СПОСОБ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ Российский патент 2008 года по МПК H02J17/00 H02M7/00 F03H1/00 H01L31/00 

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной энергии в электрическую энергию постоянного тока, предназначенную для обеспечения воздухоплавания аппаратов типа вертолетов, самолетов, зондов и др., действующих при приложении к аппаратам профилированного электрического поля и используемых при наблюдении за состоянием термодинамики атмосферы, обнаружении чрезвычайных ситуаций, катастроф, стихийных бедствий и других природных и техногенных аномалий.

Известны способы энергообеспечения электродинамических летательных аппаратов, заключающиеся в том, что движение аппарату создают за счет электрического напряжения, подаваемого на электроды летательного аппарата, один из которых выполнен в виде прямолинейного тонкого стержня, другой - в виде системы, состоящей из отдельных элементов, соединенных между собой электрически, и источник питания (эффект Брауна) [патент США №3187206, НКИ 310-5 (копия аналога прилагается].

Эти весьма перспективные способы энергосберегающие, однако без энергетической подпитки их эксплуатационная возможность ограничена, а следовательно, время пребывания их в пространстве также ограничено.

Известны способы энергообеспечения летательных аппаратов, заключающиеся в посылке сверхвысокочастотной энергии, восприятии сверхвысокочастотной энергии, посылаемой с наземного источника, преобразовании этой энергии в энергию постоянного тока [СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА. Под ред. Э.ОКРЕСС. Том 1. Генерирование. Передача, Выпрямление. Под ред. Э.Д.Шлифера. Изд. «Мир». М., 1971 // Передача пучков электромагнитных волн в свободном пространстве. Губо, Шверинг. С.331-387 (аналог прилагается)].

Коэффициент передачи сверхвысокочастотной энергии даже с помощью параболических антенн диаметром до 30,5 м составляет не более 18% при расстоянии передачи 22 м. Поэтому использование такого канала дорого и нерентабельно.

Наиболее рентабельным к заявляемому изобретению является система энергообеспечения летательных электродинамических аппаратов, содержащая наземный источник сверхвысокочастотной энергии и передающую антенну, формирующую энергию в узкий пучок, приемную антенну на летательном аппарате, преобразователь сверхвысокочастотной энергии в энергию постоянного тока [СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА. Под ред. Э.ОКРЕССА. Том 3. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике. Под ред. Э.Д.Шлифера. Изд. «Мир» М., 1971. Питание аэрокосмических летательных аппаратов энергией СВЧ. Браун. С.77-88 (прототип представлен)].

Недостатком способа является необходимость создания приемной антенны на летательном аппарате большой площади для продления эксплуатационного ресурса в воздухе, однако большая площадь приемной антенны создает большое ветряное давление на аппарат, а для стабилизации его положения в воздухе необходима дополнительная энергия. Кроме того, приемная антенна должна быть сфокусирована в сторону излучающей антенны.

Сущность способа энергообеспечения летательных электродинамических аппаратов заключается в том, что излучают с внешнего источника сверхвысокочастотную энергию, принимают эту энергию на борт летательного аппарата, преобразуют ее на борту в энергию постоянного тока и используют последнюю для стабилизации питания элементов управления полетом и устройств контроля режимами полета, которые размещают под диэлектрической обшивкой аппарата, вводят оболочку из алюминиевой фольги и закрепляют ее по всей внешней поверхности обшивки аппарата, а преобразователь сверхвысокочастотной энергии выполняют из материала, представляющего собой смесь двух химических полупроводниковых компонентов грануляцией не более 30...50 мкм, взятых в равных пропорциях, но с разными атомными номерами, образующих совместно дипольную полупроводниковую матрицу, при этом двухкомпонентную смесь наносят равномерно в виде покрытия на поверхность оболочки толщиной в 2...3 раза больше, чем размер гранул компонентов, причем одноименные полюса диполей матрицы объединяют между собой и подключают их к соответствующим клеммам элементов управления полетом аппарата и устройствам контроля режимом полета.

Преимуществом предложенного технического решения является простая технология энергообеспечения, позволяющая продлить нахождение аппарата в воздушном полете длительно. Непрерывность энергетического контакта передающей и принимающей антенн в независимости от ориентации аппарата в пространстве позволяет увеличить коэффициент полезного действия системы за счет развитой эффективной поверхности преобразователя, совмещающей функции приемной антенны.

На фиг.1 показана схема системы энергообеспечения летательного аппарата с наземной станции сверхвысокочастотной (СВЧ) энергией, реализующей способ; на фиг.2 - сечение обшивки аппарата фиг.1.

Схема, реализующая способ, подтверждает статику его работоспособности. Схема содержит наземный источник 1 СВЧ энергии с антенной 2 излучения СВЧ-энергии, летательный аппарат 3 с элементами управления и контроля (не показаны), питаемыми от аккумулятора и находящимися внутри конструкции аппарата 3 под диэлектрической обшивкой 4, оболочка 5 из алюминиевой фольги и преобразователь 6 СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока, предназначенную для электрического питания элементов управления и контроля полетом и другими функциями аппарата 3.

Оболочка 5 выполнена из алюминиевой фольги. Предложенный материал, с одной стороны, обладает большой электропроводностью, малым весом, а круговое расположение оболочки 5 на обшивке 4 позволяет обеспечить более полное отражение энергии от поверхности оболочки 5 в преобразователь 6. Оболочку 5 либо приклеивают к обшивке 4, либо закрепляют не ней другим способом.

Полупроводниковый преобразователь 6 выполняет функции одновременно приемной антенны и преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока.

Преобразователь 6 выполнен из полупроводниковой смеси, состоящей из двух полупроводниковых компонентов с грануляцией не более 30...50 мкм каждый. Один из компонентов имеет атомный номер больше по величине, чем атомный номер второго компонента. В качестве компонентов могут быть, например, материалы галлий (Ga³¹) с атомным номером 31 и мышьяк (As³³) с атомным номером 33 или другие пары: галлий - сурьма; кадмий - теллур и т.д. Сочетание двух полупроводниковых компонентов позволяет автоматически обеспечить дипольную выпрямительную матрицу, положительные и отрицательные полюса зарядов которой соединены с соответствующими клеммами механизма управления и контроля режимом полета аппарата 3. Эту смесь наносят в виде покрытия на поверхность оболочки 5, например, методом плазменного или газопламенного напыления толщиной примерно в 2...3 раза больше, чем размер грануляции зерен компонентов. Процесс напыления указанными методами не нарушает структуру материала оболочки 5, поскольку практика показывает, что эти методы применимы для нанесения покрытий на любые материалы, даже на бумажные подложки.

Наличие полупроводникового преобразователя 6 обеспечивает эффективное преобразование СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, а оболочка 5 из алюминиевой фольги позволяет увеличить мощность преобразования СВЧ-энергии в 1,75 раза за счет прямого прохождения СВЧ-энергии через преобразователь 6 и обратного прохождения СВЧ-энергии через преобразователь 6, отраженной от материала оболочки 5 [см. стр.386 приведенного аналога].

Указанные свойства материала оболочки 5 и преобразователя 6 вместе повышают коэффициент полезного действия системы.

Работа системы

Летательный аппарат 3 стартует с земной поверхности за счет собственных энергоресурсов, обеспечиваемых автономным источником питания, например аккумулятором. После набора заданной высоты аппаратом 3 включается система его энергообеспечения, продлевающая эксплуатационную жизнеспособность аппарата 3. С наземного источника 1 СВЧ-колебаний излучается энергия передающей антенной 2 заданных параметров. Это излучение поступает на преобразователь 6 летательного аппарата 3, являющийся одновременно преобразователем и приемной антенной СВЧ-энергии. СВЧ-энергия принимается и преобразуется в преобразователе 6 борта аппарата в электрическую энергию постоянного тока, которая обеспечивает энергоснабжение элементов управления полетом аппарата 3, а также устройств контроля за режимом полета.

Преимуществом предложенного технического решения является простая технология способа энергообеспечения, позволяющая продлить нахождение аппарата в воздушном полете длительно. Непрерывность энергетического контакта передающей и принимающей антенн в независимости от ориентации аппарата в пространстве позволяет увеличить коэффициент полезного действия системы за счет развитой эффективной поверхности преобразователя.

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной энергии в электрическую энергию постоянного тока. Способ заключается в закреплении оболочки из алюминиевой фольги по всей внешней поверхности обшивки аппарата. Преобразователь сверхвысокочастотной энергии выполняют из материала, представляющего собой смесь двух химических полупроводниковых компонентов грануляцией не более 30...50 мкм, взятых в равных пропорциях, но с разными атомными номерами, образующих совместно дипольную полупроводниковую матрицу, при этом двухкомпонентную смесь наносят равномерно в виде покрытия на поверхность оболочки, причем одноименные полюса диполей матрицы объединяют между собой и подключают их к соответствующим клеммам элементов управления полетом аппарата. Технический результат заключается в повышении коэффициента полезного действия системы. 2 ил.

Способ энергообеспечения летательных электродинамических аппаратов, заключающийся в том, что излучают с внешнего источника сверхвысокочастотную энергию, принимают эту энергию на борт летательного аппарата, преобразуют ее на борту в энергию постоянного тока и используют последнюю для стабилизации питания элементов управления полетом и устройств контроля режимами полета, которые размещают под диэлектрической обшивкой аппарата, отличающийся тем, что вводят оболочку из алюминиевой фольги и закрепляют ее по всей внешней поверхности обшивки аппарата, а преобразователь сверхвысокочастотной энергии выполняют из материала, представляющего собой смесь двух химических полупроводниковых компонентов грануляцией не более 30...50 мкм, взятых в равных пропорциях, но с разными атомными номерами, образующих совместно дипольную полупроводниковую матрицу, при этом двухкомпонентную смесь наносят равномерно в виде покрытия на поверхность оболочки толщиной в 2...3 раза больше, чем размер гранул компонентов, причем одноименные полюса диполей матрицы объединяют между собой и подключают их к соответствующим клеммам элементов управления полетом аппарата и устройствам контроля режимом полета.