Циклотронный_преобразователь_энергии_савин

Циклотронный_преобразователь_энергии_савин

Беспроводная передача энергии

Рубрика: Технические науки

Дата публикации: 30.10.2018 2018-10-30

Статья просмотрена: 1090 раз

Библиографическое описание:

Ларионов, Д. В. Беспроводная передача энергии / Д. В. Ларионов. — Текст : непосредственный, электронный // Молодой ученый. — 2018. — № 44 (230). — С. 39-41. — URL: https://moluch.ru/archive/230/53420/ (дата обращения: 17.04.2020).

12 сентября 2017 года компания Apple в рамках традиционной осенней презентации своих новинок представила всему миру собственное беспроводное зарядное устройство. Оно стало самой обсуждаемой новинкой компании того года. Однако данный гаджет не является революционным, первыми из крупных мобильных компаний начали производить смартфоны с поддержкой беспроводной зарядки Nokia и LG, еще в 2012 году. Компания Apple всего лишь подогрела интерес к данного рода устройствам, послужив катализатором массового использования беспроводных зарядных устройств.

Разработки инженеров Nokia, LG, Apple и других производителей гаджитов, связанные с беспроводной передачей энергии, являются далеко не первыми в данной области. Ведь еще более ста лет назад в 1893 году на Колумбовской всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Это вызвало взрыв исследований, целью которых было найти наилучший способ передачи электроэнергии.

С быстрым развитием радиотехники возможности осуществления беспроводной передачи энергии только увеличивались. Целью исследований являлось — генерировать электрическое поле в одном месте так, чтобы затем можно было приборами обнаружить его на расстоянии.

Но на этом исследования не останавливались, следующим этапом было снабжение энергией не только высокочувствительных датчиков, но и небольших потребителей электрической энергии. Так, в 1904 году на Всемирной выставке в Сент-Луисе был продемонстрирован успешный запуск самолетного двигателя мощностью 0,1 лошадиной силы, осуществленный на расстоянии 30 метров [1]. В дальнейшем исследования беспроводной передачи энергии не прекращались, достигая все новых успехов, однако по различным причинам они не получили массового применения.

Беспроводная передача энергии может быть реализована при помощи различных технологий, основанных на свойствах электромагнитных полей. Такие технологии, в первую очередь, характеризуются расстоянием, на которое может быть передана энергия с максимальной эффективностью. Также немаловажен тип передаваемой электромагнитной энергии.

Выделяют два основных метода передачи. Первый основан на явлении электромагнитной индукции. Основой второго метода является электромагнитное излучение, применяются СВЧ-диапазоны и мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Рассмотрим данные способы беспроводной передачи энергии более подробно.

Метод электромагнитной индукции.

Частным случаем электромагнитной индукции является взаимная индукция. Именно на взаимной индукции основан первый метод беспроводной передачи энергии. Взаимная индукция представляет собой возникновение электродвижущей силы (ЭДС) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока, созданного током первого проводника и проходящего через контур второго, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимодействие между цепями. Для увеличения плотности магнитного потока используют катушки индуктивности. Чтобы катушки эффективно взаимодействовали, необходимо их близкое расположение, так как в противном случае большая часть энергии поля тратится впустую [2].

Устройства, основанные на данном принципе, уже давно применяются в электрических сетях и даже быту. Описанное устройство представляет собой ничто иное, как трансформатор. Действительно, в трансформаторах обмотки электрически не связаны, а значит, передача энергии происходит беспроводным путем. Но, конечно же, использование трансформаторов на электростанциях и подстанциях не является наглядным применением беспроводной передачи энергии, так как обмотки находятся в общем корпусе. Но также данный способ беспроводной передачи энергии применяется для зарядки мобильных устройств, электромобилей и медицинских имплантатов. КПД таких устройств значительно ниже, чем КПД трансформатор, и составляет 40–50 %.

Метод микроволнового излучения, по сравнению с методом электромагнитной индукции, позволяет во много раз увеличить расстояние, на которое будет передана энергия. Микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 ГГц, способны проходить через земную атмосферу фактически без потерь (при неблагоприятных погодных условиях потери составляют не более 5 %) — данное явление получило название «окно прозрачности» атмосферы.

Для использования данного метода необходимы два устройства.

Первое, магнетрон — это генератор микроволнового излучения, позволяющий преобразовать электрический ток в микроволновое излучение. Второе, приемная антенна, способная преобразовывать микроволновое излучение обратно в электрический ток.

С первой задачей преобразования электрического тока в микроволны человечество справилось настолько хорошо, что сейчас магнетрон есть практически в каждой квартире, он является неотъемлемой частью микроволновых печей.

Для выполнения второй задачи — обратного преобразования микроволнового излучения в электрический ток, существует два метода, американский и советский. Они были разработаны во второй половине ХХ века. Первая антенна, разработанная в США, получила название ректенна, а вторая, разработанная в Советском Союзе, была названа циклотронный преобразователь энергии.

В 1964 году эксперт в области СВЧ-электроники Вильям Броун впервые испытал устройство, способное преобразовывать микроволны в электрический ток. Данное устройство получило название ректенна.

Ректенна состоит из полуволновых диполей, каждый из которых нагружен на высокоэффективные диоды Шоттки. Ректенны достаточно миниатюрны и имеют высокий КПД до 95 %, однако их нагрузочная способность составляет единицы ватт [1]. Поэтому для передачи больших мощностей из ректенн собирают большие приемные панели, рассчитанные на передачу определенной мощности.

Именно с именем Вильяма Броуна и его изобретением связана самая успешная беспроводная передача энергии. В 1976 году ему удалось передать СВЧ-пучком 30 кВт непрерывной мощности на расстояние 1,6 км с КПД, составляющим 82 %.

Казалось бы, после такого успешного эксперимента данная технология должна была найти широкое применение. Однако, у нее есть существенный недостаток: при небольших перегрузках полупроводниковые диполи сгорают и делают это лавинно, то есть при перегрузке на одном из полупроводников выходит из строя целая приемная панель. Ненадежность ректенн и их дороговизна стали основными факторами, которые не позволили найти применения данному методу вне лабораторных испытаний.

В 70-ых годах ХХ века в стенах МГУ, а именно на физическом факультете в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии, профессором Владимиром Александровичем Ванке и доцентом Владимиром Леонидовичем Савиным был разработан циклотронный преобразователь энергии. Данное изобретение стало советским аналогом ректенн. Циклотронный преобразователь основан на возбуждении быстрой циклотронной волны электронного потока за счет подводимой СВЧ-энергии и последующем преобразовании этой энергии в поступательную энергию движения электронов [3].

Принципиальное отличие циклотронного преобразователя энергии от ректенн в том, что в его основе лежит ламповая технология и это делает его более габаритным. Циклотронный преобразователь энергии представляет собой трубку длиной 30–40 см и диаметром сечения 10–15 см. Предложенные конструктивные особенности устройства позволяют получить КПД преобразования до 80 % при уровне подводимой СВЧ-мощности порядка 10 кВт, при этом допустимы значительные колебания уровня подводимой СВЧ-мощности [4]. Данная характеристика позволяет преобразователю легко переносить перегрузки, он не имеет проблем переизлучения и стоит на порядок дешевле американского аналога.

Читайте также:  Как_убрать_царапины_на_кожаной_обуви

С методами микроволнового излучения связаны два наиболее амбициозных проекта беспроводной передачи энергии.

Первый примечателен тем, что он был практически реализован. На острове Реюньон, это регион Франции, неподалеку от Мадагаскара, возникла потребность в передаче 10 кВт электроэнергии на расстояние 1 км для энергоснабжения поселка, находящегося в ущелье. Из-за сложного рельефа местности представлялось невозможным провести кабельную или воздушную линию электропередач.

Для решения данной задачи был собран целый конгломерат ученых из разных стран, в том числе в него вошли профессор В. А. Ванке и доцент В. Л. Савин. Проект разрабатывался в период с 1997 по 2005 годы, но когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования.

Идея второго проекта была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Е. Глэйзером. Он предложил вывести спутник, укомплектованный солнечными панелями, на геостационарную орбиту Земли, там преобразовать солнечную энергию в пучок СВЧ-волн и пустить его на Землю на приемную антенну. Тогда эта идея казалась научной фантастикой, но в настоящее время о ней вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20–25 млрд. долларов.

Основой следующего метода беспроводной передачи энергии являются мощные узконаправленные пучки видимого света (лазеры).

Луч лазера направляется на фотоэлемент приёмника, где преобразуется в электроэнергию. При данном способе передачи энергии источник и приемник должны находиться в прямой видимости. Максимальный КПД при передаче энергии лазером достигается в безвоздушном пространстве, так как атмосфера поглощает, рассеивает свет. К тому же на КПД значительное влияние оказывают неблагоприятные погодные условия.

Данной технологией активно занимается НАСА. В настоящее время передача энергии при помощи лазера нашла свое применение в беспилотных дронах, ее используют для подзарядки в воздухе при невозможности посадить дрон.

В 2009 году НАСА организовало соревнование по беспроводной передаче энергии лазерным пучком, приз за первое место в котором составлял 900 тыс. долларов. Победителем в данном соревновании стала компания LaserMotive, ее специалистам удалось передать 500 Вт на расстояние 1 км с КПД 10 % [5].

В итоге, мы имеем три способа беспроводной передачи энергии, рассмотренные в данной статье.

Первый — метод электромагнитной индукции, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния. В настоящее время данный метод нашел свое применение в быту в беспроводных зарядных устройствах для различных гаджетов. Данный метод обладает небольшой эффективностью из-за невысокого КПД.

Метод микроволнового излучения в настоящее время является одним из самых перспективных. Он обладает высоким КПД и возможностью передачи энергии на Земле, в космосе, с Земли в космос, из космоса на Землю, а также с Земли в космос и обратно на Землю. Именно при помощи метода микроволнового излучения планируется передавать энергию с солнечных космических электростанций.

Заключительный метод передачи энергии при помощи лазера является наименее эффективным, но порой необходимым для подзарядки беспилотных устройств. Однако наука не стоит на месте и, возможно, передача энергии при помощи лазера станет не менее эффективной, чем метод микроволнового излучения. И именно с их помощью будет происходить дальнейшее освоение космоса.

Но когда же все эти технологии станут для нас обыденностью? Сказать сложно. Вряд ли это произойдет в ближайшие 10–15 лет, скорее приходится надеется на вторую половину ХХI века. А пока остается довольствоваться беспроводными зарядными устройствами, основанными на методе электромагнитной индукции.

1. Статья «Передача электроэнергии без проводов — от начала до наших дней» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: https://habr.com/post/373183/

2. Статья «Взаимная индукция» [Электронный ресурс]: — Статья — Режим доступа: http://www.hydromuseum.ru/ru/encyclopedia/glossary/Vzaimnaya_indukciya/

3. Ванке В. А. Статья: «СВЧ-электроника» // Журнал, «Электроэнергетика. Наука. Технология. Бизнес». — № 5 2007 г.

4. Ванке В. А. Статья: «Электроэнергетика из космоса» // Журнал, «Радиоэлектроника» — № 12 2007 г.

В чем суть беспроводной передачи энергии?

Автор канала «qwerty» Владислав Фагурел рассказал интересные факты о беспроводной передаче энергии. 12 сентября компания Apple не только явила миру свой очередной революционный Iphone, но и наконец представила беспроводное зарядное устройство. Инновация? Не совсем. Например, ещё 1893 году на всемирной выставке, проходившей в Чикаго, Никола Тесла продемонстрировал беспроводное освещение люминесцентными лампами. Через год, уже в Нью-йорке, он смог зажечь фосфорные лампы накаливания. Еще через год в Санкт-Петербурге Александр Попов демонстрирует свой первый радиоприемник. Это ведь тоже беспроводная передача энергии. Вопрос только в том, как много и на какие расстояния посылать.

Действительно. Действительно, давайте разбираться – какие мощности употребляют электроприборы, которые нас окружают. Если говорить про телефон или планшет, то они требуют в среднем от 5 до 12 вт. Ноутбуки требуют побольше – 60-80 вт, что эквивалентно обычной лампочке накаливания. Бытовая техника требует от сотен ватт до единиц киловатт. Электромобили – десятки и сотни киловатт. Электропоезда могут съедать до десятков мегаватт. И наконец, если мы хотим отправить Марти Макфлая домой, необходимо достать 1 гигаватт электричества.

Хорошо. А какие же существуют подходы к беспроводной передаче энергии?

Исторически первый и самый простой способ – это использовать катушки индуктивности. Принцип простой. Берем две катушки. Одну подключаем к источнику питания и меняем силу тока, в результате чего меняется магнитный поток, пронизывающий вторую катушку. А по закону Фарадея, при любом способе изменения магнитного потока в контуре возникает ЭДС, разная по модулю скорости изменения этого потока. Но у этого подхода есть свои недостатки. Во-первых, с помощью него нельзя передать большие мощности. Катушки просто расплавятся. Во-вторых, они работают на очень малых расстояниях. Чтобы понимали, насколько малых, возьмите два магнита. На какое расстояние нужно отвести, чтобы поле перестало действовать?

И в третьих, у этого подхода малый кпд. Не более 40 процентов. То есть 40% для катушек, это прямо вау, а не кпд. Таким способом много передать энергии не получится. И уж тем более на большие расстояния. О чем Николо Тесла черным по белому написал еще в 1899 году. Поэтому он и начал свои эксперименты с атмосферным электричеством, которые до сих пор покрыты огромным количеством тайн и мифов. Ну не получилось. Зато с помощью катушек можно делать потрясающие светомузыкальные шоу.

Окей. А как же передать высокие энергии на большие расстояния? Когда задал вопрос школьникам, они ответили: «лазером». Да, лазер – это классная штука, которая действительно позволяет передавать высокие энергии на большие расстояния. Но есть одна проблема. На земле из-за наличия атмосферы энергия лазерного излучения быстро поглощается, рассеивается. Поэтому этот способ применим только для безвоздушного пространства. И поэтому данной технологией вплотную занимается НАСА. Кстати в 2009 году они даже устроили соревнования по передаче энергии лазером. На котором первое место и приз 900000 долларов получила компания, которая смогла передать 500 вт на расстояние 1 км с кпд 10%. То есть 90% энергии потеряны. Даже не знаем, с чем сравнить.

Читайте также:  Как_убрать_пятно_от_дождя_на_потолке

Хотя надо сказать, что ещё до создания лазеров человечество придумало другой способ передачи энергии, который реально работает. Дело в том, что если использовать микроволны с длиной волны 12 см, что соответствует частоте 2,45 гигагерц, то для нас открывается так называемое окно прозрачности атмосферы. Это значит, что микроволны с частотой, как бы не видят атмосферу. И при самых ужасных погодных условиях, которые только могут быть (град, снег, огненный торнадо), потери энергии составляют не более 5%. А теперь, внимание, вопрос! Как преобразовать электрический ток в микроволны, а после этого обратно в электрический ток? С первой задачей человечество справилось настолько круто, что практически у каждого в доме есть по магнетрону. Это генератор микроволнового излучения, который сидит в микроволновках, греет посуду и имеет кпд в 90-95 процентов. А как обратно?

И тут есть два подхода. Американский и советский. Начнем с американского. В начале шестидесятых годов доктор Уильям Браун разработал антенну, которая преобразовывала падающее на неё излучение обратно в электрический ток. Такой подход позволил ему в 1975 году передать 30 квт непрерывный мощности на расстоянии 1 км с кпд 82%. Это было настолько круто, что данный эксперимент до сих пор остается самым успешным за всю историю.

Но, несмотря на всю крутизну, подход имеет свои недостатки. Из-за того, что в его основе лежит полупроводниковая техника, они миниатюрные и имеют высокий кпд вплоть до 95%. Но, они работают с малыми мощностями. Единицы ватт. То есть, чтобы передать большие мощности, из них собирают огромные панели. Здесь начинаются проблемы. Первая заключается в том, что в системе возникают переизлучение. Из-за чего теряется часть энергии, а безопасная зона, в которой можно находиться, заметно увеличивается. Вторая проблема, что при небольших перегрузках полупроводники сгорают. И делают это лавинно. То есть, перегрузка на одном элементе может забрать с собой все остальные.

Однажды на физическом практикуме по транзисторам преподаватель задал вопрос: “Владислав, скажите, пожалуйста, а почему, в случае ядерного взрыва, из-за электромагнитного импульса американская техника вырубается, а наша продолжает работать?” -“Не знаю”. – Да потому что у нас всё до сих пор на лампах. В этом заключается советский подход к передаче энергии.

В 70-ых годах на физическом факультете МГУ в лаборатории микроволновой электроники и беспроводной передачи энергии Владимир Леонидович Савин под руководством профессора Владимира Ванке разработал циклотронный преобразователь энергии. Так как в его основе лежит ламповая технология, он не такой миниатюрный. Это трубка длиной 30-40 см и диаметром сечения 10-15 см. И КПД у него поменьше – 70-85%. Но, в отличие от полупроводниковых детекторов, циклотронный преобразователь энергии надежный и безотказный, как автомат Калашникова. Работает с мощностями в 1000 раз большими, легко переносит перегрузки, не имеет проблем переизлучения и стоят на порядок дешевле. Но, несмотря на это, в мире с большей симпатией смотрят на полупроводниковый подход. Потому что в науке тоже есть понятие моды. Когда появились первые полупроводники, многие решили, что ламповая технология, это вчерашний день. Но, как показала практика, это не так. Поэтому не забывайте дедовские методы. Иногда они самые действенные.

В итоге, у нас есть три основных способа беспроводной передачи энергии. Первый способ, тот что с катушками, позволяет передавать энергию на очень малые расстояния, этого достаточно, чтобы подзарядить телефон, планшет, и, может быть, даже ноутбук. Но это не точно. Из-за малого кпд, не сказать, что это эффективно. Но зато прикольно.

Способ с лазерами эффективно работает только в безвоздушном пространстве. Поэтому его можно использовать в космосе, но и, можно подсветить геликоптер, который занимается съемкой, и он должен находиться долгое время в воздухе. Из-за малого кпд, это очень неэффективно, но порой необходимо.

А с микроволнами можно прямо разгуляться. Потому что энергию можно передавать на Земле, в Космосе, с Земли в Космос, с Космоса на Землю, и любимый вариант – это с Земли в Космос и обратно на Землю. Такие проекты тоже были.

Расскажем про два самых классных проекта, которые были за всю историю беспроводной передачи энергии. Первый проект примечателен тем, что он почти удался. В конце девяностых – начале нулевых на острове Реюньон (это заморский регион Франции, 700 км от Мадагаскара) возникла потребность в передаче 10 квт непрерывной мощности на расстояние 1 километра. Из-за особенностей рельефа провода в таких условиях провести нереально, туда даже летают на вертолетах потому-что это самый дешевый и безопасный вариант.

И вот. Правительство Франции собрало целый конгломерат ученых из разных стран. В том числе были учёные кафедр фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ профессор Ванке и доцент Савин. В итоге, перед самым началом строительства, когда все расчеты были завершены, проект заморозили из-за отсутствия финансирования. Потом начался 2008 год, и людям было не до этого. На самом деле жалко, работа была проделана достойная. И это было бы реально круто, если бы получилось.

Второй проект примечателен тем, что, несмотря на всю свою безбашенность, он вполне реален. И более того, на него выделяются деньги. Идея была предложена еще в 1968 году американским физиком Питером Блейзером. Он сказал: ” Давайте возьмем огромный спутник, выведем его на 136000 км над Землей, это высота геостационарной орбиты Земли, там раскроем огромные солнечные панели, соберем энергию Солнца, преобразуем ее в пучок свч волн и пустим на Землю. А там примем ее и преобразуем с помощью огромных антенн”.

Для передающей тарелки на спутник диаметром 1 км нужна принимающая тарелка на земле диаметром 5 километров. Чтобы понимали, 5 км – это Садовое кольцо. Ну и это ещё не всё. После всех расчетов оказалось, что такой спутник вырабатывал бы 5 гигаватт. После передачи на землю, оставалось бы два гигаватта. Красноярская ГРЭС дает 6 гигаватт. А тут стоимость проекта один триллион долларов.

Но наука не стояла на месте. Много чего стало эффективнее и дешевле. Спустя 40 лет об вспомнили. Сейчас разработку солнечной космической электростанции ведут США, Япония и Китай. Стоимость проекта оценивается приблизительно в 20-25 млрд долларов.

Хорошо. Но когда же сможем увидеть все Звездные войны своими глазами? Сказать трудно. Кажется, что надеяться даже на середину тридцатых годов слишком оптимистично. Делаем ставку, скорее, на вторую половину этого столетия. Ну а пока довольствоваться беспроводными зарядками для смартфонов, надеяться, что удастся повысить кпд, а также давайте искать всё новые и новые решения.

Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов

Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов относится к системам поддержания функционирования летательных аппаратов с двигателями, использующими электромагнитную энергию, например к искусственным спутникам земли и беспилотным сверхмалым летательным аппаратам. Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов, содержащая, по меньшей мере одну, передающую антенну, работающую в СВЧ диапазоне частот, и, по меньшей мере, одну установленную на летательном аппарате, приемную антенну, передающую энергию без преобразования в двигатель летательного аппарата и, по меньшей мере, один двигатель, использующий для работы энергию СВЧ излучения без изменения частоты излучения. Техническим результатом предлагаемой конструкции является повышения времени активного существования летательных аппаратов.

Читайте также:  Регулировка_дверей_пакс_икеа

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.

1. Система беспроводной передачи энергии для энергопитания летательных аппаратов, содержащая, по меньшей мере, одну передающую антенну, работающую в СВЧ-диапазоне частот, и, по меньшей мере, одну установленную на летательном аппарате приемную антенну, передающую энергию без преобразования в двигатель летательного аппарата, и, по меньшей мере, один двигатель, использующий для работы энергию СВЧ-излучения без изменения частоты излучения.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что на летательном аппарате установлен также, по меньшей мере, один детектор, преобразующий модуляцию СВЧ-излучения в команды, управляющие перемещениями летательного аппарата.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что на летательном аппарате установлен, по меньшей мере, один преобразователь энергии СВЧ-излучения в постоянный ток и, по меньшей мере, один аккумулятор, накапливающий энергию постоянного тока для энергоснабжения аппаратуры летательного аппарата при недостатке энергии в пределах и вне зоны приема СВЧ-излучения.

4. Система по п.1, отличающаяся тем, что на летательном аппарате установлен, по меньшей мере, один преобразователь энергии СВЧ-излучения в постоянный ток и, по меньшей мере, один аккумулятор, накапливающий энергию постоянного тока, и, по меньшей мере, один преобразователь постоянного тока в энергию СВЧ-излучения (генератор) для энергоснабжения двигателей летательного аппарата при недостатке энергии в пределах и вне зоны приема СВЧ-излучения.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector