Партнерский проект с компанией Руспроектэксперт

Тел.: 8-495-771-14-07

Проектирование


Приемно-преобразующие системы

Энергия СВЧ-излучения, переданная от СКЭС на Землю или к космическому объекту, должна быть уловлена (принята) и преобразована в энергию требуемого вида — электрическую, механическую или тепловую. В большинстве случаев потребителям на Земле и в космосе нужна электрическая энергия, однако для приведения КА в движение необходима механическая энергия, а для осуществления некоторых технологических процессов может потребоваться тепловая.

Пути и способы преобразования СВЧизлучения в другие виды энергии могут быть весьма разнообразными, и выбор лучшего из них в каждом конкретном случае представляет собой достаточно сложную задачу.

При передаче энергии от СКЭС на Землю СВЧизлуче ние должно быть преобразовано в электрическую энергию. Наиболее эффективным в данном случае является прямое преобразование, которое теоретически может быть осуществлено без потерь, т. е. с КПД, близким к единице. Этим определяется возможность получения высоких значений КПД и в реальных системах прямого преобразования СВЧколебаний в электроэнергию.

Для преобразования энергии СВЧизлучения в электрический ток, так же как для генерации или усиления СВЧколебаний (см. раздел 3.1), могут быть использованы приборы двух классов — электровакуумные и полупроводниковые. И к ним также предъявляются требования высокой энергетической эффективности, долговечности, компактности, минимального расхода дефицитных материалов, низкой стоимости и т. п.

Практически все рассмотренные выше электровакуумные СВЧприборы, в частности клистроны и магнетроны, могут работать в обращенном режиме, когда в электродинамическую систему прибора поступает СВЧизлучение, а на нагрузке в коллекторной цепи выделяется мощность постоянного или переменного тока [14, 54]. Однако КПД их при работе в таком режиме оказывается невысоким (не более 50—70 %). К тому же в земных условиях эти приборы нужно вакуумировать, что усложняет их конструкцию, снижает надежность, повышает стоимость и т. д.

От этих недостатков свободны полупроводниковые преобразователи, которые рассматриваются как наиболее перспективные приборы для наземных приемнопреобра зующих* комплексов СКЭС [72].

Приемная антенна, получившая название ректенны (от слов rectifier — выпрямитель и antenna — антенна), состоит из множества элементов, поглощающих и преобразующих СВЧизлучение. Каждый элемент (рис. 3.11) включает полуволновый диполь, фильтр нижних частот, выпрямляющий диод с барьером Шоттки и шунтирующий конденсатор. Все элементы объединены низкочастотной цепью для получения требуемых значений тока и напряжения.

Диполи принимают падающее СВЧизлучение и направляют его к выпрямляющему устройству. Фильтры нижних частот обеспечивают накопление энергии между входом и выпрямляющим диодом, а главное — предотвращают потери мощности за счет переизлучения, эффективно подавляя вторичные гармоники, которые генерируются в процессе выпрямления. Диоды с барьером Шоттки из арсенида галлия осуществляют преобразование СВЧколебаний, поступающих на вход прибора, в электрический ток. Шунтирующие конденсаторы действуют как сглаживающие фильтры, устраняя из выходного постоянного тока фон основной частоты и ее гармоник. Полный КПД всего элемента достигает 90 %

Приемнопреобразующие элементы могут быть защищены от внешних воздействий специальными кожухами, которые одновременно выполняют роль силовых элементов конструкции (рис. 3.12). Они устанавливаются на расстоянии 2.0—2.5 см от отражающей металлической сетки (экрана), которая объединяет все элементы в панели, располагаемые перпендикулярно падающему излучению.

Панели образуют поле приемной ректенны, имеющее форму эллипса. Размеры ректенны зависят от размеров передающей антенны, длины волны излучения, места расположения приемнопреобразующей системы и ее расстояния до СКЭС. Так, например, при расположении СКЭС на ГСО, а приемной ректенны на широте 34° длина малой и большой осей эллипса составляет 10 и 13 км соответственно, а с учетом зоны безопасности — И и 14 км [79].

Поскольку каждый диполь снабжен отдельным выпрямителем, вся ректенна имеет такую же диаграмму направленности, как одиночный диполь. В результате эффективность приема излучения сравнительно малочувствительна к изменению направления падающего луча и нет необходимости наводить ректенну на передающую систему. По той же причине могут быть значительно снижены требования к механическим допускам взаимного расположения элементов ректенны. И наконец, эффективность приема будет слабо зависеть от колебаний амплитуды и фазы падающего излучения, которые могут возникать изза неоднородности атмосферных условий над большой площадью, занимаемой ректенной.

Одним из недостатков ректенн с полупроводниковыми преобразователями, каждый из которых имеет свой приемный дилоль, является чрезвычайно большое число элементов в системе. Так, для ректенны указанных выше размеров с выходной электрической мощностью 5 ГВт требуется около 15 млрд. диполей и диодов с барьером Шоттки. При этом, однако, даже в центре ректенны, где плотность мощности максимальна и составляет около 230 Вт/м2, отдельный диод генерирует не более 1.0—1.5 Вт электрической мощности, в то время как для получения максимального КПД прибора, составляющего около. 90 %, его оптимальная мощность должна быть на уровне 46 Вт [79].

Более совершенной является конструкция ректенны, в которой каждый диод получает энергию от нескольких диполей, а число диполей, приходящихся на один диод, увеличивается от центра ректенны к краю в соответствии с изменением плотности падающего излучения. При этом в рассмотренной выше ректенне можно сократить требуемое число диодов на 30 млн. штук.

Еще один эффективный путь уменьшения числа приемнопреобразующих элементов ректенн связан с применением концентраторов СВЧизлучения, которые Morj . быть выполнены в виде параболоцилйндров из проволочной сетки (рис. 3.13). Такие концентраторы отражают падающее излучение и фокусируют его на небольших панелях, где установлены объединенные дипольдиодные элементы. В зависимости от степени концентрации число диполей и диодов может быть сокращено до 100—300 млн. штук.

Однако даже при реализации всех мероприятий, направленных на сокращение числа полупроводниковых преобразователей СВЧизлучения, их общее число в рек теннах гигаваттных мощностей остается чрезвычайно большим и приводит к необходимости значительных затрат дефицитных материалов, в частности арсенида галлия, увеличивает потери в цепях коммутации, затрудняет управление системой, контроль и устранение;неисправностей в процессе ее эксплуатации. Кроме того, низко вольтность полупроводниковых преобразователей (10—20 В/диод) требует последовательной коммутации большого числа диодов, что снижает надежность системы и ее устойчивость к перегрузкам при переключениях, коротких замыканиях, флуктуациях СВЧизлучения при атмосферных разрядах и т. п. [14].

Заметим также, что причины, определяющие целесообразность применения полупроводниковых элементов в бортовых системах преобразования и передачи энергии СКЭС, не являются столь же существенными для наземных систем преобразования СВЧизлучения в электрический ток. Высокая энергетическая эффективность и надежность последних может быть достигнута при использовании мощных высоковольтных преобразователей, удельные массоэнергетические показатели которых в данном Случае не имеют большого значения.

Наконец, преобразование энергии лазерного излучения в кинетическую энергию истекающего из двигателя рабочего тела предполагается осуществлять с использованием нагрева последнего, т. е. через стадию преобразования когерентного излучения в теплоту, что неизбежно приводит к снижению КПД двигателя. В то же время в МВРД энергия СВЧизлучения может быть непосредственно преобразована в кинетическую энергию истекающего из двигателя потока ускоренных частиц в устройствах, получивших название циклотронных резонансных ускорителей плазмы (ЦРУП) [104]. Предельный теоретический КПД таких ускорителей равен 100 %.

Разработан проект МВРД для межорбитального транспортного аппарата, предназначенного для перевозки грузов с низких орбит на геостационарную [104]. Двигательная установка включает веркальную антенну диаметром 600 м, которая концентрирует отраженное СВЧизлучение на двух ЦРУ П. Туда же из бака подается азот, используемый в качестве рабочего тела МВРД. В ЦРУП под действием сконцентрированного СВЧизлучения происходит ионизация рабочего тела и его разгон до очень высоких скоростей. По предварительным оценкам, удельный импульс такого двигателя должен составить 6104 м/с, КПД будет равен 60'%, а тяга около 157 103 Н. Значения КПД и удельного импульса МВРД близки к аналогичным показателям одного из наиболее эффективных электро ракетных двигателей — ионного или электростатического, однако плотность тяги неизмеримо выше. Следовательно, МВРД сочетает в себе достоинства двигателей больших и малых тяг и позволяет производить транспортировку грузов в космосе быстро и экономично.

Заметим, что и нагрев газа в тепловых МВРД может быть осуществлен с большей эффективностью, чем в ЛРД, так как коэффициент поглощения электромагнитного излучения возрастает при увеличении его длины волны [ЮЗ], но такой способ преобразования энергии СВЧколебаний в кинетическую энергию рабочего тела двигателя представляется менее перспективным.

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

Экспертиза

на главную