Способ лунного космического энергоснабжения и система для его осуществления

 

Предложен способ лунного космического энергосбережения и средства для его осуществления с помощью передающей энергетической антенны типа многолучевой активной антенной фазированной решетки (ФАР), излучающей СВЧ-энергию, полученную от преобразования в ансамбле передатчиков энергии постоянного или переменного тока от солнечных батарей, одновременно в направлении приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и в направлении космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии для переотражения ее к приемным наземным электрическим станциям (ректеннам), расположенным на невидимой с Луны поверхности Земли. Для обеспечения совместимости характерных размеров ректенн, расположенных на видимой и невидимой с Луны сторонах Земли, и сокращения характерного размера космических околоземных орбитальных переотражателей предложено разделить передающую лунную энергетическую антенну (ФАР) на две отдельные части, одна из которых используется для передачи СВЧ-энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), расположенным на видимой с Луны стороне Земли, а другая часть используется для передачи СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям для передачи от них при переотражении к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), расположенным на невидимой с Луны стороне Земли. Такое разделение общей передающей энергетической антенны обеспечивает совместимость характерных размеров ректенн, расположенных на видимой и невидимой с Луны сторонах Земли, уменьшение характерного размера космических околоземных орбитальных переотражателей до технически приемлимых размеров при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ -энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии, упрощает функционирование и фазирование средств лунного космического энергоснабжения, а также существенное уменьшение углов сканирования введенных двух отдельных частей общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР). Кроме того, обеспечивается совместимость характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн) с размерами ранее разработанных проектов солнечных космических энергетических станций (СКЭС), которые предполагается выводить на геостационарную орбиту. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к солнечным космическим энергосистемам и энергостанциям (СКЭС), предназначенным для энергоснабжения наземных потребителей электрической энергии из космоса и различных космических средств и потребителей, расположенных в околоземном космическом пространстве.

Известны способы и средства космического энергосбережения с помощью СКЭС, например [1 5] К недостаткам этих способов и средств в настоящее время относятся огромные технические трудности создания подобных СКЭС и размещения их на околоземной орбите, поскольку требуется создание новых, более мощных по сравнению с имеющимися ракет-носителей для вывода на околоземную геостационарную орбиту колоссального количества грузов, до нескольких десятков и сотен тысяч тонн, за относительно короткие промежутки времени, а также большого количества персонала для выполнения сборочно-монтажных, строительных и эксплуатационных, ремонтных работ, что в свою очередь связано с проведением частых пусков подобных сверхмощных ракетных носителей для частой доставки грузов и людей на орбиты, ухудшением и без того сложной экологической ситуации на Земле из-за разрушения озонового слоя атмосферы Земли, сжигания огромных количеств топлива в первых сверхмощных ступенях ракет-носителей, дополнительным сильным загрязнением в связи с этим атмосферы Земли.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу лунного космического энергоснабжения и средствам для его осуществления относится патент США [5] согласно которому Луна, являясь естественным спутником Земли, представляет собой довольно крупную космическую платформу, пригодную для размещения на ней крупных солнечных энергетических и радиотехнических СВЧ-систем, значительно превосходящих по мощности СКЭС, и обладающую при этом огромными минеральными ресурсами, благоприятными в результате добычи их открытым способом на Луне для производства таких элементов энергетических объектов, как, например, солнечных батарей, твердотельных и полупроводниковых генераторных и усилительных приборов из кремния, антенн и других конструкционных элементов из алюминия, различных композиционных материалов из окиси кремния и т.д.

К недостаткам известного способа [5] лунного космического энергоснабжения и средств для его осуществления относятся несовместимость характерных линейных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн), работающих в режиме непосредственного приема СВЧ-энергии от передающей лунной энергетической антенны (ФАР), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и в режиме приема СВЧ-энергии через космические околоземные орбитальные переотражатели СВЧ -энергии, т.е. ректенн, расположенных на невидимой с Луны стороне Земли, а также завышенные характерные линейные размеры космических околоземных орбитальных переотражателей, превышающие 1 км, заниженные размеры ректенн, составляющие, как указано в патенте [5] величину, равную около 400 м, и низкая эффективность передачи СВЧ-энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии.

Поэтому целью изобретения является обеспечение совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн), работающих в режиме непосредственного приема СВЧ-энергии от передающей лунной энергетической антенны (ФАР) и в режиме приема СВЧ-энергии через космические околоземные орбитальные переотражатели, и сокращения характерного размера космических околоземных переотражателей при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ -энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии.

Поставленная цель достигается тем, что согласно предложенному способу лунного космического энергосбережения на каждой лунной энергетической станции (базе), расположенной на поверхности соответственно западной и восточной оконечностей видимой с Земли стороны Луны в периоды лунных дней с помощью каждой решетки коллекторов поверхностного типа накапливают и концентрируют солнечную радиационную энергию, преобразуя ее в каждой решетке солнечных батарей в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в СВЧ-энергию в каждом ансамбле передатчиков СВЧ-энергии, излучают ее в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей с помощью каждой одной передающей лунной энергетической антенны типа многолучевой активной фазированной антенной решетки (ФАР) модулей, излучающей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и по каждому одному энергетическому СВЧ -лучу в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ -энергии, с помощью которых переотражают СВЧ -энергию на приемные наземные энергетические станции (ректенны), расположенные на невидимой с Луны стороне Земли, преобразуют принимаемую ректеннами СВЧ-энергию в энергию постоянного или переменного тока низких частот и передают ее потребителям, при этом для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей от каждого из модулей ФАР на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и космических околоземных орбитальных переотражателях СВЧ-энергии в направлении к каждому из модулей ФАР излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и от космических околоземных орбитальных переотражателей, по которым фазируют все модули ФАР, для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей от каждого из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), расположенных на невидимой с Луны стороне Земли, в направлении к каждому из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на невидимой с Луны стороне Земли.

Существенные отличия предложенного способа заключаются в том, что для обеспечения совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станций /ректенн/, работающих в режиме непосредственного приема СВЧ энергии от передающей лунной энергетической антенны /ФАР/ и режиме работы /приема СВЧ излучения/ через космические околоземные орбитальные перестражатели и сокращения характерного размера космических околоземных орбитальных перестражателей при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии: на каждой лунной энергетической станции /базе/, расположенной в пределах видимой с Земли стороны /полушария/ Луны, непосредственную передачу СВЧ энергии к приемным наземным энергетическим станциям /ректеннам/, расположенным на видимой с Луны стороне Земли, производят от отдельной передающей лунной антенны (ФАР), являющейся отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), передачу СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям производят от всей остальной введенной отдельной части общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), при этом на каждой передающей лунной энергетической станции (базе), расположенной в пределах видимой с Земли стороны (полушария) Луны, в периоды лунных дней с помощью каждой дополнительно введенной решетки коллекторов поверхностного типа накапливают и концентрируют солнечную радиационную энергию, в том числе и отраженную солнечную энергию от окололунных солнечных орбитальных переотражателей, преобразуют ее в каждой дополнительно введенной решетке солнечных батарей в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в ансамбле передатчиков в СВЧ-энергию и подводят ее к отдельно введенной передающей лунной энергетической антенне (ФАР), являющейся отдельной частью общей лунной энергетической антенны (ФАР), для излучения СВЧ-энергии в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ -лучей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, причем для получения сфазированности СВЧ-лучей от каждого из модулей введенной отдельной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, в направлении к каждому из модулей введенной отдельной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР), излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, для получения сфазированности СВЧ-лучей от каждого из модулей введенной остальной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) на космических околоземных орбитальных переотражателях, в направлении к каждому из модулей введенной остальной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) излучают пилот-сигналы от космических околоземных орбитальных переотражателей.

Средства для осуществления способа лунного космического энергоснабжения содержат на каждой лунной энергетической станции (базе), расположенной на поверхности соответственно западной и восточной оконечностей видимой с Земли стороны (полушария) Луны, решетку коллекторов поверхностного типа для накопления и концентрации солнечной радиационной энергии, решетку солнечных батарей, соединенную с решеткой коллекторов поверхностного типа, для преобразования солнечной радиационной энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот, подключенной энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот, подключенный к решетке солнечных батарей ансамбль передатчиков СВЧ-энергии для преобразования энергии постоянного или переменного тока низких частот в микроволновую СВЧ-энергию, соединенную с ансамблем передатчиков СВЧ-энергии одну передающую лунную энергетическую антенну типа многолучевой активной фазированной антенной решетки (ФАР) модулей для излучения ею в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей по каждому одному энергетическому лучу в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли и по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии, с помощью которых переотражают СВЧ-энергию на приемные наземные энергетические станции (ректенны), расположенные на невидимой с Луны стороне Земли, для преобразования СВЧ-энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот и подачи ее потребителям, систему (решетку) управления наведением, сопровождением и фазированием каждого модуля передающей лунной энергетической антенны (ФАР) и соответственно каждого энергетического СВЧ-луча, направленного на приемные наземные энергетические станции (ректенны), расположенные на видимой с Луны стороне Земли, и на космические околоземные орбитальные переотражатели, и каждого энергетического СВЧ-луча, переотраженного соответствующим космическим околоземным орбитальным переотражателем на соответствующую приемную наземную энергетическую станцию (ректенну), расположенную на невидимой с Луны стороне Земли, с источниками пилот-сигналов для фазирования всех модулей ФАР по пилот-сигналам, излучаемым к модулям ФАР от приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли и от космических околоземных орбитальных переотражателей, и источниками пилот-сигналов для фазирования всех модулей космических околоземных орбитальных переотражателей по пилот-сигналам, излучаемым от приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на невидимой с Луны стороне Земли, к модулям космических околоземных орбитальных переотражателей.

Существенные отличия средств для осуществления предложенного способа лунного космического энергосбережения заключаются в том, что для обеспечения совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на невидимой с Луны стороне Земли, и сокращения характерных размеров космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ-энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии, на каждой лунной энергетической станции (базе), расположенной в пределах видимой с Земли стороны (полушария) Луны, для передачи СВЧ-энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), расположенным на видимой с Луны стороне Земли, введена отдельная передающая лунная энергетическая антенна (ФАР), являющаяся отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), остальная отдельная часть общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) введена для передачи СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям и переотражения ее к приемным энергетическим наземным станциям (ректеннам), расположенным на невидимой с Луны стороне Земли, при этом дополнительно введена решетка коллекторов поверхностного типа для дополнительного накопления и концентрации солнечной радиационной энергии, в т. ч. и отраженной солнечной радиационной энергии от окололунных солнечных орбитальных переотражателей, введена соединенная с введенной дополнительно решеткой коллекторов поверхностного типа дополнительная решетка солнечных батарей для преобразования солнечной радиационной энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот, соединенная с ансамблем передатчиков для преобразования этой энергии в СВЧ-энергию, соединенным с отдельной, дополнительно введенной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), для излучения СВЧ-энергии в виде множества композиционных энергетических СВЧ-лучей по каждому одному энергетическому лучу в направлении каждой одной из приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, причем введены источники пилот-сигналов на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), расположенных на видимой с Луны стороне Земли, для фазирования всех модулей отдельной введенной передающей лунной энергетической антенны (ФАР), являющейся отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), и введены источники пилот-сигналов на космических околоземных орбитальных переотражателях для фазирования всех модулей остальной отдельной введенной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР).

На фиг. 1 дано схематическое изображение взаимного расположения лунной энергетической станции (ЛЭС) относительно приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой и невидимой с Луны сторонах Земли, и космических околоземных орбитальных переотражателей (КОП) СВЧ-энергии; на фиг.2 обобщенная функциональная схема лунной энергетической станции (ЛЭС); на фиг.3 схематичное изображение взаимного положения лунных энергетических станций (ЛЭС), расположенных на западной и восточной оконечностях соответственно видимой с Земли стороны (полушария) Луны относительно приемных наземных энергетических станций (ректенн) (НЭР), расположенных на видимой и невидимой с Луны сторонах Земли, и космических околоземных орбитальных переотражателей (КОП) СВЧ- энергии.

Средства для осуществления предложенного способа лунного космического энергоснабжения на каждой лунной (передающей) энергетической станции (ЛЭС) 1 и 2 /см. фиг.1-3/, расположенной на поверхности соответственно западной и восточной оконечности видимой с Земли 3 стороны Луны 4, включают решетку коллекторов 5 поверхностного типа для накопления и концентрации солнечной радиационной энергии, в том числе, и отраженной солнечной радиационной энергии от окололунных орбитальных переотражателей 6,7, расположенных на окололунной орбите 8.

В простейшем случае решетка коллекторов 5 поверхностного типа является решеткой плоских улавливателей солнечной энергии без концентрации ее. В фокусирующих коллекторах солнечная энергия концентрируется, т.е. увеличивается по плотности поступающего потока радиации. Наиболее распространенным типом коллекторов является плоский коллектор солнечной энергии (КСЭ), характеризующийся низким коэффициентом концентрации К_э, являясь низкопотенциальным концентратором солнечной энергии. Коэффициент концентрации солнечной энергии (степень концентрации или концентрирующая способность) определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучистого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации последней на Солнце [2] Низкопотенциальные концентраторы (коллекторы) (К_э≅100) солнечного излучения могут быть двух видов с криволинейной или прямоугольной образующей отражающей поверхности. Традиционными концентраторами первого вида являются параболические цилиндры, которые обеспечивают получение К_э 20 40. Привлекательны для применения на Луне концентраторы конической и клиновидной конфигурации, которые могут быть конструктивно объединены с преобразующими устройствами и позволяют использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение. Такие отражатели с параболической образующей получили название фоконов (фокусирующий конус) и фоклинов (фокусирующий клин) [7] Фоконы и фоклины с параболической образующей обладают двумя положительными свойствами: они не требуют высокой точности изготовления зеркальной поверхности отражателя и, что особенно важно, сохраняют исходный уровень концентрации излучения при невысокой точности ориентации оси отражателя на Солнце. В стационарных условиях на Луне они могут эффективно работать, оставаясь в течение длительного времени неподвижными по отношению к Солнцу. Это предопределяет целесообразность применения на стационарных солнечных энергетических станциях, располагаемых на Луне, где мало наклонение экваториальной плоскости к плоскости эклиптики. Фокусирующие коллекторы обладают высокой степенью концентрации (высоким К_э). В условиях широкого применения полупроводниковых, например кремниевых фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей, целесообразным являются низкие уровни концентрации солнечного излучения и поэтому применима решетка коллекторов 5 поверхностного типа. Решетка солнечных батарей 10 соединена с решеткой коллекторов 9 поверхностного типа и служит для преобразования солнечной радиационной энергии в энергию постоянного или переменного тока, подключенный к решетке солнечных батарей 10 ансамбль передатчиков СВЧ-энергии 11 служит для преобразования энергии постоянного или переменного тока низких частот в микроволновую СВЧ-энергию. Ансамбль передатчиков 11 представляет собой совокупность задающих генераторов и СВЧ -усилителей. Наиболее перспективными являются преобразователи на полупроводниковых СВЧ-приборах. В полупроводниковых СВЧ-приборах преобразование энергии постоянного или переменного тока низких частот в энергию СВЧ-колебаний происходит в твердом теле, масса и размеры которого, как правило, малы, а физические свойства весьма чувствительны к температуре и токовым параметрам. Это ограничивает мощность полупроводниковых приборов величинами порядка единиц, десятка В, их допустимая рабочая температура не превышает 200^o, а напряжение постоянного тока десятков Вт. Несмотря на то, что приборы этого класса чувствительны к воздействию эксплуатационных факторов по сравнению с электровакуумными приборами, они получают все более широкое развитие и применение в технике СВЧ и представляют серьезную альтернативу высокомощным электровакуумным приборам для использования в космической энергетике. Обусловлено это такими их важными достоинствами, как высокая надежность и долговечность, компактность, сравнительно низкая стоимость при массовом производстве, удобство сборки и, что особенно существенно, хорошая совместимость с полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями солнечных батарей, возможность широкого использования новых технологий для изготовления в виде интегральных схем больших интегральных схем (БИС). Поскольку основу решетки солнечных батарей составляет решетка фотоэлектрических преобразователей для преобразования солнечной энергии в электрическую полупроводниковыми фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), то становится возможным конструктивное объединение решетки солнечных батарей 10 с полупроводниковыми интегральными фотопреобразователями с решеткой интегральных полупроводниковых преобразователей энергии постоянного или переменного тока низких частот в СВЧ-энергию СВЧ-решетки передатчиков 11. Это позволяет применить слоеную конструкцию типа "сандвич" и свести к минимуму потери энергии при передаче ее от источника постоянного тока (солнечной батареи) 10 к СВЧ приборам решетки передатчиков 11. Поскольку КПД двух преобразований энергии: солнечной энергии в энергию постоянного (переменного низких частот) тока и последней энергии в СВЧ-энергию сопровождается тепловыми потерями, то для защиты от перегрева полупроводниковых элементов солнечных батарей 10 и СВЧ-транзисторов решетки передатчиков 11 между ними введен холодильник излучатель 12. Для увеличения эффективной площади солнечных батарей дополнительно введена решетка солнечных батарей 13. С ансамблем (решеткой) передатчиков 11 через решетку фазовращателей 14 (систему (решетку) управления) соединена передающая лунная энергетическая антенна 15 типа многолучевой активной фазированной антенной решетки (ФАР) модулей 16 (с полупроводниковыми вибраторами, напыленными на плоскость коллекторов 9 поверхностного типа) для излучения ею в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу, например 17, 18, в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу, например 21, 22, в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24 СВЧ-энергия, с помощью которых переотражают СВЧ-энергию на приемные наземные энергетические станции (ректенны), например 25, 26, расположенные на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3 для преобразования принятой СВЧ-энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот и подачи ее потребителям, решетку управления (решетку фазовращателей 14 с вычислительными средствами адаптивного процессора) наведением, сопровождением и фазированием каждого из модулей 16 передающей лунной энергетической антенны 15 и соответственно каждого энергетического СВЧ-луча, направленного на приемные наземные энергетические станции (ректенн), например 19, расположенные на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и на космические околоземные орбитальные переотражатели, например 23, 24, и каждого энергетического СВЧ-луча, переотраженного соответствующими космическими околоземными орбитальными переотражателями, например 23, 24, на соответствующие приемные наземные энергетические станции (ректенны), например 25, 26, расположенные на невидимой с Луны 4 стороны 27 Земли 3, с источниками пилот-сигналов для фазирования всех модулей ФАР 15 по пилот-сигналам, излучаемым к модулям ФАР от приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и от космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, и источниками пилот-сигналов для фазирования всех модулей космических околоземных орбитальных переотражателей по пилот-сигналам, излучаемым от приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 25, 26, расположенных на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3, к модулям космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24.

Существенные особенности средств для осуществления предложенного способа лунного космического энергоснабжения заключаются в том, что для обеспечения совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станции (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 25, 26, расположенных на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3, и сокращения характерного размера космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ-энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии, на каждой лунной энергетической станции (базе), например 1, 2, расположенной в пределах видимой с Земли стороны (полушария) Луны 4, для передачи СВЧ-энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), например 19, расположенным на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, введена отдельная передающая лунная антенна (ФАР) 28, являющаяся отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15, остальная отдельная часть общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15 введена для передачи СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям, например 23, 24, и переотражения СВЧ-энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), например 25, 26, расположенным на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3, при этом дополнительно введена решетка коллекторов 9 поверхностного типа для дополнительного накопления и концентрации солнечной радиационной энергии, в т. ч. и отраженной солнечной радиационной энергии от окололунных солнечных орбитальных переотражателей 6, 7, введена соединенная с введенной дополнительно решеткой коллекторов 9 поверхностного типа дополнительная решетка солнечных батарей 13 для преобразования солнечной радиационной энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот, соединенная с ансамблем передатчиков 11 для преобразования этой энергии в СВЧ-энергию, соединенным с отдельной дополнительно введенной передающей лунной энергетической антенной (ФАР), являющейся отдельной введенной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР), для излучения СВЧ -энергии по каждому одному энергетическому СВЧ -лучу в направлении каждой одной из приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, причем введены источник пилот-сигналов на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, для фазирования всех модулей отдельной введенной передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28, являющейся отдельной введенной частью общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15, и введены источники пилот-сигналов на космических околоземных орбитальных переотражателях, например 23, 24, для фазирования всех модулей остальной отдельной введенной части общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) для излучения СВЧ -энергии в виде множества композиционных энергетических СВЧ-лучей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу, излучаемому в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24.

Принцип действия средств для осуществления предложенного способа лунного космического энергоснабжения состоит в том, что на каждой лунной энергетической станции (базе) 1, 2, расположенной на поверхности соответственно западной и восточной оконечностей видимой с Земли 3 стороны Луны 4, в периоды лунных дней с помощью каждой решетки коллекторов 5 поверхностного типа накапливаются и концентрируют солнечную радиационную энергию, преобразуют ее в каждой решетке солнечных батарей 10 в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в микроволновую СВЧ-энергию в каждом ансамбле передатчиков 11 СВЧ-энергии, излучают ее в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей с помощью каждой одной передающей лунной энергетической антенны 15 типа многолучевой активной фазированной антенной решетки (ФАР) модулей 16, излучающей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу, например 17, 18, в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу, например 21, 22, в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, СВЧ-энергии, с помощью которых переотражают СВЧ-энергию на приемные наземные энергетические станции (ректенны), например 25, 26, расположенные на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3, преобразуют принимаемую ректеннами СВЧ-энергию в энергию постоянного или переменного тока низких частот и передают ее потребителям, при этом для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей, например 17, 21 (фиг. 1), от каждого из модулей ФАР на приемных энергетических наземных станциях (ректеннах), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и космических околоземных орбитальных переотражателях, например 23, 24, СВЧ-энергии в направлении к каждому из модулей 16 ФАР 15 излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и от космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, по которым фазируют все модули ФАР, для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей от каждого из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, СВЧ -энергии на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), например 25, 26, расположенных на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3, в направлении к каждому из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 25, 26, расположенных на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3.

Существенные отличия предложенного способа лунного космического энергоснабжения заключаются в том, что для обеспечения совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, работающих в режиме непосредственного приема СВЧ-энергии от передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15 и режиме работы (приема СВЧ-энергии) приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 25, 26, через космические околоземные орбитальные переотражатели, например 23, 24, и сокращения характерного размера космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24, при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ -энергии с Луны 4 к наземным и околоземным космическим потребителям энергии, на каждой лунной энергетической станции (базе), например 1, 2, расположенной в пределах видимой с Земли 3 стороны (полушария) Луны 4, непосредственную передачу СВЧ -энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), например 19, расположенным на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, производят от отдельной введенной передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28, являющейся 0 отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны 15, передачу СВЧ -энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям, например 23, 24, производят от всей остальной введенной отдельной части общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15, при этом на каждой на каждой лунной энергетической станции (базе) 1, 2, расположенной в пределах видимой с Земли 3 стороны (полушария) Луны 4, в периоды лунных дней с помощью каждой дополнительно введенной решетки коллекторов 9 поверхностного типа накапливают и концентрируют солнечную радиационную энергию, в т.ч. и отраженную солнечную радиационную энергию от окололунных солнечных орбитальных переотражателей, например 6, 7, преобразуют ее в каждой дополнительно введенной решетке солнечных батарей 13 в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в ансамбле передатчиков 11 в СВЧ -энергию и подводят ее к отдельной введенной передающей лунной энергетической антенне (ФАР) 28, являющейся отдельной введенной частью общей лунной энергетической антенны (ФАР) 15, для излучения СВЧ -энергии в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей, например 17, 18, по каждому одному энергетическому СВЧ -лучу, например 17, 18, в направлении каждой одной из приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, причем для получения сфазированности СВЧ-лучей, например 17, 21, от каждого из модулей введенной отдельной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28 на приемных наземных энергетических станциях (ректеннах), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, в направлении к каждому из модулей введенной отдельной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28 излучают пилот-сигналы от приемных наземных энергетических станций (ректенн), например 19, расположенных на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, для получения сфазированности СВЧ-лучей от каждого из модулей введенной остальной отдельной передающей лунной энергетической антенны (ФАР) на космических околоземных орбитальных переотражателях, например 23, 24, в направлении к каждому из модулей введенной остальной отдельной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15 излучают пилот-сигналы от космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23, 24.

Под композиционным (сложным) энергетическим СВЧ-лучом понимается СВЧ-луч, образованный множеством СВЧ-лучей, например 21 (фиг.1), от каждого из модулей 16 активной фазированной антенной решетки (ФАР) 15 модулей 16, т.е. каждый из энергетических СВЧ-лучей суммарной диаграммы направленности излучения многолучевой активной фазированной антенной решетки (ФАР) модулей 16, для излучения либо в направлении каждой приемной наземной энергетической станции (ректенны), например 19, либо в направлении космического околоземного орбитального переотражателя, например 23 или 24.

На примерах конкретных расчетов докажем сущность предложенного способа лунного космического энергоснабжения. Для обобщенной лунной энергетической системы, представленной на фиг.3, характерна система из следующих трех уравнений: где l_фар, l_коп, l_нэр характерные размеры соответственно передающей лунной энергетической антенны (ФАР), например 15, космического околоземного орбитального переотражателя (КОП), например 23, и наземной энергетической ректенны (НЭР) (станции), например 19 и 25; τ₁, τ₂, τ₃ - волновые коэффициенты передачи СВЧ-энергии соответствующих апертурных пар: КОП и НЭР, ФАР и НЭР, ФАР и КОП, изменяющиеся, например, в пределах τ 1 3 и определяющие КПД передачи СВЧ-энергии этих апертурных пар, соответственно в пределах h 0,6 1,0; L₁ 36000 км среднее расстояние между КОП и НЭР при расположении КОП на геостационарной (геосинхронной) орбите; L₂ 360000 км среднее расстояние между ФАР и НЭР, определяемое по среднему расстоянию Земля Луна; L₃ 400000 км среднее расстояние между ФАР и КОП; l длина волны СВЧ-излучения.

Решение системы уравнений (1), например, при L₂ L₃ 400000 км относительно характерных размеров дает их следующие значения: при τ = 1,4 l_фар 26,2 км, l_коп 2,62 км, l_нэр 2,62 км, λ = 12,25 см, η = 0,8. l_фар 23,6 км, l_коп 2,36 км, l_нэр 2,36 км, λ = 10 см, η = 0,8.
l_фар 17,1 км, l_коп 1,71 км, l_нэр 1,71 км, λ = 5,2 см, η = 0,8.
Более высокие значения τ ≥ 1,4 /η ≥ 0,8/ дают и более высокие значения характерных размеров.

В настоящее время считается нецелесообразным выбирать величину характерного размера космического переотражателя больше одного км, т.е. l_коп≅1 км должно быть ввиду сложной реализуемости его на геостационарной орбите, сложности управления им и стабилизации его положения не геостационарной орбите, а также по другим специфическим причинам. Поэтому выберем фиксированную величину характерного размера космического орбитального переотражателя l^фик_коп^с равную, например 1 км.

Из первого уравнения системы (1) величина характерного размера ректенны определится как

Из второго уравнения системы уравнения (1) с учетом (2) величина

И, наконец, из третьего уравнения системы уравнений (1) с учетом (2)

При фиксированной величине l^abr_коп^c = 1,0 км технически обоснованной величине для реализации, величина характерного размера ректенн численно равна эффективной площади S_эф.1
l_нэр = τ₁·λ·L₁ = S_эф.1
А величина При этом l_фар = τ₃·λ·L₃ = S_эф.3 численно равна эффективной площади S_эф.з в (км).

Оценки характерных размеров при τ₁ = τ₂ = τ₃ = τ и l^фик_коп^с = 1 км дают следующие значения
l_фар 68,6 км, l_коп 1 км, l_нэр 6,2 км, λ = 12,25 см, τ = 1,4 /η = 0,8/
l_фар 56 км, l_коп 1 км, l_нэр 5,04 км, λ = 10 см, τ = 1,4 /η = 0,8/
l_фар 29 км, l_коп 1 км, l_нэр2,62 км, λ = 5,2 см, τ = 1,4 /η = 0,8/
l_фар 98 км, l_коп 1 км, l_нэр 8,8 км, λ = 12,25 см, τ = 2 /η = 0,95/
l_фар 80 км, l_коп 1 км, l_нэр 7,2 км, λ = 10 см, τ = 2 /η = 0,95/
l_фар 41,6 км, l_коп 1 км, l_нэр 3,7 км, λ = 5,2 см, τ = 2 /η = 0,95/
Из сравнения представленных результатов следует, что 10 км составляет только часть от l_фар порядка 10 20% на самых благоприятных длинах волн (λ 12,25 см и 10 см), являясь характерным размером введенной части передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28 для передачи СВЧ -энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), например 19, расположенным на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3. От всей остальной введенной части с характерным размером l_фар общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15 производят передачу СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям, например 23,24, с сокращенным характерным размером l_коп 1 км, с помощью которых переотражают СВЧ-энергию с высокой эффективностью (h 0,95 при t 2,0) на приемные наземные энергетические станции (ректенны), например 25,26, расположенные на невидимой с Луны 4 стороне 27 Земли 3.

Разделение общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 15 на две отдельные части 28 и 15 (т.е. выделение из общей лунной антенны 15 отдельной много меньшей части 28) обеспечивает радельную независимую их работу по ректеннам, например 19, расположенным на видимой с Луны 4 стороне 20 Земли 3, и по космическим околоземным орбитальным переотражателям, например 23,24, для передачи СВЧ-энергии к приемным наземным энергетическим станциям (ректеннам), например 25,26, расположенным на невидимой с Луны 4 стороны 27 Земли 3, что обеспечивает достижение поставленной цели совместимости характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн), расположенных как на видимой, так и невидимой с Луны 4 сторонах 20 и 27 Земли 3, позволяет уменьшить (сократить) характерный размер космических околоземных орбитальных переотражателей, например 23,24, до технически приемлемых для реализации величин l_коп 1 км при сохранении высокой эффективности передачи СВЧ энергии с Луны к наземным и околоземным космическим потребителям энергии.

Разделение общей передающей лунной энергетической антенны (ФАР) на две отдельные независимые части, обеспечивает их независимое функционирование и удобство независимого их фазирования, а также существенное уменьшение углов сканирования введенных двух отдельных частей общей передающей лунной энергетичекой антенны (ФАР). Кроме того,обеспечивается совместимость характерных размеров приемных наземных энергетических станций (ректенн) с размерами в ранее разработанных проектах солнечных космических энергетических станций (СКЭС), которые предполагается выводить на геостационарную орбиту. Ввиду ограничения размеров введенной отдельной передающей лунной энергетической антенны (ФАР) 28 по сравнению с остальной частью общей передающей лунной энергетической антенны для выравнивания уровней излучаемых СВЧ-энергий введенными отдельными частями общей ФАР на каждой лунной энергетической станции, например 1,2, дополнительно введена решетка коллекторов поверхностного типа для дополнительного накопления и концентрации солнечной радиационной энергии и соединенная с ней введена дополнительная решетка солнечных батарей для работы с дополнительно введенной отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны, предназначенной для передачи СВЧ-энергии к наземным ректеннам на видимой с Луны стороне Земли. При этом решетки солнечных батарей наряду с другими решетками могут устанавливаться непосредственно на лунную поверхность: либо устанавливаться вертикально (нормально) к поверхности Луны (фиг.1), либо устанавливаться в эшелон решеток.

Источники информации
1. Ванке В.А. Лесков Л.В. Лукьянов А.В. Космические энергосистемы, - М. Машиностроение, 1990, 144 с.

2. Грилихес В. А. Солнечные космические энергостанции, Л. Наука, 1986, 181 с.

3. Патент США N 3781647, 23.12.73.

4. Авторское свидетельство СССР N 946372, опубл. в Б.И. N 3, 1983.

5. Патент США N 5019768, НКИ 322-2R от 28.05.91. (прототип).

6. Гостюхин В.Л. Трусов К.Г. Климачев Ю.С. Данич Ю.С. Активные фазированные антенные решетки, М. Радио и Связь, 1993, 270 с.

7. Баранов В. К. Новые концентраторы излучения и перспективы их применения в оптике и гелиотехнике, Труды ГОИ, 1979, вып.179, с.57 70.

8. Королев Е.Ф. Тренажеры для управления космическими аппаратами, реферативный указатель, Состояние и тенденции развития радиотехники, АСНТИ "Сетка", подмассив РС, М. 1985, НИИЭИР.

Формула изобретения

1. Способ лунного космического энергоснабжения, заключающийся в том, что на каждой лунной энергетической станции, расположенной на поверхности видимой с Земли стороны Луны, в том числе и соответственно западной и восточной оконечности видимой с Земли стороне Луны, в периоды лунных дней с помощью каждой решетки коллекторов поверхностного типа накапливают и концентрируют солнечную радиационную энергию, преобразуют ее в каждой решетке солнечных батарей в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в сверхвысокочастотную СВЧ-энергию в каждом ансамбле передатчиков СВЧ-энергии, излучают ее в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей с помощью каждой одной передающей лунной энергетической антенны, выполненной в виде модулей многолучевой активной фазированной антенной решетки (МФАР), излучающей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждой из приемных наземных энергетических станций, выполненных в виде ректенн, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии, с помощью которых переотражают СВЧ-энергию на ректенны, расположенные на не видимой с Луны стороне Земли, преобразуют принимаемую ректеннами СВЧ-энергию в энергию постоянного или переменного тока низких частот и передают ее потребителям энергии, при этом для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей от каждого из модулей МФАР на ректеннах, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и космических околоземных орбитальных переотражателях СВЧ-энергии в направлении к каждому из модулей МФАР излучают пилот-сигналы от ректенн, по которым фазируют все модули МФАР, для получения сфазированности энергетических СВЧ-лучей от каждого из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии на ректеннах, расположенных на не видимой с Луны стороне Земли, в направлении к каждому из модулей космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии излучают пилот-сигналы от ректенн, расположенных на невидимой с Луны стороне Земли, отличающийся тем, что на каждой лунной энергетической станции, расположенной в пределах видимой с Земли стороны Луны, передачу СВЧ-энергии к ректеннам, расположенным на видимой с Луны стороне Земли, производят от отдельно введенной передающей лунной антенны, выполненной в виде модулей МФАР, являющейся первой отдельной частью общей передающей лунной энергетической антенны, передачу СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям СВЧ-энергии производят от второй отдельной части общей передающей лунной энергетической антенны для передачи СВЧ-энергии на ректенны, расположенные на не видимой с Луны стороне Земли, при этом на каждой передающей лунной энергетической станции, расположенной в пределах видимой с Земли стороне Луны, в периоды лунных дней с помощью каждой дополнительно введенной решетки коллекторов поверхностного типа накапливают и концентрируют солнечную радиационную энергию, в том числе и отраженную солнечную радиационную энергию от окололунных солнечных орбитальных переотражателей, преобразуют ее в каждой дополнительно введенной решетки солнечных батарей в энергию постоянного или переменного тока низких частот, преобразуют эту энергию в ансамбле передатчиков в СВЧ-энергию и подводят ее к отдельно введенной передающей лунной энергетической антенне, для излучения СВЧ-энергии в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждой одной из ректенн, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, причем для получения сфазированности СВЧ-лучей от каждой из модулей первой отдельной части общей передающей лунной энергетической антенны на ректеннах, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, в направлении к каждому из модулей первой отдельной части передающей лунной энергетической антенны излучают пилот-сигнал от ректенн, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, для получения сфазированности СВЧ-лучей от каждого из модулей второй отдельной части передающей лунной энергетической антенны на космических околоземных орбитальных переотражателях, в направлении к каждому из модулей второй отдельной части передающей лунной энергетической антенны излучают пилот-сигналы от космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии.

2. Система лунного космического энергоснабжения, содержащая на каждой лунной энергетической станции, расположенной на поверхности видимой с Земли стороны Луны, в том числе и соответственно западной и восточной оконечности видимой с Земли стороне Луны, решетку коллекторов поверхностного типа для накопления и концентрации солнечной радиационной энергии, решетку солнечных батарей, соединенную с решеткой коллекторов поверхностного типа, для преобразования солнечной радиационной энергии в энергию постоянного или переменного тока низких частот, подключенный к решетке солнечных батарей, ансамбль передатчиков СВЧ-энергии для преобразования энергии постоянного или переменного тока низких частот в микроволновую СВЧ-энергию, соединенную с ансамблем передатчиков СВЧ-энергии, одну передающую лунную энергетическую антенну, выполненную в виде модулей многолучевой активной фазированной антенной решетки (МФАР), предназначенную для излучения ею в виде множества сформированных композиционных энергетических СВЧ-лучей по одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждой из приемных энергетических станций, выполненных в виде ректенн, расположенных на видимой с Луны стороне Земли, и по каждому одному энергетическому СВЧ-лучу в направлении каждого из космических околоземных орбитальных переотражателей СВЧ-энергии, предназначенных для переотражения СВЧ-энергии на ректенны, расположенные на не видимой с Луны стороне Земли, при этом ректенны соединены с потребителями энергии, все модули МФАР всех лунных энергетических станций соединены с системой управления наведением, сопровождением и фазированием модулей, а ректенны соединены с соответствующими источниками пилот-сигналов, предназначенных для фазирования всех модулей МФАР, отличающаяся тем, что на каждой лунной энергетической станции, расположенной в пределах видимой с Земли стороны Луны и каждой лунной энергетической станции, расположенной в пределах невидимой с Земли стороны Луны, передающая лунная энергетическая антенна выполнена в виде первой отдельной части общей передающей лунной антенны для передачи СВЧ-энергии к ректеннам, расположенным на видимой с Луны стороне Земли и второй отдельной части общей передающей лунной антенны для передачи СВЧ-энергии к космическим околоземным орбитальным переотражателям СВЧ-энергии, причем первая отдельная часть общей передающей антенны через соответствующий ансамбль передатчиков СВЧ-энергии соединена с дополнительной решеткой солнечных батарей, соединенных с дополнительно введенной решеткой коллекторов поверхностного типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3