RU2335060C1

RU2335060C1 - Method of providing power supply of electrodynamic flying vehicles

Info

Publication number: RU2335060C1
Application number: RU2007107895/11A
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Клюев (RU); Владимир Владимирович Клюев; Валерий Григорьевич Запускалов (RU); Валерий Григорьевич Запускалов; Владимир Иванович Матвеев (RU); Владимир Иванович Матвеев
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-27

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to remote transfer and conversion of super-high-frequency energy into DC electrical power. The proposed method consists in fitting an aluminium foil enclosure on over the entire surface of the vehicle airframe skin. The super-high-frequency converter is made in a material representing a mix of two chemical solid-state components with grain size not over 30 to 50 microns, taken in equal proportion but different atomic numbers, and forming, when combined, a dipole solid-state matrix. Note that the said bi-component mix is applied uniformly onto the said skin enclosure, the like poles of the dipole matrix being combined and connected to appropriate terminals of the vehicle flight control components.

EFFECT: higher efficiency power supply.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной энергии в электрическую энергию постоянного тока, предназначенную для обеспечения воздухоплавания аппаратов типа вертолетов, самолетов, зондов и др., действующих при приложении к аппаратам профилированного электрического поля и используемых при наблюдении за состоянием термодинамики атмосферы, обнаружении чрезвычайных ситуаций, катастроф, стихийных бедствий и других природных и техногенных аномалий.The invention relates to techniques for remote transmission and conversion of microwave energy into direct current electric energy, designed to provide aeronautics of devices such as helicopters, airplanes, probes, etc., operating when a profiled electric field is applied to devices and used to monitor the state of atmospheric thermodynamics and detect emergency situations, disasters, natural disasters and other natural and man-made anomalies.

Известны способы энергообеспечения электродинамических летательных аппаратов, заключающиеся в том, что движение аппарату создают за счет электрического напряжения, подаваемого на электроды летательного аппарата, один из которых выполнен в виде прямолинейного тонкого стержня, другой - в виде системы, состоящей из отдельных элементов, соединенных между собой электрически, и источник питания (эффект Брауна) [патент США №3187206, НКИ 310-5 (копия аналога прилагается].Known methods for energy supply of electrodynamic aircraft, consisting in the fact that the movement of the device is created due to the electrical voltage supplied to the electrodes of the aircraft, one of which is made in the form of a straight thin rod, the other in the form of a system consisting of separate elements interconnected electrically, and a power source (Brown effect) [US patent No. 3187206, NKI 310-5 (a copy of the analogue is attached].

Эти весьма перспективные способы энергосберегающие, однако без энергетической подпитки их эксплуатационная возможность ограничена, а следовательно, время пребывания их в пространстве также ограничено.These very promising methods are energy-saving, but without energy recharge their operational ability is limited, and therefore, their residence time in space is also limited.

Известны способы энергообеспечения летательных аппаратов, заключающиеся в посылке сверхвысокочастотной энергии, восприятии сверхвысокочастотной энергии, посылаемой с наземного источника, преобразовании этой энергии в энергию постоянного тока [СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА. Под ред. Э.ОКРЕСС. Том 1. Генерирование. Передача, Выпрямление. Под ред. Э.Д.Шлифера. Изд. «Мир». М., 1971 // Передача пучков электромагнитных волн в свободном пространстве. Губо, Шверинг. С.331-387 (аналог прилагается)].Known methods of energy supply of aircraft, which include sending microwave energy, the perception of microwave energy sent from a ground source, converting this energy into direct current energy [microwave energy. Ed. E. OKRESS. Volume 1. Generation. Transmission, Straightening. Ed. E.D.Schlifer. Ed. "Peace". M., 1971 // Transmission of beams of electromagnetic waves in free space. Gubo, Schwering. S.331-387 (analogue attached)].

Коэффициент передачи сверхвысокочастотной энергии даже с помощью параболических антенн диаметром до 30,5 м составляет не более 18% при расстоянии передачи 22 м. Поэтому использование такого канала дорого и нерентабельно.The transmission coefficient of microwave energy even with parabolic antennas with a diameter of up to 30.5 m is not more than 18% at a transmission distance of 22 m. Therefore, the use of such a channel is expensive and unprofitable.

Наиболее рентабельным к заявляемому изобретению является система энергообеспечения летательных электродинамических аппаратов, содержащая наземный источник сверхвысокочастотной энергии и передающую антенну, формирующую энергию в узкий пучок, приемную антенну на летательном аппарате, преобразователь сверхвысокочастотной энергии в энергию постоянного тока [СВЧ-ЭНЕРГЕТИКА. Под ред. Э.ОКРЕССА. Том 3. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике. Под ред. Э.Д.Шлифера. Изд. «Мир» М., 1971. Питание аэрокосмических летательных аппаратов энергией СВЧ. Браун. С.77-88 (прототип представлен)].The most cost-effective to the claimed invention is a power supply system for aircraft electrodynamic devices, containing a ground source of microwave energy and a transmitting antenna that generates energy in a narrow beam, a receiving antenna on an aircraft, a converter of microwave energy into DC energy [microwave energy. Ed. E. OCRESS. Volume 3. The use of microwave energy in medicine, science and technology. Ed. E.D.Schlifer. Ed. "Mir" M., 1971. Power aerospace aircraft with microwave energy. Brown S.77-88 (prototype submitted)].

Недостатком способа является необходимость создания приемной антенны на летательном аппарате большой площади для продления эксплуатационного ресурса в воздухе, однако большая площадь приемной антенны создает большое ветряное давление на аппарат, а для стабилизации его положения в воздухе необходима дополнительная энергия. Кроме того, приемная антенна должна быть сфокусирована в сторону излучающей антенны.The disadvantage of this method is the need to create a receiving antenna on an aircraft of a large area to extend the operating life in the air, however, a large area of the receiving antenna creates a large wind pressure on the device, and additional energy is needed to stabilize its position in the air. In addition, the receiving antenna should be focused towards the radiating antenna.

Сущность способа энергообеспечения летательных электродинамических аппаратов заключается в том, что излучают с внешнего источника сверхвысокочастотную энергию, принимают эту энергию на борт летательного аппарата, преобразуют ее на борту в энергию постоянного тока и используют последнюю для стабилизации питания элементов управления полетом и устройств контроля режимами полета, которые размещают под диэлектрической обшивкой аппарата, вводят оболочку из алюминиевой фольги и закрепляют ее по всей внешней поверхности обшивки аппарата, а преобразователь сверхвысокочастотной энергии выполняют из материала, представляющего собой смесь двух химических полупроводниковых компонентов грануляцией не более 30...50 мкм, взятых в равных пропорциях, но с разными атомными номерами, образующих совместно дипольную полупроводниковую матрицу, при этом двухкомпонентную смесь наносят равномерно в виде покрытия на поверхность оболочки толщиной в 2...3 раза больше, чем размер гранул компонентов, причем одноименные полюса диполей матрицы объединяют между собой и подключают их к соответствующим клеммам элементов управления полетом аппарата и устройствам контроля режимом полета.The essence of the method of energy supply for flying electrodynamic devices is that they emit microwave energy from an external source, take this energy on board the aircraft, convert it on board into direct current energy and use the latter to stabilize the power of flight control elements and flight mode control devices, which placed under the dielectric sheathing of the apparatus, enter the shell of aluminum foil and fix it over the entire outer surface of the sheathing of the apparatus, and the microwave energy converter is made of a material that is a mixture of two chemical semiconductor components with granulation of no more than 30 ... 50 microns, taken in equal proportions, but with different atomic numbers, forming a joint dipole semiconductor matrix, while the two-component mixture is applied uniformly in the form coatings on the surface of the shell 2 ... 3 times thicker than the size of the granules of the components, the poles of the dipoles of the matrix of the same name being joined together and connected to the corresponding the control terminals of the flight controls of the device and control devices for the flight mode.

Преимуществом предложенного технического решения является простая технология энергообеспечения, позволяющая продлить нахождение аппарата в воздушном полете длительно. Непрерывность энергетического контакта передающей и принимающей антенн в независимости от ориентации аппарата в пространстве позволяет увеличить коэффициент полезного действия системы за счет развитой эффективной поверхности преобразователя, совмещающей функции приемной антенны.The advantage of the proposed technical solution is a simple technology of energy supply, allowing to extend the location of the device in air flight for a long time. The continuity of the energy contact of the transmitting and receiving antennas, regardless of the orientation of the device in space, allows to increase the efficiency of the system due to the developed effective surface of the converter, combining the functions of the receiving antenna.

На фиг.1 показана схема системы энергообеспечения летательного аппарата с наземной станции сверхвысокочастотной (СВЧ) энергией, реализующей способ; на фиг.2 - сечение обшивки аппарата фиг.1.Figure 1 shows a diagram of a power supply system of an aircraft with a ground station microwave energy, implementing the method; figure 2 is a cross section of the skin of the apparatus of figure 1.

Схема, реализующая способ, подтверждает статику его работоспособности. Схема содержит наземный источник 1 СВЧ энергии с антенной 2 излучения СВЧ-энергии, летательный аппарат 3 с элементами управления и контроля (не показаны), питаемыми от аккумулятора и находящимися внутри конструкции аппарата 3 под диэлектрической обшивкой 4, оболочка 5 из алюминиевой фольги и преобразователь 6 СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока, предназначенную для электрического питания элементов управления и контроля полетом и другими функциями аппарата 3.The circuit that implements the method confirms the statics of its performance. The circuit contains a ground-based microwave energy source 1 with microwave radiation antenna 2, an aircraft 3 with control and monitoring elements (not shown), powered by a battery and located inside the apparatus 3 under dielectric sheathing 4, an aluminum foil sheath 5 and a transducer 6 Microwave energy into direct current electric energy intended for electric power supply of control elements and flight control and other functions of the device 3.

Оболочка 5 выполнена из алюминиевой фольги. Предложенный материал, с одной стороны, обладает большой электропроводностью, малым весом, а круговое расположение оболочки 5 на обшивке 4 позволяет обеспечить более полное отражение энергии от поверхности оболочки 5 в преобразователь 6. Оболочку 5 либо приклеивают к обшивке 4, либо закрепляют не ней другим способом.Shell 5 is made of aluminum foil. The proposed material, on the one hand, has a large electrical conductivity, low weight, and the circular arrangement of the shell 5 on the casing 4 allows for a more complete reflection of the energy from the surface of the shell 5 into the transducer 6. The shell 5 is either glued to the casing 4 or fixed in another way .

Полупроводниковый преобразователь 6 выполняет функции одновременно приемной антенны и преобразователя СВЧ-энергии в энергию постоянного тока.The semiconductor converter 6 performs the functions of both a receiving antenna and a converter of microwave energy into direct current energy.

Преобразователь 6 выполнен из полупроводниковой смеси, состоящей из двух полупроводниковых компонентов с грануляцией не более 30...50 мкм каждый. Один из компонентов имеет атомный номер больше по величине, чем атомный номер второго компонента. В качестве компонентов могут быть, например, материалы галлий (Ga³¹) с атомным номером 31 и мышьяк (As³³) с атомным номером 33 или другие пары: галлий - сурьма; кадмий - теллур и т.д. Сочетание двух полупроводниковых компонентов позволяет автоматически обеспечить дипольную выпрямительную матрицу, положительные и отрицательные полюса зарядов которой соединены с соответствующими клеммами механизма управления и контроля режимом полета аппарата 3. Эту смесь наносят в виде покрытия на поверхность оболочки 5, например, методом плазменного или газопламенного напыления толщиной примерно в 2...3 раза больше, чем размер грануляции зерен компонентов. Процесс напыления указанными методами не нарушает структуру материала оболочки 5, поскольку практика показывает, что эти методы применимы для нанесения покрытий на любые материалы, даже на бумажные подложки.The transducer 6 is made of a semiconductor mixture consisting of two semiconductor components with granulation of not more than 30 ... 50 μm each. One of the components has an atomic number larger than the atomic number of the second component. As components, for example, can be gallium materials (Ga ³¹ ) with atomic number 31 and arsenic (As ³³ ) with atomic number 33 or other pairs: gallium - antimony; cadmium - tellurium, etc. The combination of two semiconductor components allows you to automatically provide a dipole rectifier matrix, the positive and negative pole of the charges of which are connected to the corresponding terminals of the control mechanism and control the flight mode of the apparatus 3. This mixture is applied in the form of a coating on the surface of the shell 5, for example, by plasma or flame spraying with a thickness of approximately 2 ... 3 times larger than the granulation size of the component grains. The spraying process using these methods does not violate the structure of the material of the sheath 5, since practice shows that these methods are applicable for coating any materials, even paper substrates.

Наличие полупроводникового преобразователя 6 обеспечивает эффективное преобразование СВЧ-энергии в энергию постоянного тока, а оболочка 5 из алюминиевой фольги позволяет увеличить мощность преобразования СВЧ-энергии в 1,75 раза за счет прямого прохождения СВЧ-энергии через преобразователь 6 и обратного прохождения СВЧ-энергии через преобразователь 6, отраженной от материала оболочки 5 [см. стр.386 приведенного аналога].The presence of a semiconductor converter 6 provides an efficient conversion of microwave energy into direct current energy, and an aluminum foil sheath 5 makes it possible to increase the conversion power of microwave energy by 1.75 times due to the direct passage of microwave energy through converter 6 and the reverse passage of microwave energy through a transducer 6 reflected from the material of the sheath 5 [see p. 386 of the cited analogue].

Указанные свойства материала оболочки 5 и преобразователя 6 вместе повышают коэффициент полезного действия системы.The indicated properties of the material of the shell 5 and the transducer 6 together increase the efficiency of the system.

Работа системыSystem operation

Летательный аппарат 3 стартует с земной поверхности за счет собственных энергоресурсов, обеспечиваемых автономным источником питания, например аккумулятором. После набора заданной высоты аппаратом 3 включается система его энергообеспечения, продлевающая эксплуатационную жизнеспособность аппарата 3. С наземного источника 1 СВЧ-колебаний излучается энергия передающей антенной 2 заданных параметров. Это излучение поступает на преобразователь 6 летательного аппарата 3, являющийся одновременно преобразователем и приемной антенной СВЧ-энергии. СВЧ-энергия принимается и преобразуется в преобразователе 6 борта аппарата в электрическую энергию постоянного тока, которая обеспечивает энергоснабжение элементов управления полетом аппарата 3, а также устройств контроля за режимом полета.Aircraft 3 starts from the earth's surface due to its own energy resources provided by an autonomous power source, such as a battery. After gaining a predetermined height by apparatus 3, its energy supply system is switched on, prolonging the operational viability of apparatus 3. Energy is transmitted from a ground source 1 of microwave oscillations by a transmitting antenna 2 of predetermined parameters. This radiation enters the transducer 6 of the aircraft 3, which is both the transducer and the receiving antenna of microwave energy. Microwave energy is received and converted in the transformer 6 of the aircraft into direct current electric energy, which provides power to the flight control elements of the device 3, as well as flight control devices.

Преимуществом предложенного технического решения является простая технология способа энергообеспечения, позволяющая продлить нахождение аппарата в воздушном полете длительно. Непрерывность энергетического контакта передающей и принимающей антенн в независимости от ориентации аппарата в пространстве позволяет увеличить коэффициент полезного действия системы за счет развитой эффективной поверхности преобразователя.The advantage of the proposed technical solution is the simple technology of the method of energy supply, which allows to extend the location of the device in air flight for a long time. The continuity of the energy contact of the transmitting and receiving antennas, regardless of the orientation of the device in space, allows to increase the efficiency of the system due to the developed effective surface of the converter.

Claims

The method of energy supply of aircraft electrodynamic devices, which consists in the fact that they emit microwave energy from an external source, take this energy on board the aircraft, convert it on board into direct current energy and use the latter to stabilize the power of flight control elements and flight mode control devices, which placed under the dielectric sheathing of the apparatus, characterized in that the shell is made of aluminum foil and fasten it along the entire outer surface of the sheath the willows of the apparatus, and the microwave energy converter is made of a material that is a mixture of two chemical semiconductor components with granulation of no more than 30 ... 50 microns, taken in equal proportions, but with different atomic numbers, which together form a dipole semiconductor matrix, while the two-component mixture is applied uniformly in the form of a coating on the surface of the shell 2 ... 3 times thicker than the size of the granules of the components, the poles of the dipoles of the matrix of the same name being joined together and connected and x to the corresponding terminals of the flight controls of the device and control devices flight mode.