотношению ρ<ρ<(R-b/2). Рассматриваемая система обеспечения теплового режима состоит из 12 секторов трех круговых панелей сотовой конструкции и включает сеть из 36 тепловых труб по 12 тепловых труб в каждой круговой панели. Все тепловые трубы связаны между собой в единую тепловую систему, что позволяет перераспределять тепловую энергию (Q), одновременно излучаемую в окружающее космическое пространство, обеспечивая необходимую изотермичность приемника-преобразователя. Дальнейшие выкладки аналогичны первому варианту.
В предложенной конструкции приемника-преобразователя преобразование в полупроводниковых структурах ФЭП происходит в равных температурных условиях, что особенно важно при передаче энергии лазером, где характерен широкий диапазон возможных плотностей лазерного излучения и неравномерное распределение лазерного излучения по приемной плоскости приемника-преобразователя /11, с.42-45/, что может привести к местным перегревам фотоэлементов с внутренним фотоэффектом и существенному снижению КПД /12, с.49/. Предлагаемая конструкция позволяет таким образом поднять мощность лазерного излучения падающего на приемник-преобразователь и как следствие увеличить снимаемую выходную электрическую мощность, поскольку снимается ограничение на местный перегрев фотоэлементов с внутренним фотоэффектом.
TT
-2
С целью повышения надежности и ресурса работы приемника-преобразователя предложено выполнять сектора круговых панелей в виде сотовой конструкции из материала с высокой теплопроводностью. Это позволяет передавать часть тепловой энергии, непреобразованной в фотоэлементах с внутренним фотоэффектом электромагнитной энергии лазера и идущей на нагрев конструкции, к противоположной поверхности круговой панели с последующим излучением ее в космос. Таким образом, поверхности круговых панелей, на которые не падает лазерный пучок, используют как радиаторы. Надежность и технологичность сотовых конструкций подтверждены широким использованием предприятиями космической отрасли при конструировании систем терморегулирования автоматических космических аппаратов для эксплуатации на околоземных орбитах с приборными контейнерами /13, 14, 15/. Кроме того, предложено охлаждать тыльные контакты фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, непосредственно контактирующих через электроизолирующий слой с обкладкой сектора круговой панели, тепловыми трубами, что гораздо эффективнее, чем передача тепла теплопроводностью /16, с.9/. Тепловые трубы, например аммиачные тепловые трубы с Ω-образной канавчатой капиллярной структурой фитиля с повышенной тепловой проводимостью из алюминиевого сплава АД31 с высотой профиля а=1,25·10 м, разработаны и апробированы, например, НПО им. С.А. Лавочкина /17/. Установка различных по конфигурации групп тепловых труб (радиальные, V-образные и дугообразные), связанных между собой теплопроводящими переходниками, позволяет осуществить конструктивную и тепловую увязку секторов всех круговых панелей приемника-преобразователя в единую тепловую сеть. Предложенная сеть тепловых труб, установленных внутри сотовой конструкции круговых панелей, позволяет работать все конструктивные элементы приемника-преобразователя в равных температурных условиях, что снижает теплонапряжения в конструкции, повышает надежность и ресурс работы.
2
2
В предлагаемой конфигурации приемника-преобразователя, по сравнению с прототипом, увеличивается эффективная площадь теплосброса в космическое пространство не преобразованной энергии лазера. Так, для прототипа эта площадь равна π·R, а в предлагаемой конструкции приемника-преобразователя эту площадь можно считать равной 4·π·R.
С целью расширения функциональных возможностей приемника-преобразователя, за счет обеспечения его всенаправленности, предложено его выполнить из трех взаимно перпендикулярных круговых панелей с двухсторонней установкой фотоэлементов с внутренним фотоэффектом на каждой круговой панели, увеличив таким. образом суммарную площадь приемной плоскости, по сравнению с прототипом, в шесть раз. А в сочетании с выполнением круговых панелей в виде сотовой конструкции с тепловыми трубами позволило создать изотермичную конструкцию всенаправленного космического приемника-преобразователя лазерного излучения. В данной конфигурации лазерный пучок на приемник-преобразователь можно направлять практически с любого направления, что практически снимает зависимость выходной мощности приемника-преобразователя от угла падения на него лазерного пучка. Кроме того, облегчается поиск, слежение и наведение лазера, что представляет для разработчиков в области управления достаточно сложную задачу.
Таким образом, предлагаемый космический приемник-преобразователь лазерного излучения позволяет:
1) повысить мощность и эффективность приемника-преобразователя, благодаря исключению местного перегрева фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, за счет:
- возможности поднять допустимую мощность лазерного излучения на приемник-преобразователя;
- повышения КПД преобразования.
2) повысить надежность и ресурс за счет:
- конструктивной и тепловой увязки всех сотовых круговых панелей приемника-преобразователя в единую тепловую сеть;
- снижения теплонапряжения в конструкции при обеспечении равных температурных условий работы всех конструктивных элементов приемника-преобразователя;
- совмещения функции конструкции силовой и тепловой, т.е. использовать в прочностной схеме в основном внутренние силовые элементы для обеспечения жесткости, прочности, геометрической стабильности.
3) расширить функциональные возможности за счет:
- создания конфигурации всенаправленного космического приемника-преобразователя лазерного излучения, с возможностью направлять лазерный пучок на приемник-преобразователь практически с любого направления и практически снять зависимость выходной мощности приемника-преобразователя от угла падения на него лазерного пучка.
ЛИТЕРАТУРА
1. В.И. Кишко, В.Ф. Матюхин. Принципы построения адаптивных ретрансляторов для стратосферных систем передачи энергии // Автометрия. 2012. Т.48, №2. с.59-66.
2. Г. Раушенбах. Справочник по проектированию солнечных батарей. М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. 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.
4. В.С. Авдуевский, Г.Р. Успенский. Космическая индустрия. Москва. Машиностроение, 1989 г.
5. Космическая система для производства материалов в космосе. Заявка на изобретение №2011130316/11, от 20.07.2011, МПК: B64G 1/00. Дата публикации заявки: 27.01.2013.
6. В.А. Грилихес, П.П. Орлов, Л.Б. Попов. Солнечная энергия и космические полеты. М.: Наука, 1984.
7. В.М. Андреев. Гетероструктурные солнечные элементы. Физика и техника полупроводников, 1999, том 33, вып.9, с.1035-1038.
8. 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.
9. Л.А. Новицкий, Б.М. Степанов. Оптические свойства материалов при низких температурах. Справочник. Москва, Машиностроение, 1980.
10. 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.
11. Дж. Реди. Промышленные применения лазеров Москва: Издательство «Мир», 1981.
12. В.М. Андреев, В.А. Грилихес, В.Д. Румянцев. Фотоэлектрическое преобразование концентрированного солнечного излучения. Ленинград. «Наука», 1989.
13. Патент RU 2092398 C1. Космический аппарат блочно-модульного исполнения, 10.10.1997.
14. Патент RU 2268207 C2. Способ терморегулирования космического аппарата и устройство для его осуществления, 20.01.2006.
15. Патент RU 2286290 C1. Способ изготовления трехслойной панели, 27.10.2006.
16. Тепловые трубы для систем термостабилизации. Под редакцией И.Г. Шекриладзе. Москва. Энергоатомиздат, 1991.
17. А.Л. Луке, А.Г. Матвеев. Анализ основных расчетных и экспериментальных теплофизических характеристик аммиачных тепловых труб повышенной тепловой проводимости из алюминиевых сплавов // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. - №3 (62). - 2008, с.331-356.