книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

ностыо передатчика и плотностью мощности, падающей на вертолет,

Здесь Рраб — плотность мощности, требуемая для работы летательного аппарата; а — коэффициент затухания (ра­ вен 1 при отсутствии затухания); ?]пср — к. и. д. антенны передатчика; Л — рабочая длина волны; 1ь— расстояние

Полная стоимость, представляющая сумму двух состав­ ляющих (стоимости мощности и стоимости антенны), в зависимости от диаметра антенны выражается в виде

где а — коэффициент стоимости антенны, а т — стои­ мость СВЧ-мощности в пересчете на 1 кет.

Продифференцировав это выражение по Ппер и при­ равняв производную нулю, мы найдем диаметр антенны, при котором расходы становятся минимальными. С от­ клонением от оптимального значения диаметра полная стоимость системы резко возрастает.

Если значение оптимального диаметра подставить в формулу полной стоимости, то получим следующее вы­ ражение для минимальной стоимости системы:

Из этого выражения хорошо видна степень влияния различных параметров на стоимость; к сожалению, не все величины, входящие в формулу (4), являются неза­ висимыми. Коэффициент затухания а сильно зависит при ливневых дождях от длины волны ^ и зависит также от высоты Н, на которую передается энергия. Коэффициент

стоимости антенны а зависит от требований к точности изготовления антенны, которые понижаются с увеличением длины волны.

Плотность мощности Рраб, также входящая в форму­ лу (4), зависит от высоты Н, поскольку на вертолете с вин­ том постоянного диаметра или па воздушном шаре подъем­ ная сила пропорциональна кубическому корню из плот­ ности воздуха. Из-за такой зависимости оказывается, что плотность воздуха начинает существенно влиять на величину Рряб только на высотах более 7,5 км. На очень больших высотах (порядка 15 км н более) можно исполь­ зовать на вертолете винт переменного диаметра, что поз­ воляет создать прочный, легко управляемый на подъеме и спуске аппарат и эффективно потреблять энергию снаб­ жающей станции.

Сделав некоторые разумные допущения с учетом логи­ ческого развития техники, можно выбрать значения па­ раметров формулы (4) и, упростив выражение, найти зна­ чение стоимости системы СП0Л|1. Если принять X = 10 см, то, во-первых, можно использовать существующие ком­ поненты, а во-вторых, положить а = 1, так как на вол­ не 10 см затухание, вызываемое дождями, очень мало. Величину Рраб разумно взять равной 1,1 квпг/м2, исходя из характеристик рассмотренного выше легкого верто­ лета. На основании экспериментальных данных положим

а и т. Приближенно зададим величину а в пределах от 0,6 до 1,2 долл, для неподвижной вертикально ориенти­ рованной антенны 10-саитиметрового диапазона, а вели­ чину т — в пределах от 500 до 2000 долл)кет.

Зависимость полной стоимости от Яраб и /г иллюстри­

вполне может быть достаточной уже на данном этапе раз­ вития техники, а в будущем, по-видимому, станет воз­ можной работа на уровне 0,25—0,3 квт/м*.

Если стоимость наземной станции рассчитывать таким образом, то окажется, что стоимость наземной передающей

антенны и стоимость генерации СВЧ-энергнп будут при­ близительно одинаковы. Описанный здесь способ расчета в большинстве случаев оправдывается, так как стоимость потребляемой электроэнергии на входе наземной стан-

Ф и г. 9. Стоимость передающей наземной станции в зависи­ мости от высоты полета вертолета при различных значениях плотности СВЧ-мощности на антенне вертолета.

а = 1,2; т — 1000 долл.; а = 1; 1)пср = 0.7; \ = 10 см.

дни значительно меньше, чем сумма амортизации ком­ плекса наземной станции даже при минимальной стои­ мости этого комплекса. Конечно, если стоимость потреб­ ляемой электроэнергии по каким-либо причинам высока или станцию нужно спроектировать мобильной, то ре­ зультаты могут оказаться совсем иными.

VII. Полезная нагрузка летательного аппарата, работающего на энергии СВЧ

В описанной выше модели вертолета, работающего на энергии СВЧ, использовались недорогие и недефицитные компоненты. Так, точечные полупроводниковые диоды Ш 820 выпускались фирмой «Джапан рэйдио», а диоды

Ф и г. 10. Основные параметры вертолета, работающего на энергии СВЧ (в балансе вертикальных сил).

Ш830 — фирмой «Снльвания». В качестве электродви­ гателя был применен имеющийся в продаже электродви­ гатель от электродрели мощностью около 200 вт. Выбор при проектировании более качественных компонентов, уже выпускаемых промышленностью или изготовленных специально на базе существующей технологии, позволит сразу же улучшить параметры вертолета. Так, новые диоды с барьером Шоттки дают возможность получить тот же уровень выпрямленной мощности при десятикрат­ ном снижении веса. Могут быть также изготовлены элек­ тродвигатели, имеющие отношение мощности к весу 1,6 квт/кг вместо 0,2 квт/кг.

Использование таких более совершенных компонен­ тов сразу же позволило бы улучшить параметры модели вертолета и довести вес полезной нагрузки до 50% даже при общем увеличении веса аппарата, обусловленного установкой следящей системы (для сохранения положе­ ния относительно луча) и введением хвостового винта.

Как показано на фиг. 10, вес полезной нагрузки опре­ деляется следующей формулой:

параметрами имеет смысл выразить через подъемную силу и веса, отнесенные к единице мощности, т. е. подъемную силу на 1 кет, вес винта на 1 кет, и т. п. Перепишем фор­ мулу в новых обозначениях, отмечая, что относительные веса нельзя считать полностью независящими от абсолют­ ного значения мощности и что подъемная сила несущего винта изменяется пропорционально мощности на валу в

где / и т — соответственно подъемная сила и веса, отне­ сенные к единице мощности (1 л. с.} или 0,746 кет).

В случае небольшого вертолета величина I может составлять около 9 кг при входной мощности 1 л. с. (0,746 кет). В модели вертолета фирмы «Рейтеон» была получена подъемная сила I = 33 кг!кет ПРИ входной мощности 115 вт (фиг. 7). Остальные веса, отнесенные к

шп.п= 9 —-(0,9 -{- 0,9 + 1,35 -[- 0,9 + 0,9) = 4,05 кг.

Таким образом, полезная нагрузка составляет 45% подъемной силы. У более крупных летательных аппаратов процент может быть значительно выше благодаря более выгодным относительным весам, которые можно получить для ряда составляющих при больших уровнях мощности.

VIII. Дальнейшие работы по усовершенствованию вертолета

с питанием энергией СВЧ

Предполагается, что следующим этапом разработки вертолета будет установка на нем системы сохранения положения относительно питающего луча. Логично также будет одновременно с этим ввести в приемную антенну усовершенствованные диоды с барьером Шоттки. Вес такого вертолета, по-видимому, всего в несколько раз превысит вес модели, описанной в этом разделе. Ожи­ дается, что усовершенствованный вертолет сможет сохра­ нять свое положение на СВЧ-луче сравнительно малой мощности до высот в сотни метров.

На последующем этапе будут, вероятно, решаться задачи повышения относительной полезной нагрузки, уве­ личения размеров системы СВЧ-питания, некоторого улучшения аэродинамики аппарата и полетов на высоты до ^—'1,5 км.

Дальнейшее продолжение работ по совершенствова­ нию вертолета будет зависеть от его применений. Од­ нако, как говорилось во введении, летательный аппарат такого типа, способный сохранять свое положение от­ носительно СВЧ-луча и нести достаточную полезную нагрузку, найдет широкое применение в различных областях.

IX. Другие применения систем передачи энергии СВЧ в аэрокосмической технике

Первым важным применением систем передачи энергии СВЧ, по-видимому, будет вертолет, работающий на энер­ гии СВЧ, однако потенциальный диапазон применений таких систем много шире [4—6]. Одна из интересных об­ ластей применения — передача энергии на поверхности Луны. Из-за трудностей доставки материалов на Луну система передачи энергии СВЧ, почти ничего не весящая, выглядит весьма привлекательно. Отсутствие атмосферы позволяет передавать энергию на очень коротких волнах и даже на световых волнах и тем самым резко уменьшить

размеры антенн. Большие потребности в энергии на Луне и значение веса оборудования делают перспективным при­ менение ядерной энергетической установки для первого лунного поселения. В этом случае магистральную пере­ дачу энергии от ядерного реактора к поселению можно было бы осуществить по проводам, а дополнительное рас­ пределение энергии, в особенности передачу энергии на луноходы, находящиеся вне пределов поселения, можно было бы вести по электромагнитному лучу.

В качестве еще одного применения принципа переда­ чи энергии СВЧ по лучу [4] может оказаться передача энергии на спутники, подлетающие на близкое расстоя­ ние к поверхности Земли. Объединение функций антенны и выпрямляющих устройств удобно использовать на спутнике, где конструкция, имеющая большую поверх­ ность, не требует особых прочностных элементов. Так, ректенну можно было бы выполнить в виде рулона, разво­ рачивающегося после выхода на орбиту. При условии что такая конструкция будет охлаждаться за счет радиа­ ции, оценки ее веса дают величину не более 2,3 кг на 1 кет выпрямленной мощности. Если приемная антенна спутника имеет размеры 30 X 30 м, а передача энергии ведется с антенны диаметром 36 м лаборатории Линколь­ на, дающей выходную мощность 10 Мет на волне 3 см, то спутник может получать до 40 кет выпрямленной мощ­ ности. Коэффициент использования такой системы по времени может быть сравнительно небольшим, так как наземная антенна может следить за спутником всего на протяжении 1—2% его орбиты. Но по мере увеличения числа станций и увеличения числа спутников, оборудо­ ванных такими приемными антеннами, коэффициент ис­ пользования передающей и приемной аппаратуры будет возрастать.

Одна из отдаленных перспектив применения [5] прин­ ципа передачи энергии СВЧ была рассмотрена на XVI Международном конгрессе по астронавтике, состоявшемся в Афинах. Эта идея заключается в использовании стар­ тового ускорителя, в котором применение энергии СВЧ позволит получить удельные импульсы порядка 1000 и исключить тяжелый окислитель, необходимый в настоя­ щее время для разогрева ракетного топлива. Значитель­

ная экономия, которую может дать система запуска с вы­ соким удельным импульсом, оправдывает интерес к этой идее/несмотря^на^то что на пути ее реализации надо ре­ шить еще множество проблем.

Об о з н а ч е н и я

Ь— подъемная сила;

Р — мощность, подводимая {к винту; /? — радиус винта;

М — коэффициент качества лопасти винта (М = 1 ► для идеальной лопасти); р — массовая плотность воздуха;

Рра6 — плотность мощности, требуемая для питания летательного аппарата;

а— коэффициент затухания (а = 1 при отсут­ ствии затухания);

‘Ппер — к. п. д. антенны передатчика;

Я— длина волны;

Н— расстояние от аппарата до антенны передат­

доГ1.н — вес полезной нагрузки, отнесенный к 1 л . с.\ Г ВИнт — вес винта; здвшт— вес винта, отнесенный к 1 л, с.\

И^эл.дп — вес электродвигателя; ^эл.ди — вес электродвигателя, отнесенный к 1 л. с.;

И^рект — вес приемной антенны, выпрямителей и це­ пей передачи мощности;

Дорект — вес приемной антенны, выпрямителей и це­ пей передачи мощности, отнесенный к 1 л. с.\ ^след.снст — вес датчиков, сервомеханизмов и телеметри­

ческих устройств;

5.3.6. СИНТЕЗ МОЩНЫХ ШУМОВ

Бе р к о в а ц

I.Введение

Одним из важных применений энергии СВЧ являются средства радиоэлектронного противодействия. В этом разделе мы рассмотрим вопросы создания искусственных помех, цель которых состоит в том, чтобы помешать работе СВЧ-систем, описанных в предыдущих разделах. Основ­ ные принципы построения помеховых систем хорошо известны [1—3], но многие конкретные технические дан­ ные в открытой литературе не освещаются. Искусствен­ ные помехи можно эффективно использовать как против средств связи, так и против радиолокационных систем. Здесь мы сосредоточим наше внимание на противорадио­

локационных помехах, опишем наиболее существенные характеристики помех и укажем способы анализа помехо­ вых систем.

Так как мощность отраженного сигнала на входе ра­ диолокационного приемника обратно пропорциональна четвертой степени дальности, станция помех может резко ограничить эффективность РЛС на больших расстояниях, ибо мощность помехи обратно пропорциональна лишь второй степени дальности. Воздействие помехи прояв­ ляется на экране радиолокационного индикатора так, что определение дальности цели становится невозможным или же индикатор насыщается при всех углах. Последнее происходит в том случае, когда мощность помех достаточ­ но велика, чтобы быть принятой через боковые лепестки диаграммы антенны РЛС. Чтобы при заданной мощности станции помех ее помехи создавали максимальное мешаю­ щее действие работе РЛС, весьма желательно, чтобы по­ мехи представляли собой гауссов шум с ограниченной полосой частот, охватывающей весь спектр частот РЛС.

В следующем разделе описываются основные характе­ ристики гауссова шума, после чего мы обсудим пробле­ мы генерации и передачи таких помех.

II.Характеристики гауссова шума

А.Общие положения. Термин «гауссов шум» относится

копределенному типу эргодического стационарного сто­ хастического (или случайного) процесса, который наблю­ дается в природе в форме тепловых шумов, а в электрон­ ных приборах как дробовой эффект. Своим названием ои обязан тому факту, что совместная плотность вероятности переменных процесса в последующие моменты времени описываются нормальным, или «гауссовым», распределе­

нием [41.

С точки зрения инженерных расчетов очень важны два свойства такого процесса. Во-первых, если на вход какого-либо линейного прибора поступает гауссов шум, то выходной сигнал этого прибора также будет гауссовым шумом. Во-вторых, распределение вероятностей такого шума полностью описывается автокорреляционной функ­ цией или спектральной плотностью мощности шума.