一种临近空间飞行器能源问题解决方案_辛朝军

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一种临近空间飞行器能源问题解决方案

辛朝军　　金　星　　柯发伟

　　摘　要　针对当前临近空间飞

行器使用的能源解决方法所存在的不足,提出了在现有技术条件下利用无线输能技术作为临近空间飞行器的能源解决方法。重点分析了微波输能技术所涉及的关键技术及其成熟度,并设计了微波输能技术在临近空间飞行器技术中的应用方案。

器提供大量、可靠、持续的能源

供应,它是保证临近空间飞行器长时间、全天候工作,发挥其军事应用价值的基础。现阶段,讨论较多的是燃料电池方案和太阳能电池阵列方案,然而这两种方案有着明显的不足:

1)燃料电池虽然有着较高的能量转换效率(67%～80%),但燃料电池系统需要飞行器携带燃料箱、电解器、温度控制系统等相关设备,对飞行器系统提出了较高的要求;

2)现有的太阳能电池转换效率较低(≤24.2%),要保证飞行器有充足的能量供应,必须携带大量的太阳能电池板,同时由于受白天黑夜的限制,这种方案很难满足飞行器长时间不间断工作的要求。

能量瓶颈的限制制约着临近空间飞行器技术的发展,并对能源问题解决方案的改变提出了迫切的要求,针对这种需求,本文提出了临近空间飞行器能源问题的无线输能解决方案。无线输能包括微波输能和激光输能两种技术,主要分析微波输能各关键技术的成熟度,讨论将微波输能技

术应用于临近空间飞行器的可行性,并设计出较合理的应用方案。

1　微波输能技术

微波输能(MicrowavePowerTransmission,MPT)是指将能量以微波的形式,通过真空或地球大气,不借助导线或其它任何介质,实现点对点之间高效的电能传输

[2]

　　关键词　临近空间　　临近空

间飞行器　　微波输能

引　言

临近空间(near-space)是指海拔高度在20km～100km的空间区域,是人类迄今为止尚未开发利用的空间资源。临近空间飞行器是指能够在临近空间区域进行飞行作业的空间飞行器。通过携带不同的有效载荷,临近空间飞行器能够在通信保障、情报收集、远程打击、快速突防、电子压制、侦察监视和预警等方面具有重要的军事价值。

由于所处空间位置和自然环境的特殊性,临近空间飞行器技术的发展受到动力、能源、材料等技术的限制,而其中最关键、最迫切需要解决的瓶颈技术之一就是能源技术。临近空间飞行器的能源技术必须为临近空间飞行

[1]

。而将MPT技术应用于

临近空间飞行器有着很大的技术

优势:

1)MPT系统中,能量的传输速度为光速,其传输方式和大小可以迅速改变,且能量的传输不受地球引力的影响;

2)微波在真空中传播没有损耗,在大气中传输损耗也可以降到很小,约3%左右;

3)由于MPT系统的发射端置于地面,因而不受质量和体积的限制,同时,安装在飞行器上的能量转换设备可以做得很轻,在很大程度上降低了飞行器的结构质量。

当前对微波输能技术研究较多的主要是美国、加拿大、日本

[3]

等,研究方向主要集中在

基金项目:国家863项目本文2009-04-03收到,作者分别系装备指挥技术学院助教、博士生导师、硕士

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地对地和地对空的能量输送方面,据称,将微波输能应用于临近空间飞行器技术尚没有见到相关的文献报道。

MPT系统的关键技术包括微波功率发生器、发射天线、整流天线三部分,衡量各关键技术的主要性能参数分别为输出功率大小和能量转换效率的高低,下面将逐一讨论MPT的各关键技术。

1.1　微波功率发生器

能够完成将直流电转换为微波这一功能的器件非常多,主要包括磁控管、速调管、行波管、半导体器件、混合型器件等,其中磁控管的能量转换效率最高,可以达到80%以上,最高可达到

[4]

86%。在5.8GHz下工作的电子管发射机采用锁相磁控管直接放大器后,其能量转换效率可达85.5%。美国能源部的研究表明,用于微波炉的商用磁控管外加无源电路可作为锁相、高增益放大器(30dB)直接用于相控阵的辐射单元,这种磁控管不但技术成熟,而且造价非常便宜,每只不超过15美元。因此,对于MPT系统而言,磁控管是作为微波功率发生器的一个较好的选择。加拿大SHARP计划和1987年的实验,以及日本1994—1995年期间由京都大学、神户大学等研究机构所做的MPT实验中,均采用磁控管作为微波功率发生器

[5]

D为微波在自由空间的传输距离,A、Atr分别为发射天线和接收天线的面积,λ代表工作波长,故距离D增大的效应可由A、A的增加或λ的减少来补偿。tr在MPT系统中,由于发射天线安置在地面,没有体积、质量和形状等因素的限制,利用现有的技术,或者将现有技术加以改善、集成,就可以实现极化方向控制与跟踪等功能,满足临近空间飞行器的需要。

已有的MPT实验中,大都

[6]

采用的是抛物面天线,因为这种发射天线技术最为成熟,但是使用抛物面天线往往会导致其口径非常大,在增大加工难度的同时,也降低了其聚焦能力及机动性,从而导致了发射效率的降低。日本的MILAX计划和加拿大SHARP计划中曾采用这种天线技术发射微波。对于向临近空间输送能量的MPT系统,由于工作平台会发生漂移或倾斜,在目前的技术条件下,除了选用抛

物面天线外,还可选用对波束控制比较好的相控阵天线作为MPT系统的发射天线。1.3　整流天线

整流天线是微波输能系统的核心技术,它的功能是将接收到的微波能量转换为直流电能。整流天线由接收天线和整流电路两部分组成,如图1所示,接收天线接收发射天线辐射的微波能量,整流电路将微波能量转换为直流电能。

通常整流天线都是由整流天线单元通过一定的组阵方式组阵构成,整流天线单元的不同排列方式以及极化方式均会对整流天线阵列的能量转化效率和输出功

[7]

率产生不同程度的影响,如表1所示。

同时,在不同频率下工作的整流天线的能量转化效率也有所不同,目前见于文献的工作在2.45GHz下整流天线的最高转换效率为91%以上,工作在5.8GHz下的整流天线的最高转

表1　平面整流天线性能

接收天线类型工作频率/GH最大转换效率/%最大输出功率/W极化方式印刷偶极子圆形贴片

印刷偶极子印刷双菱环圆形贴片印刷偶极子方形贴片

2.452.452.455.615.85.88.51

8581

70787682.766

5510.08430.0520.065

线极化双极化

双极化圆极化线极化线极化双极化

。

1.2　发射天线

微波在自由空间的传输效率不与传输距离直接有关,而是由(A·A)/(λ·D)决定,其中,tr1/2

期

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化效率为82%,单元输出功率50mW。另一方面,随着工作频率的提高,整流天线的结构可

[9]

以进一步小型化。这种形式的整流天线可以制作在很轻的有机薄膜上,极易实现与飞行器表面的共形,同时也可以大大降低整流天线的结构质量和制作成本,非常适合于临近空间飞行器。应用于临近空间飞行器的整流天线的选择应该从需求、极化方式、工作频率、安全性等多方面统筹考虑。整流天线由于安装于飞行器的底部表面,而飞行器则处于准静止状态,位置可能发生转动或漂移,因此,可以选择对极化方向要求不是很苛刻的圆极化形式。同时,为了尽可能降低整流天线的结构质量,在微波频率的选择上应该选用较高的频率。

MPT技术是一个综合性的课题,它不仅包括高功率微波的产生、发射和接收等问题,而且还涉及生态、环境、电磁兼容等许多相关学科。从目前MPT系统关键技术的发展来看,将MPT技术应用于临近空间飞行器技术在原理上是完全可行的,但仍然需要技术工作者在技术层面上继续研究解决在实用化方面的诸多实际问题。2　应用方案设计

通过对MPT关键技术的分析,设计了如下将MPT技术应用于临近空间飞行器应用方案。临近空间飞行器飞行高度为25km,为临近空间的底部区域,飞行器处于准静态,对微波束的[8]

跟踪和定位要求不高。设计目的为求取在现有技术条件下,如何使应用于临近空间飞行器的

MPT系统获得最大系统能量转换效率。

微波功率发生器采用磁控管,效率为86%。因发射天线置于地面,对形状、体积无要求,功能上要求具有高聚焦能力,因此发射天线用口径70m的抛物面天线(2.45GHz频段抛物面天线口径可以做到70m,增益62dB),发射天线的效率为65%,波束宽度为0.11°;同时,设微波在自由空间传输的效率为97.9%。

整流天线系统收发天线均采用圆极化形式。整流天线的材料是一般的介质覆铜板,介电常数2.78,厚度0.8mm。单元边长35.5cm,增益6.5dB,天线单元有效面积53cm。采用当前较易实现的整流天线阵列转换效率为70%。MPT系统示意图如图2所示。

下面分别讨论在2.45GHz和5.8GHz两个频段MPT技术的应用情况。在2.45GHz频段,当飞行器处的功率密度达到50mW/cm时,地面发射功率为2500kW,飞行器要获得1kW的能量,需要整流天线面积2.9m,系统的能量转换效率0.04%。当飞行器处的功率密度为20mW/cm时,地面发射功率为1000kW,要获得1kW的能量,需要整流天线面积7.2m,系统的能量转换效率0.1%。表2列出了不同功率密度下整流天线面积和对应的系

2

2

2

2

2

统能量转换效率。由该表可见,如果接收端功率密度降低,那么所需整流天线阵列面积增加,系

统能量转换效率也增加。在这样一个输能系统中,25%是极限值,这是因为,在收发距离和整流效率一定的情况下,如果要提高系统能量转换效率,可以通过提高发射天线增益和增大接收天线有效面积来实现。接收面积越大,获得的直流电功率和整体转换效率越高,但当接收面积达半功率面积时,再通过增大接收天线面积来提高整体转换效率已经比较困难了,只有提高发射天线增益,即提高发射天线的聚焦能力来实现。

在5.8GHz频段,发射功率为500kW时,在飞行器处可以得到50mW/cm的功率密度。整流天线面积与得到的直流电功率和对应的系统能量转换效率列

2

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表2　2.45GHz整流天线面积与系统能量转换效率比较

直流电功率/kW整流天线面积/m2

整流天线质量/kg系统能量转换效率/%

功率密度50mW/cm2

634501011810626325

1434952

291000.4

2.9

100.04

功率密度20mW/cm2

2535010118103606263124625

5

722491

7.2250.1

ca,2006(2):31～34

[2]　JaehwanK,Sang-YeolY,KyoD

Song,etal.Microwavepowertransmissionusingaflexiblerect-ennaformicrowave-poweredaeri-alvehicles.SmartMaterialsandStructures,2006(15):1243～

表3　5.8GHz整流天线面积与系统能量转换效率比较直流电功率/kW整流天线面积/m2

整流天线质量/kg系统能量转换效率/%

功率密度50mW/cm2

12050

345119424

14349510

10291002

12.9100.2

1248

[3]　WilliamC,Brown.Thehistoryof

wirelesspowertransmission.So-larEnergy,1996(1):3～21

[4]　李天明,李家胤,于秀云等.影

响相对论磁控管效率的因素分析.电子学报,2006(9):1721～1725

于表3。

　　表3第一列中整流天线的面

积为波束的半功率面积,系统能量转换效率为

2

件,则系统效率将会超过40%,完全能够提供充足的能量供临近飞行器上各系统使用,因此,将MPT系统作为临近空间飞行器的能源技术是非常有价值和有吸引力的。3　结　论

将MPT技术应用于临近空间飞行器技术,能够较好的解决能源瓶颈对临近空间飞行器技术发展的约束,促进临近空间技术的快速发展。MPT系统中各关键技术的迅猛发展使该技术的应用成为可能。同时,MPT技术的诸多优点也已经引起了相关研究领域人员的注意,并着手进行研究,相信在不远的将来,MPT技术将在临近空间飞行器技术的发展过程中发挥巨大的促进作用。

参考文献

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NearSpace.AerospaceAmeri-

[5]　GreggE,Maryniak.Statusofin-ternationalexperimentationinwirelesspowertransmission.So-larenergy,1996(1):87～91

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[9]　YoshiyukiF.DevelopmentofaC

bandrectennaformicrowavepowertransmissiontowardaspacerobot.ActaAstronautica,2002(5):295～300

24%,与

2.45GHz类似,但整流天线面积减小为345m。比较表2和表3,

可以看出频率为5.8GHz时,在接收功率密度相同条件下,得到相同直流电功率的系统能量转换效率提高了5倍。而当接收端功率密度为20mW/m时,得到1kW直流功率的系统能量转换效率为1%。

通过上面的设计可以看出,该MPT系统的最高系统能量转换效率可达25%,但MPT系统对接收天线的面积需求非常大,这主要是目前微波发射系统的聚焦能力较低,以及整流天线整流效率低等原因造成的。值得注意的是,该方案中采用的器件效率的取值偏于保守,如果通过系统优化,在MPT系统中的每个环节均采用当前转换效率最高的器

2

期