Зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата Российский патент 2018 года по МПК H01Q1/42 B64B1/08 B64D43/00 

Изобретение относится как к антенной технике, так и к аэростатическим летательным аппаратам, т.к. рассматриваются различные варианты применения покрытия оболочки аэростатического летательного аппарата в качестве зеркала (рефлектора) антенны и конструкций ее элементов. Устройство может быть использовано в качестве элемента системы защиты жизненно важных объектов, в радиоприемных и радиолокационных системах. Наиболее эффективно эта антенна может быть использована на аэростатическом летательном аппарате.

Известны аэростаты, применяемые в качестве элементов конструкций зданий и сооружений, например, как покрытие (крыша) (1 - Логвинов В. Аэростатическая архитектура - будущее где-то рядом? // Архитектурный вестник, 2010. - №4 (115). - С. 100-105.). Целью применения аэростатического летательного аппарата в качестве элемента конструкции является снижение нагрузки на опоры сооружения или безопорное покрытие пространств больших размеров. В частности, в [1] описано устройство для покрытия стадиона в виде тента из синтетической прозрачной ткани, который поднимался вверх несколькими «баллонами -аэростатами» шаровидной формы, наполненными газом легче воздуха, например гелием. Кроме того, в [1] описано устройство «аэростат в форме тора» применяемое в качестве вспомогательного элемента в пневматическом покрытии. Описанные в [1] устройства, основанные на применении аэростатов в качестве элементов конструкции зданий и сооружений, обеспечивают снижение нагрузки на их несущие элементы, однако, не обеспечивают возможности решения задач по приему и излучению радиосигналов направленной антенной ОВЧ, УВЧ и СВЧ-диапазонов частот, конструктивно связанной с аэростатическим летательным аппаратом, поднятым над поверхностью земли на значительное расстояние для увеличения дальности прямой видимости.

Известна аэростатная антенна (2 - патент РФ №2320058, МПК H01Q 1/36, H01Q 1/12. Аэростатная антенна, ФГУП «Центральное конструкторское бюро «Геофизика». Готовко В.И., Дегтерев А.С., Евстигнеев В.А., Мезенов В.И., Победин Л.Ф., Хрущев В.М., Юнаков А.А. Опубл. 20.03.2008, бюл. №8) для приема и излучения электромагнитных колебаний в линиях связи на сверхдлинных, длинных и средних волнах (СДВ, ДВ, СВ).

Аэростатная антенна содержит аэростат, кабель-трос и изолятор, через который они соединены между собой, дополнительную емкостную нагрузку зонтичного типа, конструктивно выполненную в виде трех и более электрических проводников, каждый из которых верхним концом прикреплен к точке присоединения кабеля-троса к изолятору, а нижним - через дополнительный изолятор соединен с растяжкой, заякоренной к земле. При этом антенна снабжена также электрическим противовесом в виде трех и более электрических проводников, соединенных одним концом между собой, расположенных на поверхности земли и радиально расходящихся от точки соединения, причем данная точка соединения проводников противовеса является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса является другим электродом этого вывода, которым антенна подключается к радиопередающему устройству. Зонтичная емкостная нагрузка обеспечивает формирование излучаемого электромагнитного поля, аналогичного полю, создаваемому стационарной мачтовой антенной с нижней запиткой и с емкостной нагрузкой. При этом проводники емкостной нагрузки и прикрепленные к ним растяжки (заякоренные к земле) дополнительно с нескольких направлений стабилизируют аэростат, что обеспечивает более устойчивое положение кабеля-троса, приближающегося в идеале к положению подводящего кабеля-троса в стационарных мачтовых антеннах. Оснащение аэростатной антенны зонтичной емкостной нагрузкой и наземным электрическим противовесом уменьшает требуемую для СДВ, ДВ и СВ-диапазонов высоту подъема кабеля-троса и аэростата (не выше 300 м) при сохранении мощности излучения и дальности связи такой же, как для антенны без этих дополнительных элементов, но поднимаемую на высоту не менее 1000 м. Наиболее эффективно такая антенна может быть использована в радиопередающих нестационарных комплексах с изменяемой дислокацией (мобильных перебазируемых радиопередающих комплексах). Технический результат заключается в уменьшении высоты подъема кабеля-троса при сохранении мощности излучения и дальности связи радиолиний на сверхдлинных, длинных и средних волнах с использованием аэростатных антенн.

Известна сверхдлинноволновая антенна (3 - патент США 3171128 А, МПК H01Q 1/12, H01Q 1/27, H01Q 1/34. Emergency antenna having balloon means to erect antenna automatically in response to impact or immersion, Owen M Shattuck. Опубл. 23.02.1965), разворачиваемая с использованием аэростата, содержащая аэростат и кабель-трос. При этом кабель-трос прикреплен к аэростату через изолятор.

Недостатком этой антенны является сложность в изготовлении и сравнительно небольшая излучаемая мощность.

Антенны, описанные в [2] и [3], имеют ряд общих недостатков: низкий коэффициент направленного действия; слабая устойчивость к ветровым нагрузкам; непрогнозируемое изменение текущей высоты антенны вследствие ее наклонов под действием ветра и, соответственно, изменение излучаемой мощности в направлении пункта приема; высокая зависимость их применения от погодных условий и негативных факторов атмосферы на больших высотах (повышается вероятность обледенения аэростата и верхней части кабеля-троса); сравнительно большое время, требующееся на разворачивание и сворачивание антенн, что ограничивает их применение в мобильных и перебазируемых радиопередающих комплексах. Они не применимы в радио и радиотехнических системах, в которых требуются направленные антенны ОВЧ, УВЧ и СВЧ-диапазонов частот.

Известна так же многолучевая зеркальная сканирующая антенна (4 - патент РФ №2528136, МПК H01Q 25/00. Многолучевая зеркальная сканирующая антенна, ФГУП «РНИИРС». Емельянов Р.В., Строцев А.А., Гончаров А.Ф. Опубл. 10.09.2014, бюл. №25), содержащая зеркало, выполненное в форме радиопрозрачной сферы, внутренняя поверхность которой покрыта реверсивным материалом, облучатели, расположенные в фокальной сфере, а также источник управляющих сигналов. Два облучателя выполнены в форме окружностей, расположенных вертикально в фокальной сфере под углом 90° относительно друг другу, а сканирование в вертикальной области осуществляется от устройства управления, которое может быть реализовано на базе персональной электронно-вычислительной машины, через источник управляющих сигналов с привязкой по времени, при этом привязка по времени обеспечивает определение направления излучения по каждой точке сканирования в вертикальной плоскости.

Недостатками данного изобретения являются ограниченность угловых размеров сектора сканирования из-за формы зеркал и их стационарного положения, а также большой вес конструкции, из-за которого антенна не может применяться на аэростатических летательных аппаратах.

Известна антенная система (5 - патент РФ №2571621, МПК H01Q 19/00. Антенная система, ФГУП «РНИИРС». Косогор А.А., Емельянов Р.В., Строцев А.А., Гончаров А.Ф. Опубл. 27.10.2015, бюл. №35), содержащая внешний радиопрозрачный защитный кожух, закрепляемый растяжками, зеркало антенны с облучателем, малошумящим усилителем и преобразователем частоты и второй радиопрозрачный защитный кожух, расположенный внутри внешнего радиопрозрачного защитного кожуха, устройство наведения на объект излучений, выполненное в виде постоянного магнита, закрепленного на внутренней поверхности внутреннего радиопрозрачного защитного кожуха, и электромагнита и облучателя с малошумящим усилителем и преобразователем частоты, расположенных на общей радиопрозрачной платформе, перемещаемой во всех направлениях по внешней поверхности внешнего радиопрозрачного защитного кожуха, при этом внешний и внутренний радиопрозрачные защитные кожухи выполнены в виде сфер из радиопрозрачного материала, разделенных смазкой.

Недостатком антенной системы является невозможность применения на аэростатическом летательном аппарате из-за конструктивных особенностей, массогабаритных характеристик.

Известна антенная система с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха (6 - патент РФ №2514134, МПК H01Q 1/42, H01Q 15/14. Антенная система с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха, ФГУП «РНИИРС». Емельянов Р.В., Гончаров А.Ф. Опубл. 27.04.2014, бюл. №12), которая была принята за прототип, содержащая зеркало, малошумящий усилитель с преобразователем частоты, устройство наведения на объект излучений и защитный радиопрозрачный кожух, соответствующий конфигурации для зеркала антенны и установленный на вращающейся по кругу платформе, при этом половина или часть кожуха металлизирована и представляет собой зеркало антенны, а малошумящий усилитель с преобразователем частоты установлен на кронштейне, обеспечивающем его перемещение в горизонтальной и вертикальной плоскости, для ослабления ветровых нагрузок защитный кожух укрепляется растяжками, а также дополнительно введен компрессор с регулируемым температурным режимом для поддержания внутри кожуха соответствующего температурного режима.

Недостатком данной антенной системы - прототипа является невозможность применения на аэростатическом летательном аппарате из-за конструктивной и технологической сложности исполнения, применения большого количества деталей, массогабаритных характеристик, что, в свою очередь, ведет к его низкой энерговооруженности.

Под энерговооруженностью аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной, понимают - отношение его подъемной силы к полной массе полезной нагрузки:

где F_ПА - подъемная сила аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной;

М_П - полная масса полезной нагрузки;

m_Возд - масса воздуха окружающей среды, вытесненная оболочкой аэростатического летательного аппарата;

m_Не - масса гелия, находящегося в оболочке аэростатического летательного аппарата;

g - ускорение силы тяжести;

ρ_Возд - плотность воздуха;

V - объем оболочки аэростатического летательного аппарата;

ρ_Не - плотность гелия;

m_а - масса зеркальной антенны;

m_ПН - масса полезной нагрузки.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение энерговооруженности аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной.

Для решения указанной задачи предлагается зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата, содержащая радиопрозрачный защитный кожух, соответствующий конфигурации для зеркала антенны, приемное устройство, включающее в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты, устройство наведения на объект излучения, при этом часть кожуха металлизирована и представляет собой зеркало антенны.

Согласно изобретению возможны следующие варианты исполнения зеркальной антенны аэростатического летательного аппарата:

- радиопрозрачный защитный кожух и объемные элементы устройства наведения на объект излучения закреплены на аэростатическом летательном аппарате, выполнены герметичными и заполнены газом, имеющим более низкий удельный вес, чем воздух;

- устройство наведения на объект излучения включает хотя бы одну из двух подсистем: подсистему перемещения приемного устройства относительно радиопрозрачного защитного кожуха и подсистему перемещения радиопрозрачного защитного кожуха относительно аэростатического летательного аппарата;

- радиопрозрачный защитный кожух и объемные элементы устройства наведения на объект излучения для поддержания подъемной силы подключены к соответствующим элементам аэростатического летательного аппарата;

- радиопрозрачный защитный кожух выполнен в виде двух оболочек: внутренней и внешней с частичной металлизацией внутренней оболочки;

- радиопрозрачный защитный кожух выполнен в виде двух оболочек: внутренней и внешней с частичной металлизацией внутренней и внешней оболочек;

- зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата включает дополнительное приемное устройство, включающее в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты и систему наведения на объект излучения для его перемещения относительно одной из двух оболочек с частичной металлизацией.

Техническим результатом является повышение энерговооруженности аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной.

Такое построение зеркальной антенны аэростатического летательного аппарата в доступной литературе не обнаружено, поэтому она соответствует новизне и изобретательскому уровню.

На фиг. 1 изображена схема построения предлагаемого изобретения.

На фиг. 2 показан прием сигналов от условных объектов излучения, расположенных на поверхности земли, удаленных друг от друга на расстоянии.

На фиг. 3 изображен схематический вид в разрезе аэростатического летательного аппарата.

На фиг. 4 схематически изображены две подсистемы, «А» и «Б».

На фиг. 5 схематически изображено подключение элементов зеркальной антенны к подсистеме поддержания подъемной силы.

На фиг. 6 схематически изображен конструктив радиопрозрачного защитного кожуха, в случае с частичной металлизацией внутренней оболочки.

На фиг. 7 схематически изображен конструктив радиопрозрачного защитного кожуха, в случае с частичной металлизацией поверхности обеих оболочек.

На фиг. 8 показана система облучателей зеркальной антенны аэростатического летательного аппарата.

На схеме построения предлагаемого изобретения (фиг. 1) показаны основные элементы конструкции:

- аэростатический летательный аппарат;

- внутренняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией;

- внешняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха;

- кронштейн, представляющий собой объемные элементы устройства наведения на объект излучения;

- приемное устройство, включающее в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты.

Зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата работает следующим образом. На фигуре 2 изображены: аэростатический летательный аппарат 1, внутренняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2, внешняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха 3, кронштейн 4, приемное устройство 5, перемещение которого осуществляется при помощи кронштейна 4, приемное устройство 5¹, переместившееся по кронштейну 4, объект излучения I, объект излучения II. Полость аэростатического летательного аппарата 1, а также внутренняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2 и внешняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха 3 заполнены газом, например гелием.

После подъема аэростатического летательного аппарата 1 на заданную высоту внутренняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2, соответствующая конфигурации зеркала антенны, наводится по азимуту и углу места на интересующий объект излучения I, принимаемый сигнал внутренней оболочкой радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2 фокусируется на приемном устройстве 5, фокусировка которого осуществляется перемещением кронштейна 4 внутри внутренней оболочки радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2 в горизонтальной и вертикальной плоскости. Установкой приемного устройства 5 в фокусе внутренней оболочки радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2 достигается по максимуму сигнала на выходе приемника. При работе по сигналу объекта излучений с большим углом места, объект излучения - II, фокусировка приемного устройства 5 осуществляется перемещением кронштейна 4 внутри внутренней оболочки радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией 2 в горизонтальной и вертикальной плоскости, в положение приемного устройства 5¹.

Внешняя оболочка радиопрозрачного защитного кожуха 3 может быть выполнена из любого радиопрозрачного материала, например пластика, не препятствующего проникновению радиоволн, или радиопрозрачного, эластичного, растягивающегося, воздухонепроницаемого материала для надувных конструкций.

Приведенные варианты исполнения зеркальной антенны аэростатического летательного аппарата работают аналогичным образом.

На фиг. 3 изображен схематический вид аэростатического летательного аппарата в разрезе, полость которого заполнена гелием, элементы зеркальной антенны закреплены на нем, являются частью общей конструкции.

На фиг. 4 показаны подсистема А перемещения приемного устройства и подсистема Б перемещения радиопрозрачного защитного кожуха зеркальной антенны, причем подсистема А позволяет перемещать приемное устройство относительно радиопрозрачного защитного кожуха, а подсистема Б позволяет перемещать радиопрозрачный защитный кожух относительно аэростатического летательного аппарата.

На фиг. 5 схематически изображено подключение зеркальной антенны и ее компонентов к соответствующим элементам В аэростатического летательного аппарата 1 для поддержания подъемной силы.

На фиг. 6 схематически изображен конструктив радиопрозрачного защитного кожуха, состоящий из двух оболочек: 3 - внешней, без металлизации поверхности и 2 - внутренней, имеющей частичную металлизацию.

На фиг. 7 схематически изображен конструктив радиопрозрачного защитного кожуха, состоящий из двух оболочек: 3 - внешней и 2 - внутренней, при этом обе оболочки имеют частичную металлизацию поверхности.

На фиг. 8 показано дополнительное приемное устройство Г и система наведения на объект излучения Д для его перемещения.

Оценим достижение задачи изобретения - повышение энерговооруженности аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной. Для этого сравним по этому показателю устройство-прототип с установленной на нем зеркальной антенной и заявленное устройство.

Энерговооруженность прототипа в соответствии с (1)-(5) определяется по выражению:

где F_0ПА - подъемная сила аэростатического летательного аппарата, в случае установки прототипа зеркальной антенны с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха;

М_0П - полная масса полезной нагрузки аэростатического летательного аппарата, в случае установки прототипа зеркальной антенны с частичной металлизацией радиопрозрачного защитного кожуха,

где ρ_Возд - плотность воздуха;

V₀ - объем оболочки аэростатического летательного аппарата, прототипа с установленной на нем зеркальной антенной;

ρ_Не - плотность гелия, заполняющего оболочку аэростатического летательного аппарата;

g - ускорение свободного падения,

m_0a - масса антенны, взятой за прототип;

m_ПН - масса полезной нагрузки прототипа,

где m_за - масса зеркала антенны;

m_обл - масса облучателя с малошумящим усилителем и преобразователем частоты;

m_ун - масса устройства наведения на объект излучения;

m_пл - масса вращающейся по кругу платформы;

m_рас - масса растяжек;

m_комп - масса компрессора;

m_возд - масса воздуха, заполняющего оболочку антенны.

Рассчитаем энерговооруженность аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной, соответствующего предложенному изобретению:

где F_1ПА - подъемная сила аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной, соответствующего предложенному изобретению;

М_1П - полная масса полезной нагрузки аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной, соответствующего предложенному изобретению,

где V₁ - объем оболочки аэростатического летательного аппарата; прототипа с установленной на нем зеркальной антенной, соответствующего предложенному изобретению;

m_1а - масса зеркальной антенны;

m_Не - масса гелия, заполняющего оболочку антенны.

В данном случае объем оболочки аэростатического летательного аппарата V₁ представляет собой сумму объемов аэростатического летательного аппарата и зеркальной антенны, соответствующей предложенному изобретению.

Исходя из вышеизложенного, подъемная сила аэростатического летательного аппарата (11), оснащенного зеркальной антенной, соответствующего предложенному изобретению, имеет вид:

Таким образом, относительное увеличение энерговооруженности заявленного устройства можно определить по выражению вида:

Параметры для расчета относительного увеличения энерговооруженности заявленного устройства приведены в таблице:

Подставив в выражение (16) значения, взятые из таблицы, можно посчитать относительное увеличение энерговооруженности заявленного устройства:

,

т.е. энерговооруженность заявленного устройства увеличилась почти на 40% по сравнению с энерговооруженностью прототипа.

Изобретение относится как к антенной технике, так и к аэростатическим летательным аппаратам, т.к. рассматриваются различные варианты применения покрытия оболочки аэростатического летательного аппарата в качестве зеркала (рефлектора) антенны и конструкций ее элементов. Устройство может быть использовано в качестве элемента системы защиты жизненно важных объектов, в радиоприемных и радиолокационных системах. Наиболее эффективно эта антенна может быть использована на аэростатическом летательном аппарате. Техническим результатом является повышение энерговооруженности аэростатического летательного аппарата, оснащенного зеркальной антенной. Предложена зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата, состоящая из внутренней оболочки радиопрозрачного защитного кожуха с частичной металлизацией, соответствующей конфигурации для зеркала антенны, внешней оболочки радиопрозрачного защитного кожуха, приемного устройства, включающего в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты, и устройства наведения на объект излучения. 5 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Зеркальная антенна аэростатического летательного аппарата, содержащая радиопрозрачный защитный кожух, соответствующий конфигурации для зеркала антенны, приемное устройство, включающее в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты, устройство наведения на объект излучения, при этом часть кожуха металлизирована и представляет собой зеркало антенны, отличающаяся тем, что радиопрозрачный защитный кожух и объемные элементы устройства наведения на объект излучения закреплены на аэростатическом летательном аппарате, выполнены герметичными и заполнены газом, имеющим более низкий удельный вес, чем воздух.

2. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что устройство наведения на объект излучения включает хотя бы одну из двух подсистем - подсистему перемещения приемного устройства относительно радиопрозрачного защитного кожуха и подсистему перемещения радиопрозрачного защитного кожуха относительно аэростатического летательного аппарата.

3. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный защитный кожух и объемные элементы устройства наведения на объект излучения для поддержания подъемной силы подключены к соответствующим элементам аэростатического летательного аппарата.

4. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный защитный кожух выполнен в виде двух оболочек - внутренней и внешней, с частичной металлизацией внутренней оболочки.

5. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что радиопрозрачный защитный кожух выполнен в виде двух оболочек - внутренней и внешней, с частичной металлизацией внутренней и внешней оболочек.

6. Зеркальная антенна по п. 1, отличающаяся тем, что включает дополнительное приемное устройство, включающее в себя облучатель с малошумящим усилителем и преобразователем частоты, и систему наведения на объект излучения для его перемещения относительно одной из двух оболочек с частичной металлизацией.