Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Передающие системы

СКЭС, преобразующие солнечную энергию в СВЧизлу чение, предполагается использовать главным образом для передачи энергии на Землю, а в этом случае их рентабельная мощность будет составлять сотни и тысячи мегаватт. В то же время мощность отдельных приборов, которые рассматриваются как перспективные генераторы СВЧ колебаний для СКЭС, имеет порядок от единиц ватт до десятков киловатт. При этом, если в системе преобразования солнечной энергии применяются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи, наиболее целесообразным может оказаться использование в системе передачи энергии полупроводниковых СВЧприборов с уровнем мощности единицы—десятки ватт.

Таким образом, на СКЭС должно быть порядка 104—109 генераторов СВЧизлучения. При таком количестве приборов обеспечение эффективной передачи энергии от СКЭС становится весьма сложной проблемой, которая может быть успешно решена лишь при использовании фазированных антенных решеток (ФАР), объединяющих множество приборов в единую систему. ФАР позволяют осуществлять сложение мощностей излучения отдельных приборов в пространстве и одновременно путем управления фазой их излучения производить сканирование диаграммы направленности с целью точного наведения энерге тического луча на приемную систему.

Для получения высокого КПД передающей системы необходимо минимизировать потери энергии в излучающих элементах антенной решетки, обеспечить оптимальное распределение плотности излучаемой мощности по ее поверхности и точное управление фазой множества СВЧ приборов.

Джоулевы потери в волноводах, связывающих СВЧприборы с излучающими элементами ФАР, и в самих излучателях, как правило, невелики и составляют 1—2 % от генерируемой приборами мощности излучения. Такой же порядок величины имеют потери, связанные с неточностями взаимного расположения отдельных элементов решетки, их перекосами, зазорами между ними и т. п.

От распределения плотности мощности или амплитуды поля излучения по поверхности ФАР зависят вид ее диаграммы направленности и уровень излучаемой мощности в боковых лепестках. Исследования показали, что для обеспечения высокой эффективности передачи энергии распределение должно быть неравномерным, с максимумом в центре антенной решетки [94, 99].

Выбор оптимального закона распределения представляет собой достаточно сложную задачу, при решении которой; приходится учитывать ряд ограничений. Так, в частности, допустимая рабочая температура антенной решетки и СВЧприборов не должна превышать определенного предельного значения, зависящего от типа исполь^ зуемых приборов и их рабочих параметров. Жесткие ограничения налагаются на предельно допустимую плотность излучения на оси луча, чтобы исключить его взаимодействие с ионосферой, а в его периферийной зоне у поверхности Земли плотность не должна быть выше безопасной по санитарным нормам.

В настоящее время считают, что "среднегодовая предельная плотность излучения на оси луча при его прохождении через ионосферу не должна превышать 200— 250 Вт/м®, хотя в течение года предельно допустимое значение плотности может изменяться от 100 до 530 Вт/м2 [44].

На краю пучка у Земли плотность не^должна превышать 10 Вт/м2, что ниже допустимого в США уровня (100 Вт/м2), но превышает советский стандарт (0.1 Вт/м2).

Найденные с учетом зтих ограничений кривые оптимального распределения плотности излучаемой мощности хорошо аппроксимируются функциями Гаусса или Бесселя. На рис. 3.5 схематически изображены диаграммы направленности ФАР для. случаев равномерного и оптимального распределения, а на рис. 3.6 показано, как изменяется плотность излучения у поверхности Земли при различных законах ее распределения на антенне. Представленные графики иллюстрируют важность оптимизации амплитудного распределения излучаемой мощности.

Не менее существенным является фазовый контроль излучения, т. е. обеспечение синфазной работы сотен тысяч и миллионов СВЧприборов и управление их фазой с целью обеспечения высокой когерентности луча, его минимальной расходимости и точного наведения на Приемную систему. Важной функцией системы фазового контроля является также обеспечение безопасности эксплуатации СКЭС за счет возможности оперативной расфазировки излучающих элементов и рассеяния излучения в космическом пространстве при различных нештатных ситуациях.

Следует отметить, что для достижения высокой эффективности передачи энергии к точностям амплитуднофазового распределения на антенне и ориентации луча на приемную систему предъявляются весьма жесткие требования.

Как же предполагается осуществлять распределение амплитуды и управление фазой излучения ФАР в различных проектах СКЭС?

В большинстве проектов антенна представляет собой плоскую круговую ферменную конструкцию с щелевыми волноводами, на которых размещаются СВЧгенераторы. Вся антенная решетка (рис. 3.7) честно подрешеток, состоящих в свою очередь из определенного числа энергомодулей. Каждый энергомодуль представляет собой часть подрешетки, конструктивно объединенную с одним или несколькими СВЧприборами. Количество энергомодулей в подрешетках изменяется в соответствии с заданным законом распределения плотности излучаемой мощности по радиусу антенны. Это означает, что размещение излучающих элементов на поверхности решетки является неравномерным или незкви дистантным.

Так, например, в одном из вариантов СКЭС, передающая система которой рассчитана на применение в качестве генераторов СВЧколебаний клистронов с единичной мощностью 70 кВт, антенная решетка диаметром около 1 км состоит из 7220 подрешеток размером 10.4 X Х10.4 м [94]. Для создания на ФАР усеченного гауссова распределения плотности мощности со спадом 10 дБ из подрешеток образовано 10 кольцевых поясов, а число модулей в подрешетках каждого пояса изменяется от 36 до 4 в соответствии с их расстоянием от центра антенны. Каждый модуль содержит один клистрон (рис. 3.8). Общее число модулей, а следовательно, и клистронов в данной ФАР составляет приблизительно 101 000.

В другом проекте, где для генерации СВЧколебаний предполагается использовать магнетроны мощностью 5 кВт, размеры подрешеток составляют 4.2 X 4.2 м (либо 8.4X8.4 м), а размеры энергомодулей, содержащих по 4 магнетрона, изменяются от 69x69 см в центре антенны до 104 Х208 см на краю. Это обеспечивает такое же, как в предыдущем случае, изменение плотности мощности по радиусу антенной решетки. Общее число энергомодулей в такой ФАР около 1 400 000. Типичный центральный энергомодуль ФАР с магнетронами изображен на рис. 3.9.

При использовании в ФАР такой же конструкции полупроводниковых СВЧприборов подрешетка размером 10.4 Х10.4 м должна состоять из 324 базовых панелей, содержащих по 64 твердотельных комбинированных энергомодуля, в которых объединены СВЧгенераторы и излучающие элементы. Таким образом, общее число энергомодулей в одной подрешегке составит 20 736. Для того чтобы обеспечить гауссово распределение плотности мощности со спадом 10 дБ в десятиступенчатой антенной решетке, используется пять типов энергомодулей, отличающихся количеством и мощностью полевых транзисторов, которые применяются в качестве генераторов СВЧколе баний.

Поскольку допустимая рабочая температура полупроводниковых СВЧприборов значительно ниже, чем у электровакуумных, предельная плотность излучаемой мощности в центре ФАР с твердотельными энергомодулями не должна превышать 5.5—6.0 кВт/м2, в то время как, например, в ФАР на основе клистронов она составляет 22 кВт/м2. Снижение максимальной, а следовательно, и средней по площади антенны плотности излучения приводит к увеличению размеров ФАР и возрастанию числа полупроводниковых приборов: их общее число в этом случае достигает десятков и сотен миллионов штук (в зависимости от мощности отдельных приборов).

Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции — Л.: Наука, 1986. — 182 с.

Экспертиза

на главную