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

Таблица 1

Параметры модели вертолета, работающего на энергии СВЧ

III.Комбинация приемной антенны

ивыпрямителя

Успешность передачи энергии СВЧ на аэрокосмиче­ ские летательные аппараты определяется в первую оче­ редь возможностью принять и преобразовать в постоян­ ный ток энергию СВЧ при помощи эффективных устройств, характеризующихся большим отношением мощности к весу. Кроме того, эти устройства должны хорошо охлаж­ даться без чрезмерного увеличения веса или какого-либо усложнения конструкции. Приемная антенна должна иметь ненаправленную диаграмму, чтобы не возникали проблемы увеличения веса, связанные с необходимостью сохранения жестких допусков на размеры и надлежащей ориентацией ненаправленной антенны. Такие требования к выпрямителю и направленной антенне [1| лучше всего можно удовлетворить, объединив выпрямитель и прием­ ную антенну в одно устройство — ректениу. Идея ректенны заключается в том, чтобы разделить большую прием­ ную антенну на множество малых апертур с ненаправлен­ ными свойствами и затем выпрямить независимо ВЧ-энер- гию, принимаемую каждой апертурой. Последующее сум­ мирование мощности постоянного тока всех апертур поз­ воляет получить мощность, соответствующую большой апертуре, и вместе с тем сохранить ненаправленные свой­ ства малой апертуры. Практически выпрямляющий эле­ мент располагают в плоскости каждой малой апертуры. В существующих ректеинах в качестве выпрямляющих

Ш820, включенных по последовательно-параллельной схеме (фиг. 6), чтобы обеспечить напряжение и ток, нужные для питания электродвигателя.

Направленность описанной ректенны немного хуже, чем у полуволнового симметричного вибратора. Такая

Ф и г. 6. Схема расположения диполей и межсоединений в диодном модуле.

направленность вполне удовлетворяет требованиям, предъявляемым на начальном этапе разработки вертолет­ ной системы и в большей части ожидаемых приложений.

В любой практической системе большое значение имеет отношение веса ректенны к мощности постоянного тока на ее выходе. На начальном этапе экспериментальной работы это отношение составляло 4,5 кг/квт. Однако бо­ лее новые диоды с барьером Шоттки позволяют сконструи­ ровать ректенны с отношением веса к мощности постоян­ ного тока не более 1,35 кг!кет. Существенно меньшие раз­ меры этих диодов и менее массивная конструкция, тре­ буемая для их крепления, дадут возможность значитель­ но понизить ветровое сопротивление ректенны.

Одной из привлекательных особенностей ректенны яв­ ляется ее очень высокая надежность. Полупроводниковые диоды, используемые для выпрямления, обладают боль­ шим сроком службы, а включены они по такой схеме,

что даже выход из строя многих диодов не сильно ухуд­ шит характеристики антенны.

Вторая положительная особенность ректенны — по­ тенциально высокий к. п. д. На частоте 2450 Мгц изме­ рения к. п. д. диодов дали значения 85%. По-видимому? не составит особого труда сконструировать ректенну с общим к. п. д. приема и выпрямления выше 50%.

При использовании ректенны в вертолетной системе не возникает каких-либо трудностей с рассеянием тепла, выделяемого диодами, так как ректенна находится в воз­ душном потоке, создаваемом винтом вертолета. Выделяю­ щееся тепло отводится воздушным потоком непосредствен­ но с выводов диодов.

IV. Конструкция винта вертолета

Несущий винт (ротор) вертолета обеспечивает его подъем путем увеличения скорости, а следовательно, и момента количества движения воздуха, направляемого ротором вниз. Соотношение между вертикальной тягой, диаметром винта, плотностью воздуха и качеством винта Ш определяется выражением1

тора, а. с.; К — радиус несущего винта, м\ М — качество винта (М = 1 для идеальной лопасти); р —г плотность воздуха, кг/м3.

Приведенная формула имеет значение для расчета си­ стемы в нескольких аспектах: во-первых, легко видеть, что при неизменной входной мощности увеличенную подъемную силу можно получить, если увеличить радиус

несущего винта; этот путь был использован на начальной стадии экспериментов, чтобы сбалансировать сравнитель­ но малую мощность и большой вес первых вариантов ректенны и электродвигателя. Формула показывает также, что подъемная сила винта сравнительно слабо зависит от плотности воздуха. На практике это означает, что верто­ лет, летящий на высоте 3000 м, имеет почти такую же

Мощность,вт

Ф и г. 7. Подъемная сила несущего впита вертолета в зави­ симости от мощности на валу.

--------- экспериментальные д а н н ы е ;-------------расчетные данные при стояниоП величине ЛГ.

подъемную силу, что и на уровне моря, и даже на высоте 15 км подъемная сила будет всего вдвое меньше, чем на уровне моря.

Множитель М называют качеством винта. У очень хороших винтов иногда достигается М = 0,75, для чего используют переменное сечение и скрученные поверх­ ности лопасти, а также .режим с максимальным аэроди­ намическим качеством. У простых винтов эксперименталь­ ного вертолета, работающего на энергии СВЧ, величина М приблизительно равнялась 0,55.

Формула (1) показывает, что при заданной конструк­ ции винта подъемная сила пропорциональна мощности на валу в степени 2/3. Кривая зависимости подъемной силы от мощности на валу экспериментального вертолета, работающего на энергии СВЧ, представлена на фиг. 7. Там же дана теоретическая кривая (штриховая линия).

Вследствие ограниченной мощности возбуждения на дан­ ном винте вертолета были получены подъемные силы до 3,6 кг, однако другие аналогичные винты успешно вы­ держивали испытания при подъемных силах до 6 кг. Вполне возможно, что такие винты смогут работать при мощности 1 л. с. на валу и развивать подъемную силу около 9 кг.

Винт экспериментального вертолета имел стандартный профиль 0015(НАСА), диаметр 19,2 м н хорду 64 мм. Лопасти изготавливали нз пластинок бальзового дерева, закрепленных на алюминиевом лонжероне. Полный вес

относительно СВЧ-луча

Для вертолета, работающего па энергии СВЧ, очень важно сохранять соответствующее положение относи­ тельно СВЧ-луча. Возможности аппарата, в котором эта задача решается при помощи растяжек, весьма ограни­ чены, итакой аппарат, вероятно, не найдет практического применения. Если же аппарат будет способен сам поддер­ живать нужное положение относительно СВЧ-луча [21, то он сможет свободно двигаться по лучу вверх и вниз и сохранять свое положение без помощи специальных растя­ жек. Аппарат, обладающий таким свойством, сейчас раз­ рабатывается.

Для создания вертолета, обладающего операционной устойчивостью и стабилизацией положения, вертикаль­ ный СВЧ-луч особенно важен как элемент, позволяющий получать различные опорные сигналы. Вертолет имеет шесть степеней свободы: три — перемещение по осям и три — вращение относительно этих осей. Немодулированный СВЧ-луч обеспечивает возможность измерения положения вертолета при его движении по пяти из этих степеней свободы. Шестая степень свободы, для которой нельзя получить непосредственного отсчета с помощью СВЧ луча, — высота вертолета.

О перемещении в горизонтальной плоскости можно су­ дить, конечно, по интенсивности СВЧ луча, которая сни­

жается в радиальном направлении от оси луча. Фазовый фронт луча, проходящий под прямым углом к оси луча, служит «горизонтом» для измерения крена и тангажа.

Ф и г. 8. Расположение пяти датчиков на вертолете, сохра­ няющем свое положение относительно СВЧ-луча.

Поляризация луча позволяет определить смещение но рысканию (вращение относительно оси 2). На фиг. 8 показано, как при помощи диполей или других датчиков воспринимаются перемещения по всем пяти степеням сво­

боды. Перемещения по осям X и V и рыскание измеряются вычислением выходов фазоиечувствительных диполей, а креп и тангаж определяют путем сравнения фаз на выхо­ дах двух диполей.

Эти смещения, измеренные относительно задаваемоголучом опорного положения, используются в цепях обрат­ ной связи для стабилизации положения вертолета. Наи­ более сложны системы управления по тангажу и оси X , а также по крену и оси У, так как эти движения тесно связаны между собой.

Очень важно знать, насколько устойчиво вертолет способен сохранять свое положение относительно луча и восстанавливать его после резкого увеличения или уменьшения силы сноса, вызванного изменением скорости ветра. Проведенные недавно расчеты показывают, что небольшой вертолет может быть удивительно устойчи­ вым аппаратом, хорошо подчиняющимся системе управ­ ления.

Отметим далее, что вертолет, меняя свое горизонталь­ ное положение, обычно сначала выполняет маневр по крену или тангажу, чтобы изменить горизонтальную составляющую тяги винта. Такой маневр производится циклическим изменением угла атаки лопастей винта. При некоторой фиксированной степени «управления» или циклического изменения шага скорость по крену будет обратно пропорциональна масштабному коэффи­ циенту модели вертолета. Это означает, что вертолет с диаметром винта 1,8 м будет реагировать в шесть раз бы­ стрее, чем вертолет с диаметром винта 10,6 м. Таким об­ разом, можно ожидать, что вертолет меньших размеров

время реакции на ступенчатую функцию силы сноса со­ ставляет 1 сек относительно положения точки крайнего отклонения, в 1,15 раза превышающего стационарное значение. Если СВЧ-луч имеет в общем такие же размеры, как и в случае экспериментального вертолета, работаю­ щего на энергии СВЧ, то аппарат может сохранять свое положение в пределах десятка сантиметров от оси луча при значениях силы сноса, составляющих около 15% веса вертолета.

VI. Соотношение между конфигурацией системы и ее стоимостью

Учет экономических характеристик всей системы вер­ толета, работающего на энергии СВЧ, может существенно помочь при определении параметров системы. В случае легких вертолетов, несущих легкие устройства связи или наблюдения (весьма вероятно, что развитие пойдет снача­ ла именно в этом направлении), диаметр приемной антен­ ны настолько мал, что для создания системы высокоэф­ фективной передачи энергии потребуется дорогостоящая наземная антенна очень большого диаметра. При расчете подобных систем сразу становится очевидным, что очень важно сделать минимальными затраты на наземную пе­ редающую станцию, обеспечивающую требуемую плот­ ность энергии на приемной антенне вертолета.

Определить эти минимальные затраты не очень труд­ но, если учесть, что общая стоимость наземной станции складывается из двух частей: стоимости антенны и стои­ мости энергии СВЧ. Оба этих слагаемых можно выразить как функции диаметра передающей системы. Если теперь сумму этих слагаемых продифференцировать и произ­ водную приравнять нулю, то мы найдем диаметр антенны для случая минимальной стоимости. Подставляя опти­ мальное значение диаметра в выражение для стоимости системы, мы получим величину минимальных расходов.

Но прежде чем проделать эту операцию, необходимо установить соотношение между требуемой мощностью СВЧ и диаметром антенны. Это соотношение определяется плотностью мощности, которую нужно получить на ректенне вертолета. Мы уже отмечали, что для легкого вертолета диаметр пятна от главного лепестка диаграммы должен быть в несколько раз больше диаметра ректенны. Отсюда следует, что ректенна по всему диаметру облучается с плотностью мощности, соответствующей максимуму рас­ пределения по функции Бесселя. Учитывая, что отноше­ ние максимального значения плотности мощности к сред­ нему в основном лепестке равно 3,6 и что в нем сосредото­ чено 64% всей передаваемой энергии, можно получить следующее выражение для зависимости между всей мощ-