Система доставки энергии на космические объекты



Система доставки энергии на космические объекты
Система доставки энергии на космические объекты

 


Владельцы патента RU 2530515:

Закрытое акционерное общество "Радиосвязь-Сибирь" ЗАО "Радиосвязь-Сибирь" (RU)

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.

 

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 (Zmax) до принимающего энергию объекта следующим выражением:

Z max S λ ,

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

R Z max × λ π .

В рассматриваемом случае это выражение дает значение радиуса R=23 метра для расстояния Zmax=800 км. При расстоянии до объекта Zmax=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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к бесконтактному питающему оборудованию. Технический результат - предотвращение избыточного потребления энергии и исключение потребности в контроллере переключения.

Изобретение относится к электротехнике, к системам передачи энергии. Технический результат состоит в повышении эффективности передачи электроэнергии.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам беспроводной передачи электроэнергии. Технический результат - возможность передавать магнитную индукцию в непроводящей газовой среде дистанционно, без использования специально сооружаемых для этого магнитопроводов.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки различных устройств, например для беспроводной зарядки маломощных электроприборов (телефон, фотоаппарат, камеры, игрушки, сувениры), в квартире, офисе, общественном здании.

Ректенна // 2505907
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние. Технический результат - повышение эффективности приема энергии в тепловом диапазоне ректенн.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние. Технический результат - повышение эффективности приема энергии в тепловом диапазоне ректенн.

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения с перестройкой частоты генерации в широком интервале значений и может быть использовано в системах локации, передачи энергии на большие расстояния.

Группа изобретений относится к устройствам подачи энергии для транспортного средства. Каждое из устройств содержит формирователь высокочастотной энергии.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и эффективности.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии. В способе передачи электрической энергии между источником и потребителем энергии с использованием в качестве проводящего канала трубопровода с жидким веществом путем формирования в электроизоляционной оболочке трубопровода электропроводящего канала из вещества в жидкой фазе и создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного преобразователя, повышающего резонансного трансформатора Тесла, электропроводящего канала из электроизолированного трубопровода с жидким веществом, понижающего резонансного трансформатора Тесла, передачи электрической энергии вдоль проводящего канала к понижающему резонансному трансформатору Тесла, понижения потенциала высоковольтных колебаний и передачи энергии через инвертор к нагрузке, электрическую энергию передают по трубопроводу, установленному в водной среде, электроизолированную оболочку трубопровода с внутренним встроенным экраном заполняют водой с повышенным содержанием соли, опускают трубопровод в водную среду и соединяют начало и конец проводящего канала изолированными кабелями с высоковольтными выводами повышающего и понижающего трансформатора Тесла. Также раскрыто устройство для передачи электрической энергии. Изобретение обеспечивает снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения опор, проводов, изоляторов, кабелей, а также повышение КПД передачи электрической энергии. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к аппаратуре беспроводной передачи энергии транспортному средству. Технический результат - устранение необходимости наличия датчика расстояния между передатчиком и приемником энергии. Устройство энергоснабжения генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка передает энергию бесконтактным образом вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушке, посредством резонирования с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой через электромагнитное поле. Датчик энергии детектирует отраженную энергию в устройство энергоснабжения. Устройство связи принимает состояние приема энергии транспортного средства. ECU оценивает величину позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки на основе состояния приема энергии транспортного средства и отраженной энергии с использованием соотношения, полученного заранее, между состоянием приема энергии и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования. 3 н. и 10 з.п. ф-лы,7 ил.

Изобретение основано на оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления лазерного луча на потребитель электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки ÷ сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла. Технический результат заключается в снижении затрат лазерной энергии на ионизацию воздушной среды и повышении коэффициента передачи электрической энергии по лазерному лучу. При этом токопроводящий канал в атмосфере создают импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы в лазерном луче, разность соседних частот многочастотного лазерного излучения выбирают равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, длительность лазерных импульсов выбирают не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а резонансную частоту передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу выбирают в диапазоне единицы ÷ десятки кГц и синхронизируют ее с частотой следования лазерных импульсов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к бесконтактной подаче питания и включает в себя вторичную обмотку, к которой подается питание из первичной обмотки посредством источника питания переменного тока. Характеристика абсолютного значения импеданса Z1 относительно частоты имеет частоту составляющей основной волны источника питания переменного тока, расположенную между частотой, при которой существует локальный максимум и которая является ближайшей к частоте составляющей основной волны источника питания переменного тока, и частотой, при которой существует локальный минимум и которая является ближайшей к частоте составляющей основной волны. Характеристика абсолютного значения импеданса Z2 относительно частоты имеет частоту составляющей основной волны, расположенную между частотой, при которой существует локальный максимум и которая является ближайшей к частоте составляющей основной волны источника питания переменного тока, и частотой, при которой существует локальный минимум и которая является ближайшей к частоте составляющей основной волны. Здесь Z1 указывает импеданс только первичной стороны при просмотре с выходной стороны источника питания переменного тока, и Z2 указывает импеданс только вторичной стороны при просмотре со стороны нагрузки, которая должна быть соединена со вторичной обмоткой. Технический результат - повышение эффективности подачи питания. 6 з.п. ф-лы, 32 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии. Технический результат состоит в обеспечении передачи электрической энергии в водной среде, снижении затрат на передачу электроэнергии, а также повышении кпд. Создают резонансные колебания повышенной частоты в цепи, состоящей из источника энергии с повышающим высокочастотным трансформатором Тесла и резонансным контуром в низковольтной обмотке. Передают электрическую энергию вдоль проводящего канала к понижающему высокочастотному резонансному трансформатору Тесла, снижают потенциал высоковольтных колебаний и передают электрическую энергию через инвертор к электрической нагрузке. В высоковольтных обмотках повышающего и понижающего трансформатора Тесла создают последовательные резонансные контуры путем соединения высокопотенциальных выводов высоковольтных обмоток трансформаторов Тесла с естественной емкостью в виде сферы, тороида или проводящего тела произвольной формы, настраивают последовательные резонансные контуры в высоковольтных обмотках на общую резонансную частоту контуров в низковольтных обмотках трансформаторов Тесла, размещают понижающий резонансный трансформатор, инвертор и электрическую нагрузку на морском подводном или надводном корабле, соединяют низкопотенциальные выводы высоковольтных обмоток обоих трансформаторов с морской средой, повышают напряжение на повышающем трансформаторе Тесла и создают стационарные волны колебаний электромагнитной энергии в морской среде с резонансной частотой. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к бесконтактному зарядному устройству. Бесконтактное зарядное устройство содержит устройство приема мощности, содержащее катушку; аккумулятор; модуль определения состояния заряда аккумулятора; модуль задания допустимого диапазона для процесса заряда; модуль управления зарядом для управления мощностью процесса заряда для аккумулятора и дисплей для отображения допустимого диапазона для процесса заряда. Модуль задания допустимого диапазона для процесса заряда задает допустимый диапазон для процесса заряда шире по мере того, как состояние заряда выше. Повышается удобство пользования. 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к технике передачи электроэнергии. Технический результат состоит в передаче энергии по воздушному каналу. Для этого устройство содержит передающий и приемный модули электрической энергии Тесла, соединенные между собой лазерной линией резонансной передачи электрической энергии. Линия включает токосъемные электроды, установленные соосно на передающем и приемном модулях соответственно, и лазерный ионизатор атмосферного воздуха, установленный на передающем модуле соосно с электродом. Ионизатор выполнен многочастотным, содержит как минимум два импульсных полупроводниковых лазера, блок сведения лучей лазеров и оптическую линзу, установленную соосно с токосъемным электродом. Лазеры выполнены полупроводниковыми соответственно с частотами ν1 и ν2 в полосе частот прозрачности атмосферы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области электротехники. Установка бесконтактной подачи энергии одного варианта осуществления предоставлена с резонансным блоком для передачи энергии и резонансным блоком для приема энергии, который магнитным образом связывается с резонансным блоком для передачи энергии с помощью резонанса в магнитном поле. Энергия от источника энергии подается резонансному блоку для приема энергии через резонансный блок для передачи энергии, причем резонансный блок для передачи энергии и резонансный блок для приема энергии магнитным образом связаны посредством резонанса в магнитном поле. Один из резонансного блока для передачи энергии и резонансного блока для приема энергии имеет предварительно определенную единственную резонансную частоту, а другой из них имеет множество резонансных частот, в том числе предварительно определенную единственную резонансную частоту. Технический результат - повышение эффективности передачи энергии. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретения относятся к устройствам для генерации магнитного поля с контролируемым направлением в заранее заданной области пространства и могут быть использованы, в частности, в системах беспроводной передачи энергии. Технический результат - упрощение конструкции в результате отказа от применения магнитных материалов. Устройство состоит из трех компланарных индукторов, образующих планарную структуру, и блока управления величиной токов в индукторах, причем устройство отличается тем, что планарные индукторы имеют такую геометрию и расположены таким образом, что векторы генерируемого ими магнитного поля образуют полный трехмерный базис в заданной области пространства, расположенной вблизи структуры на расстоянии, не превышающем ее максимального геометрического размера. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к электротехнике. Технический результат состоит в повышении эффективности. Устройство бесконтактной подачи электричества бесконтактным образом выполняет заряд аккумуляторной батареи (28) транспортного средства, снабжено катушкой (12) для передачи электричества, расположенной на поверхности дороги, и катушкой (22) для приема электричества, расположенной в транспортном средстве. Катушка (13) для обнаружения постороннего объекта предусмотрена на верхней поверхности катушки (12) для передачи электричества, и на основе индуцированного напряжения, возникающего в катушке (13) для обнаружения постороннего объекта во время пробной подачи напряжения, обнаруживаются посторонние объекты между катушкой (12) для передачи электричества и катушкой (22) для приема электричества. 9 з.п. ф-лы, 13 ил.
Наверх