СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Название	СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ
Разработчик (Авторы)	Трифанов Иван Васильевич, Мелкозеров Максим Геннадьевич, Трифанов Владимир Иванович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2746355
Дата регистрации	12 апреля 2021 г.
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева» (СибГУ им. М.Ф. Решетнева)
Область применения (класс МПК)	H02M 7/00 (2006.01) H01L 31/00 (2006.01) B64G 1/00 (2006.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к технике дистанционной передачи и преобразования сверхвысокочастотной энергии в электрическую энергию постоянного тока, предназначенную для энергообеспечения аэрокосмических летательных аппаратов, космических аппаратов, а также других энергетических объектов.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей системы, позволяющее осуществлять энергообеспечение аэрокосмических электродинамических летательных аппаратов, при высоких температурах и воздействии радиации, а также повышение надежности и КПД системы преобразования СВЧ-энергии в постоянный ток.

Поставленная задача решается тем, что система энергообеспечения аэрокосмических летательных электродинамических аппаратов, содержащая: источник сверхвысокочастотной энергии со средствами ее излучения; летательный аппарат овальной формы с элементами управления и контроля полетом аппарата, размещенными под его диэлектрической обшивкой, на поверхность диэлектрической обшивки нанесена оболочка из алюминиевой фольги и преобразователь СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока, выполненный в виде полупроводниковой матрицы, изготовленной из смеси двух химических полупроводниковых компонентов, нанесенной в виде покрытия на поверхность алюминиевой фольги, согласно изобретению дополнительно содержит поглотитель СВЧ-энергии и усилитель энергии электронов, выполненный в виде композитного покрытия, содержащего графеновую пленку и углеродные нанотрубки, модифицированные ферромагнитными наночастицами и нанесен на токопроводящий слой, выполненный из подслоя токопроводящего металла и подслоя переходного металла, контактирующий с полупроводниковой матрицей, а полупроводниковая матрица преобразователя СВЧ-энергии изготовлена из смеси компонентов в виде гранул карбида кремния и нитрида галлия, легированных примесями, обеспечивающими формирование различного типа проводимости у компонентов смеси при предельной рабочей температуре 600-700°С.

Карбид кремния легируют галлием, а нитрид галлия легируют кремнием.

Энергетический канал передачи СВЧ-энергии к полупроводниковой матрице преобразователя СВЧ-энергии в электрический ток, расположенной внутри корпуса летательного аппарата, выполнен в виде окон из радиопрозрачного синтетического алмаза, размещенных в стенке корпуса летательного аппарата, при этом их наружная сторона покрыта слоем композитного покрытия поглотителя СВЧ-энергии и усилителя энергии электронов, выполненного из графеновой пленки и углеродных нанотрубок, модифицированных ферромагнитными наночастицами.

Графеновая пленка композитного покрытия преобразователя СВЧ-энергии выполнена толщиной 100 нм.

Слой углеродных нанотрубок с диаметром 10…80 нм композитного покрытия преобразователя СВЧ-энергии выполнен толщиной 120 мкм.

Источник сверхвысокочастотной энергии содержит многолучевое средство излучения, позволяющее регулировать диаграмму направленности на облучаемой поверхности.

Технический результат изобретения обусловлен тем, что для повышения эффективности и надежности преобразования СВЧ-энергии в постоянный электрический ток, для поглощения СВЧ-энергии применено гибридное композитное покрытие, на основе пленки графена толщиной 100 нм, выращенной на металлическом основании, сформированном в виде пленки, на котором выращен массив нанотрубок толщиной 120 мкм, модифицированных наночастицами, повышающими поглощение СВЧ-энергии, например, ферромагнитными наночастицами. (см. Патент RU 2548989, Способ получения гибрида графена и углеродных нанотрубок / Матвеев В.И., Короненко О.В., Левашов В.И. и др., опубл. 06.04.2015). Кроме того, технический результат обусловлен применением в качестве преобразователя СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока полупроводниковой матрицы, изготовленной из смеси двух химических полупроводниковых компонентов.

В наноуглеродных композитах включаются сложные механизмы поглощения СВЧ-энергии, обусловленные разными факторами квазистатичных возбуждений, которые сопровождаются переносом заряда. Многослойный СВЧ-поглотитель из гибрида графена и углеродные нанотрубки (УНТ) обладает хорошими полупроводниковыми свойствами с проводимостью носителя заряда выше 10⁵ см²/В⋅с и допустимой нагрузкой по току 10⁹ А/см.

Глубина проникновения электронов в углеродную матрицу Н:

где A, Z - атомный вес и номер химического элемента, Е₀ - энергия первичных электронов, E₀=eU, где е - заряд электрона, U - напряжение электрического поля, ρ - электронная плотность.

Наибольшая величина проникновения внутрь углеродной матрицы составляет чуть более 1 мкм (см. Родионов В.В. Механизм взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродосодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук. Юго-западный государственный университет. Курск, 2015). УНТ с диаметром d=50-80 Нм и до 20-30 Нм исследовались в СВЧ широком диапазоне (12,6-40 ГГц). При этом была установлена важная роль величины скин-слоя, который, как показывают расчеты, может составлять 2,5-4,5 мм.

Скин-слой можно рассчитать по формуле:

где ƒ - частота электромагнитного излучения, ξ=μ₀⋅μ - магнитная проницаемость углеродного материала, μ₀ - магнитная постоянная, с - скорость света, ε₀ - электрическая постоянная, δ - электропроводность.

В целом на СВЧ-свойства углеродного материала существенное влияние оказывает степень упорядоченности углеродной матрицы нанокомпозита, что характерно для композитных материалов, обладающих пористостью (ε=μ≈1).

Введение ферромагнитных наночастиц в углеродную наноструктурированную матрицу увеличивает коэффициент СВЧ-поглощения, при этом поглощающая способность может возрастать с ростом частоты (см. Родионов В.В. Механизм взаимодействия СВЧ-излучения с наноструктурированными углеродосодержащими материалами. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физмат наук. Юго-западный государственный университет. Курск, 2015).

Известно, что теплопроводность нанотрубок и графена высокая (у графена - 560 Вт⋅м^-1K^-1, у нанотрубок - 900 Вт⋅м^-1K^-1). Они обладают хорошей электрической и термической проводимостью (300⋅10⁶ Вт⋅м²/K), малым термическим сопротивлением контакта (R=(0,2-70)10^-8M²K/Вт) (см. Алафердов А.В. Исследование процессов формирования и свойств структур на основе многослойного графена и многостенных углеродных трубок / Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. Нижний Новгород, 2016 г.). Графен демонстрирует максимальную подвижность электронов. Электроны в графене способны передвигаться на несколько микрометров не испытывая рассеяния. Транспортные свойства графена зависят от количества слоев. В отличие от однослойного графена, многослойный графен проявляет полупроводниковые свойства. Однако американские физики выяснили, что тонкие полоски графена являются своеобразными «шоссе» для электронов, по которому они могут пролетать несколько десятков микрометров, не испытывая сопротивления (см. Физики превратили графен в сверхскоростное «шоссе» для электронов/https://ria.ru/20140205/993292361.html)

Установлено, что при СВЧ-облучении возрастает термо-ЭДС графена в пределах 43±1 В/K, что может усиливать ток переноса СВЧ-энергии.

Таким образом, электрические и термические свойства графена будут способствовать повышению эффективности преобразования СВЧ-энергии в постоянный электрический ток при образовании гибридной углеродной наноструктуры (УНС) графена, выращенного на металлической основе, с УНТ, путем поглощения СВЧ-энергии и повышения интенсивности ее воздействия на полупроводниковую матрицу, преобразующую СВЧ-энергию в постоянный ток (см. Углеродное будущее электроники /https://www.ixbt.com/editorial/carbon.shtml).

Свойства химических компонентов полупроводниковой матрицы могут влиять на эффективность работы системы энергообеспечения аэрокосмического летательного аппарата.

К таким свойствам относится ширина запрещенной зоны полупроводников ΔW, которая может изменяться от 0,1 до 3,0 эВ, удельное сопротивление, которое может находиться в пределах r=10^-6 - 10^-9 Ом⋅м, рабочая температура, подвижность электронов и дырок и др. Например, арсенид галлия обладает шириной запрещенной зоны 1,43 эВ и может работать при температуре до 450°С (см. Основные параметры полупроводников/https://studopedia.su/9_33464_osnovnie-parametri-poluprovodnikov.html). что иногда не удовлетворяет требованиям работы системы электрообеспечения космического летательного аппарата.

Безинерциальными свойствами для всего СВЧ-диапазона частот обладают такие полупроводники, как карбид кремния, нитрид галлия и синтетические алмазы. Кроме того, эти полупроводники обладают высокой температурной и химической устойчивостью сохранения физических свойств при продолжительном СВЧ-облучении, а также радиационной стойкостью в космическом пространстве. Карбид кремния, например, обладает большой шириной запрещенной зоной ΔW=2,8-3,1эВ, термической устойчивостью при температурах до 600-700°С, может применяться при высоких мощностях СВЧ-излучения (см. А.Н. Комов. Перспективные полупроводниковые материалы для развития СВЧ и наноэлектроники. Вестник СамГУ - Естественная серия, Физика, 2014, №3(114), с 121-125). Тип проводимости карбида кремния и нитрида галлия зависят от модификации их примесей. Например, карбид кремния n-типа может быть легирован азотом или фосфором, а карбид кремния р-типа, может быть легирован с помощью алюминия, галлия, бора, бериллия (см. Карбид кремния/https://ru.wikipedia.org/wiki/Карбид_кремния). Нитрид галлия n-типа легируется кремнием либо кислородом, если он легируется магнием, то формирует полупроводник р-типа (см. https://ru.wikipedia.org/wiki/Нитрид_натрия). Высокая подвижность электронов нитрида галлия позволяет использовать его в СВЧ-электронике.

Перечисленные свойства карбида кремния, нитрида галлия открывают перспективу развития высокой температурной и радиационностойкой электроники, а также мощной СВЧ-электроники.

Обладая большей шириной запрещенной зоны, синтетический алмаз характеризуется самой высокой СВЧ-проводимостью, теплопроводимостью. В нем слабо проявляется эффект радиационных нарушений. Подвижность электронов и дырок у него почти неразличима. Этот полупроводник перспективный и может работать при температуре 1000°С и выше, до 2000°С. Представленные полупроводники наиболее перспективны в режимах мощных СВЧ-излучений по сравнению с используемыми в прототипе, например, такими, как арсенид галлия (GaAs), кремний (Si), индий - сурьма (InSb) и др. Покрытие алмаза одинарным слоем графена позволяет вырастить на его поверхности образующие плотную структуру углеродные нанотрубки, которые могут повысить СВЧ-поглощение и защитить его от температурного воздействия (см. Графен помог покрыть металлы и алмазы нанотрубками/https://lenta.ru/news/2013/05/29/nanoforest/)

Для повышения эффективности работы системы энергообеспечения электродинамических аэрокосмических летательных аппаратов целесообразно использовать источники СВЧ-энергии с многолучевыми облучателями, которые позволяют получить узкую диаграмму направленности до 4° и сконцентрировать СВЧ-энергию в узкие пучки, например с применением рупорной решетки (см. Бакин A.M., Трифанов И.В., Оборина Л.И. и др. Моделирование рупорной решетки на основе учета распределения поля в плоскости раскрыва рупора. Вестник СибГАУ, вып. №3, 2014, с. 21-28).

Система энергообеспечения аэрокосмических летательных электродинамических аппаратов представлена на схемах.

На фиг. 1 показана система энергообеспечения СВЧ-энергией летательного аппарата с наземной станции.

На фиг. 2 - сечение обшивки аэрокосмического летательного аппарата.

На фиг. 3 показана схема энергообеспечения СВЧ-энергией космического аппарата с космической станции.

Система энергообеспечения содержит (фиг. 1) наземный источник СВЧ-энергии 1 с антенной 2 излучения, аэрокосмический летательный аппарат 3 овальной формы, питаемый от аккумуляторной батареи, с элементами управления и контроля (на фиг.1 не показаны), которые располагаются внутри корпуса летательного аппарата 3 под диэлектрической обшивкой 4 (фиг. 2). На диэлектрическую обшивку нанесены оболочка 5 из алюминиевой фольги, преобразователь 6 СВЧ-энергии в электрический ток. За преобразователем 6 СВЧ-энергии расположен поглотитель СВЧ-энергии и усилитель энергии электронов 8, который представляет собой композитное покрытие, состоящее из гибрида графена толщиной 100 нм и углеродных нанотрубок толщиной 120 мкм, модифицированных наночастицами (ферромагнитным железом). Диаметр нанотрубок 10…80 нм, размер частиц железа также 10…80 нм. Поглотитель СВЧ-энергии и усилитель энергии электронов 8 нанесен на токопроводящий слой, выполненный из металлической пленки 7 (например, из алюминия толщиной 100 нм и пленки переходного металла толщиной 1-10 нм).

Оболочка 5, выполненная из алюминиевой фольги, обладает высокой электропроводностью, малым удельным весом, при этом круговое плотное расположение оболочки 5 на обшивке 4 (оболочку 5, например, приклеивают к обшивке 4) позволяет обеспечить полное отражение энергии от поверхности оболочки 5 в полупроводниковый преобразователь 6. В качестве химических компонентов полупроводниковой матрицы использованы легированные примесями галлия карбид кремния и нитрид галлия, легированный примесями кремния. Эти материалы, обладающие большой шириной запрещенной зоны, хорошей температурной и радиационной стойкостью, высокой СВЧ-проводимостью, теплопроводностью, позволяют решить задачи изобретения полностью. Полупроводниковый преобразователь 6 обеспечивает преобразование СВЧ-энергии в постоянный электрический ток, который сначала поступает через гибридный углеродный токопроводящий слой 8, а затем через слой 7, выполненный из пленок металла, то есть из металлического электрода и переходного металла. Слой 8 из композитного покрытия, состоящего из гибрида графена и углеродных нанотрубок и токопроводящий слой 7, выполненный из металлической пленки и пленки переходного металла, являются первым электродом этот же электрод по отношению к потоку СВЧ-энергии является антенной Оболочка из алюминиевой фольги, нанесенная на наружную поверхность диэлектрической обшивки летательного аппарата, с которой контактирует полупроводниковая матрица? является вторым электродом.

Оба электрода образуют электрический переход при преобразовании СВЧ-энергии в постоянный электрический ток полупроводниковой матрицей.

Энергия электронов в токопроводящий слой 7, выполненный из металлической пленки толщиной 100 мкм, например, алюминия, поступает через слой 8 гибрида модифицированных углеродных нанотрубок и графена, поглощающий СВЧ-энергию (см. Создан новый наноматериал, гибрид углеродных нанотрубок и графена/ https://dailytechinfo.org/nanotech/4281-sozdan-novyy-nanomaterial-gibrid-uglerodnyh-nanotrubok-i-grafena.html).

Слои 7 и 8 образуют композитный слой, что позволяет говорить об образовании композитной структуры, с углеродной наноструктурой, которая выполняет одновременно роль антенны и поглотителя СВЧ-энергии и усилителя энергии электронов, воздействующих на полупроводниковый преобразователь энергии в постоянный электрический ток.

Преобразователь СВЧ-энергии 6, выполненный в виде полупроводниковой смеси, состоящей из двух полупроводниковых гранулированных компонентов с разной атомной массой, взятых в равных пропорциях, позволяет автоматически обеспечить дипольную выпрямительную матрицу, положительные и отрицательные полюса зарядов которой соединены с соответствующими клеммами механизма управления и контроля режимом полета летательного аппарата 3.

Смесь карбида кремния, легированного галлием (проводник р-типа, и нитрида галлия, легированного кремнием (проводник n-типа) с размером гранул не более 30…50 мкм, скрепленных связующим материалом, например, вилитом, наносят в виде покрытия на поверхность оболочки 5. Смесь полупроводниковых материалов также может быть нанесена методом плазменного или газопламенного напыления.

На фиг. 3 изображен корпус аэрокосмического летательного аппарата 3, космический источник СВЧ-энергии 11, снабженный пятилучевым облучателем 9, позволяющим регулировать диаграмму направленности, управлять лучами 10 СВЧ-энергии, выполненным на основе рупорной решетки, состоящей из 5 рупоров. Такой источник сверхвысокочастотной энергии позволяет концентрировать энергетический поток с требуемыми режимными параметрами.

Для повышения надежности работы системы энергообеспечения при воздействии высоких температур до 2000°С преобразователь СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока, выполненный в виде полупроводниковой матрицы, с поглотителем СВЧ-энергии и усилителем электронов может быть расположен внутри корпуса ЛА. В этом случае для создания энергетического канала СВЧ-энергии корпус летательного аппарата снабжен радиопрозрачными окнами из синтетического алмаза, с наружной стороны покрытыми поглощающим слоем, выполненным из графеновой пленки и углеродных нанотрубок, модифицированных ферромагнитными наночастицами. Энергетический канал передачи СВЧ-энергии к полупроводниковой матрице, преобразующей СВЧ-энергию в электрический ток, выполнен в виде окон 12, изготовленных из синтетического алмаза. В этом случае полупроводниковая матрица преобразования СВЧ-энергии расположена внутри корпуса летательного аппарата, а энергетический канал расположен в стенке корпуса, что обеспечит герметичность. С внешней стороны окна 12 покрыты слоем композитного покрытия поглотителя СВЧ-энергии и усилителя энергии электронов - гибридом графена и углеродных нанотрубок. Электроды у матрицы остаются, как и прежде. Радиопрозрачные окна 12 на основе синтетического алмаза с высокой СВЧ-проводимостью повышают надежность и КПД системы энергообеспечения ЛЭА. Алмаз, в том числе синтетический, как полупроводник может работать при температуре до 2000°С.

Формула изобретения

1. Система энергообеспечения аэрокосмических летательных электродинамических аппаратов, содержащая источник сверхвысокочастотной энергии со средствами ее излучения, летательный аппарат овальной формы с элементами управления и контроля полетом аппарата, размещенными под его диэлектрической обшивкой, на поверхность диэлектрической обшивки нанесена оболочка из алюминиевой фольги и преобразователь СВЧ-энергии в электрическую энергию постоянного тока, выполненный в виде полупроводниковой матрицы, изготовленной из смеси двух химических полупроводниковых компонентов, нанесенной в виде покрытия на поверхность алюминиевой фольги, отличающаяся тем, что дополнительно содержит поглотитель СВЧ-энергии и усилитель энергии электронов, выполненный в виде композитного покрытия, содержащего графеновую пленку и углеродные нанотрубки, модифицированные ферромагнитными наночастицами, и нанесен на токопроводящий слой, выполненный из подслоя токопроводящего металла и подслоя переходного металла, контактирующий с полупроводниковой матрицей, а полупроводниковая матрица преобразователя СВЧ-энергии изготовлена из смеси компонентов в виде гранул карбида кремния и нитрида галлия, легированных примесями, обеспечивающими формирование различного типа проводимости у компонентов смеси при предельной рабочей температуре 600-700°С.

2. Система энергообеспечения по п. 1, отличающаяся тем, что карбид кремния легируют галлием, а нитрид галлия легируют кремнием.

3. Система энергообеспечения по п. 1, отличающаяся тем, что энергетический канал передачи СВЧ-энергии к полупроводниковой матрице преобразователя СВЧ-энергии в электрический ток, расположенной внутри корпуса летательного аппарата, выполнен в виде окон из радиопрозрачного синтетического алмаза, размещенных в стенке корпуса летательного аппарата, при этом их наружная сторона покрыта слоем композитного покрытия поглотителя СВЧ-энергии и усилителя энергии электронов, выполненного из графеновой пленки и углеродных нанотрубок, модифицированных ферромагнитными наночастицами.

4. Система энергообеспечения по пп. 1, 3, отличающаяся тем, что графеновая пленка композитного покрытия преобразователя СВЧ-энергии выполнена толщиной 100 нм.

5. Система энергообеспечения по пп. 1, 3, отличающаяся тем, что слой углеродных нанотрубок с диаметром 10…80 нм композитного покрытия преобразователя СВЧ-энергии выполнен толщиной 120 мкм.

6. Система энергообеспечения по п. 1, отличающаяся тем, что источник сверхвысокочастотной энергии содержит многолучевое средство излучения, позволяющее регулировать диаграмму направленности на облучаемой поверхности.

Изобретение "СИСТЕМА ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ АЭРОКОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ" (Трифанов Иван Васильевич, Мелкозеров Максим Геннадьевич, Трифанов Владимир Иванович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога