СИСТЕМА ДОСТАВКИ ЭНЕРГИИ НА КОСМИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ Российский патент 2014 года по МПК H02J17/00 

Изобретение относится к технике генерации узконаправленных пучков электромагнитного излучения, распространяющихся на большие расстояния с мощностью в несколько мегаватт с целью доставки энергии на космические объекты в непрерывном режиме.

Известны системы доставки энергии с одного космического аппарата (КА) на другой в случае их близкого расположения в космическом пространстве. Пример такой системы описан в патенте RU 2411163 [1] в следующем тексте: «Одна или более электростанций, размещенных на рабочих орбитах в зоне прямой видимости данного космического аппарата (КА), определяют местоположение КА, включают системы слежения за движением КА, а затем передают электромагнитную энергию на бортовой приемник этого космического аппарата. Передача может осуществляться в диапазоне от лазерного до микроволнового радиоизлучения или в виде пучков электронов высоких энергий...».

Нерешенной проблемой, которая в данном патенте совсем не рассматривалась, является проблема доставки энергии с Земли на тот космический аппарат, с которого предполагается передача энергии на другие КА, являющиеся ее потребителями. Неоднократно предпринимались попытки решения проблемы доставки энергии на КА с поверхности Земли, но эти попытки не имели успеха. Например, для доставки энергии на космические объекты от генерирующих установок, размещенных на поверхности Земли, рассматривались технические системы, которые используют транспортирующие потоки электромагнитного излучения различных длин волн. Опираясь на существующий уровень техники, данную задачу пытались решить, либо используя излучение в оптической области спектра (длина волны около 1 мкм) (D. Schneider, "Wireless power at a distance is still far away [Electrons Unplugged]", Spectrum, IEEE, vol.47, no.5, pp.34-39, May 2010) [2], (Sahai, A., Graham, D., "Optical wireless power transmission at long wavelengths", Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2011 International Conference on, p.p.164-170, 11-13 May 2011) [3], либо путем генерации СВЧ-излучения с длиной волны в дециметровом и сантиметровом диапазонах (James О. McSpadden, John С.Mankins. "Space Solar Power Programs and Microwave Wireless Power Transmission Technology", IEEE microwave magazine, p.p.46-57 (December 2002)) [4], (Naoki Shinohara. "Power without Wires", IEEE microwave magazine, Vol.12, No. 7, p.p.564-573 (2011)) [5].

Однако в том и другом случаях решение указанной задачи встретило практически непреодолимые трудности. С одной стороны, коротковолновое излучение в оптической и инфракрасной областях спектра оказалось мало применимым для передачи энергии в силу того, что такое излучение генерируется лазерными системами, имеющими низкий КПД [2, 3]. С другой стороны, хотя КПД перевода электрической энергии в электромагнитные волны СВЧ-диапазона вполне приемлем, но излучение и прием в этом диапазоне требуют использования антенны, поперечный размер которой имеет величину в несколько километров [4, 5]. Кроме того, имеется и общее препятствие для использования электромагнитного излучения в обоих указанных диапазонах длин волн, а именно сильное затухание и рассеяние излучения при распространении в нижних слоях атмосферы Земли, расположенных на высоте менее 11 километров.

Задачей изобретения является создание системы доставки энергии в непрерывном режиме с мегаваттной мощностью на движущиеся космические объекты, расположенные над Землей на высотах 100-800 км.

Технический результат заявляемой системы состоит в расширении возможностей энергообеспечения космических объектов.

1. Поставленная задача решена за счет того, что в заявляемой системе, включающей расположенные на носителе источник электромагнитного излучения и антенну слежения и фокусировки на объекте генерируемого источником излучения, согласно изобретению источником служит генератор, генерирующий миллиметровое электромагнитное излучение мегаваттной мощности, в качестве антенны использована быстро перестраиваемая адаптивная излучающая антенна с системой управления, обеспечивающей непрерывную фокусировку потока электромагнитного излучения на космическом объекте, причем генератор и антенна размещены на носителе, способном поднять генератор, антенну с системой управления и средства обеспечения энергопитания на высоты выше границы флуктуации атмосферы.

Технический результат обеспечивается совокупностью заявляемых признаков:

1. Доставку энергии на космический объект осуществляет пучок электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн, что позволяет использовать излучающие и приемные антенны приемлемых размеров (поперечный размер в несколько десятков метров).

2. Генерацию необходимого миллиметрового излучения мегаваттной мощности может осуществлять серийно производимый гиротрон, который в окрестности частот 140 и 170 ГГц имеет КПД более 50% при непрерывном режиме работы.

3. Непрерывное попадание узконаправленного пучка миллиметрового излучения на заданный космический объект гарантирует использование быстро перестраиваемой излучающей антенны с необходимой геометрией.

Для доставки энергии на космический объект, который расположен на высотах до 800 км и может менять свое угловое положение, двигаясь с большой скоростью в зависимости от орбиты, используется узконаправленный пучок 2-миллиметрового излучения. Чтобы обеспечить малую угловую расходимость пучка 2-миллиметрового излучения и необходимое направление его излучения с целью концентрации потока энергии на данном космическом объекте, используется быстро перестраиваемая адаптивная излучающая антенна. Диаметр антенны выбирается, исходя из расстояния до космического объекта и поперечного размера области, на которую направляется поток электромагнитной энергии. Для минимизации потерь энергии от дифракционной расходимости пучка при максимальной удаленности объекта выбираем симметричное расположение излучателя и приемника относительно точки фокусировки пучка на его оси симметрии в направлении распространения. В этом случае размер антенны излучателя связан с максимальной величиной расстояния (Z_max) до принимающего энергию объекта следующим выражением:

$$Z_{\max }\le \frac{S}{\lambda },$$

где λ - длина волны, S - эффективная площадь излучающей антенны. Отсюда эффективный радиус излучающей антенны (R) определяется из выражения

$$R\ge \sqrt{\frac{Z_{\max }\times \lambda }{\pi }}.$$

В рассматриваемом случае это выражение дает значение радиуса R=23 метра для расстояния Z_max=800 км. При расстоянии до объекта Z_max=400 км радиус излучающей антенны может быть уменьшен до R=16 метров.

4. Подъем выше границы флуктуации атмосферы (выше 10 км над поверхностью Земли) составляющих заявляемой системы, предотвращающий потери энергии электромагнитного излучения в атмосфере Земли, может осуществлять самолет-носитель, высота подъема которого ограничена потолком 12 км (Ил-96-400Т или Ил-76ТФ), а грузоподъемность которого позволяет разместить на его борту гиротрон с необходимой инфраструктурой и энергопитанием, адаптивную излучающую антенну и электронную систему управления всего этого комплекса.

Описание системы доставки энергии на космический объект поясняется фиг.1 и 2.

На фиг.1 показана схема доставки энергии на космический объект с помощью узконаправленного пучка миллиметрового излучения:

1 - генератор электромагнитного излучения;

2 - адаптивная излучающая антенна, обеспечивающая следование пучка электромагнитного излучения за положением перемещающегося объекта в космическом пространстве;

3 - пучок мегаваттного электромагнитного миллиметрового излучения, обеспечивающий транспортировку энергии;

4 - перемещающийся объект в космическом пространстве, на который необходимо доставить энергию,

5 - самолет, который является носителем всего технического комплекса на высотах свыше 10 км.

Система доставки энергии на космический объект (фиг.1) работает следующим образом.

Для доставки энергии в виде мегаваттного потока электромагнитного миллиметрового излучения от генератора (1) на космический объект (4), который может менять свое угловое положение, двигаясь с большой скоростью, в зависимости от орбиты, используется узконаправленный пучок этого излучения (3), формируемый и направляемый быстро перестраиваемой адаптивной излучающей антенной (2), обеспечивающей малую угловую расходимость пучка.

Для пояснения работы заявляемой системы доставки энергии на основе технического мегаваттного комплекса, размещенного на борту самолета-носителя, приведена фиг.2, на которой показана структура технического мегаваттного комплекса, размещенного на борту самолета.

На фиг.2: 1 - генератор миллиметрового излучения с мегаваттной мощностью, 2 -адаптивная излучающая антенна, 5 - фюзеляж самолета, который является носителем излучающего комплекса, 6 - блок высоковольтного питания генератора, 7 - электрогенератор, 8 - газовая турбина, 9 - блок управления гиротроном, 10 - блок управления антенной для нацеливания пучка на космический объект, 11 - квазиоптический волноводный тракт для передачи 2-х мм излучения от генератора к антенне.

Технический мегаваттный комплекс работает следующим образом: Мегаваттное миллиметровое излучение от генератора (1), размещенного внутри фюзеляжа самолета (5), подводится по квазиоптическому волноводу (11) к адаптивной излучающей антенне (2), формирующей пучок миллиметрового излучения. Антенна (2) закреплена на внешней стороне фюзеляжа (5) самолета-носителя. Быструю перестройку антенны для нацеливания пучка на космический объект обеспечивает система управления антенной (10).

Для обеспечения высоковольтного питания генератора миллиметрового излучения (1) внутри фюзеляжа размещен блок высоковольтного питания (6), электропитание которого поступает от электрогенератора (7). Привод электрогенератора мощностью более 2-х мегаватт осуществляется с помощью газотурбинной установки (8). Для управления всем комплексом оборудования, производящим выработку электроэнергии и генерацию миллиметрового излучения, используется блок управления (9) генератором.

Использование: в области электротехники для доставки энергии на космические объекты в непрерывном режиме. Технический результат - расширение возможностей энергообеспечения космических объектов. Система включает расположенные на носителе источник электромагнитного излучения и антенну слежения и фокусировки на объекте генерируемого источником излучения, при этом источником служит генератор, генерирующий 2-3-миллиметровое электромагнитное излучение мегаваттной (0,5-1 МВт) мощности, в качестве антенны использована быстро перестраиваемая адаптивная излучающая антенна с системой управления, формирующая узконаправленный пучок электромагнитного излучения с гауссовым распределением плотности мощности и обеспечивающая непрерывную фокусировку этого пучка на космическом объекте, с угловой скоростью перемещения не менее 0,01 рад/сек, причем генератор и антенна размещены на носителе, способном поднять генератор, антенну с системой управления и средства обеспечения энергопитания на высоты выше границы флуктуации атмосферы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система доставки энергии на космический объект, включающая расположенные на носителе источник электромагнитного излучения и антенну слежения и фокусировки на объекте генерируемого источником излучения, отличающаяся тем, что источником служит генератор, генерирующий 2-3-миллиметровое электромагнитное излучение мегаваттной (0,5-1 МВт) мощности, в качестве антенны использована быстро перестраиваемая адаптивная излучающая антенна, с системой управления, формирующая узконаправленный пучок электромагнитного излучения с гауссовым распределением плотности мощности и обеспечивающая непрерывную фокусировку этого пучка на космическом объекте, с угловой скоростью перемещения не менее 0,01 рад/сек, причем генератор и антенна размещены на носителе, способном поднять генератор, антенну с системой управления и средства обеспечения энергопитания на высоты выше границы флуктуации атмосферы.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что носителем служит самолет, способный поднять генератор, с необходимой инфраструктурой и энергопитанием, адаптивную излучающую антенну и электронную систему управления всего комплекса на высоты выше 10 км.