CC BY
61Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК 629.78, 621.373.826
ПЕРЕДАЧА ЭНЕРГИИ И ИНФОРМАЦИИ ПО ОПТИЧЕСКОМУ КАНАЛУ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФОРМОЙ КОСМИЧЕСКОЙ АНТЕННЫ*
Л. Б. Кочин1, М. А. Крылова1 , Д. А. Хромихин1, А. Д. Ширшов1, В. Г. Порпылев2
балтийский государственный технический университет «Военмех» имени Д. Ф. Устинова Российская Федерация, 190005, г. Санкт-Петербург, ул. 1-я Красноармейская, 1 2АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: maria_tiger_1996@mail.ru
Рассмотрены вопросы создания системы передачи энергии и информации с помощью лазерного излучения. Обсуждается применение такой системы для управления формой крупногабаритной трансформируемой антенны космического базирования.
Ключевые слова: волоконно-оптические технологии, полупроводниковые лазеры, трансформируемая антенна космического базирования.
TRANSMISSION OF ENERGY AND INFORMATION THROUGH OPTICAL COMMUNICATION
CHANNEL TO CONTROL THE FORM OF SPACE ANTENNA
L. B. Kochin1, M. A. Krylova1, D. A. Khromikhin1, A. D. Shirshov1, V. G. Porpylev2
1Baltic State Technical University "Voenmeh" named after D. F. Ustinov 1, 1st Krasnoarmeyskaya Str., 190005, Saint Petersburg, Russian Federation
2JSC Academician M. F. Reshetnev Information Satellite Systems 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: maria_tiger_1996@mail.ru
The paper considers the issues of creating energy and information transmission system using laser radiation. It also discusses usage of such system to control the shape of transformable large space-based antenna.
Keywords: fiber optic technologies, semiconductor lasers, transformable space-based antenna.
Создание трансформируемых крупногабаритных космических антенн является на сегодняшний день одним из ключевых направлений в развитии систем космической связи и дистанционного зондирования Земли [1]. Профиль поверхности рефлектора в такой антенне можно изменять (трансформировать) как на стадии подготовки к работе, так и в процессе функционирования, с целью достижения оптимальных характеристик диаграммы направленности. Задача трансформирования отражающей поверхности антенны решается за счет деформации сетеполотна специальными приводами - актуаторами (приводами).
Для передачи энергии и информации могут использоваться (как альтернатива электрическим проводам) беспроводные и (или) оптоволоконные технологии. Действие таких систем основано на передаче лазерного излучения по открытому каналу [2] или оптическому волокну [3] от источника (полупроводникового лазера) к преобразователю световой энергии в электрическую (фотопреобразователю), расположенному непосредственно на актуаторе или вблизи него.
С точки зрения снижения массы конструкции предпочтительным является открытый канал, построенный
на передаче лазерной энергии от удаленного источника к фотоэлектрическому приемнику исполнительного устройства через свободное пространство. Этот способ требует прецизионной системы наведения и достаточно длительного времени на отработку программы коррекции формы, так как предполагает последовательный энергоинформационный обмен с каждым исполнительным устройством. Также, такой способ непригоден для работы с актуаторами, находящимися в зоне «геометрической тени» от элементов конструкции антенны. В этом случае используется волоконно-оптический канал, который обеспечит доставку энергии к трудно -доступным актуаторам и способен осуществлять параллельный и одновременный энергоинформационный обмен с несколькими исполнительными устройствами при одном лазерном источнике.
Преимуществом волоконно-оптического способа передачи энергии является то, что он не нуждается в использовании специальной системы наведения луча, а при возможности встраивания волокна в стропы антенны - не приводит к дополнительному усложнению конструкции и возможным трудностями при ее раскрытии, связанным со спутыванием гибких элементов.
*Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», Министерство образования России, соглашение № 14.577.21.0201 (уникальный идентификатор ПНИЭР КРМЕП 57715X0201): «Создание высокоэффективной системы беспроводной узконаправленной передачи энергии и информации для управления состоянием объектов космического базирования на основе лазерных и волоконнооптических технологий». Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Центр инновационных технологий», ЦКП «Центр радиотехнических и оптических измерений».
Решетневскуе чтения. 2017
Недостаток волоконно-оптического канала - некоторое увеличение массы конструкции при значительном количестве актуаторов.
Для макетного образца системы передачи энергии по оптоволоконному каналу были использованы стандартизированные кварцевые многомодовые волокна, применяющиеся для доставки излучения накачки в волоконных усилителях и лазерах на активном волокне с двойной сердцевиной (double-clad fibers). В макете и экспериментах использовалось многомодовое ступенчатое волокно типа 105/125 мкм в полимерной оболочке 250 мкм и с числовой апертурой NA = 0,22 для моделирования линий питания без объединителей оптического излучения. Объединение излучения от нескольких полупроводниковых лазерных диодов потребовало применения волокна типа 200/220 с числовой апертурой не менее NA = 0,22. В качестве источника питающего излучения был выбран лазерный полупроводниковый диод JDSU с номинальной выходной оптической мощностью до 3 Вт и длиной волны 830 нм, оснащенный волоконным выходом. В качестве фотовольтаической ячейки был использован элемент типа PPC-6E того же производителя. Также в макете может использоваться оптимальный комплект источник-приемник PPM-500-K-FC/FC-6E-105 (производитель JDSU, серия Lumentum). В качестве актуатора в схеме использовался электропривод на основе коллекторного двигателя. Контроль мощности лазерного излучения осуществлялся при помощи измерителя мощности лазерного излучения Ophir Vega (Ophir Optronics) с фотодиодным датчиком мощности PD300-3W. Испытания макета показали общую эффективность системы (мощность лазерного излучения/механическая мощность, развиваемая приводом* 100 %) на уровне 18-25 %. Развиваемый момент на валу двигателя-актуатора составлял 0,07-0,15 Н-м. Для макетного образца, моделирующего передачу энергии по открытому каналу, использовался либо лазерный полупроводниковый диод JDSU с номинальной выходной оптической мощностью до 3 Вт и длиной волны 830 нм (без волоконного выхода) с фотоприемником того же производителя, либо комплект лазерный источник -фото приёмный модуль из 4-х объединенных ФП ЛИ, разработанные в рамках работы в ФТИ им. А. Ф. Иоффе. КПД фото-преобразования в последнем случае составляло до 26,3 %, напряжение на выходе приемного устройства - не ниже 2,8 В при уровне электрической мощности на выходе приемного устройства 1 Вт. При моделировании передачи энергии по открытому каналу точное позиционирование луча относительно фотоприемной площадки осуществлялось с помощью прецизионного координатного стола STANDA с использованием специально разработанного программного обеспечения.
В работе предложены новые технические решения в области конструкции и системы создания и поддержания формы антенны, позволяющие снизить массу антенны, повысить надежность ее функционирования, обеспечить управляемую трансформацию формы антенны с целью изменения диаграммы направленности
излучения. Эти технические решения основаны на оптимальном сочетании волоконно-оптического и открытого канала передачи лазерной энергии к исполнительным устройствам, позволяющем существенно снизить массу антенны [4; 5].
Библиографические ссылки
1. Беи Н. А., Зимин В. Н. Трансформируемые антенны больших размеров для геостационарных космических аппаратов // Антенны. 2005. Вып. 10(101). С. 24 -27
2. Крохин О. Н. К вопросу о возможности передачи энергии по оптическому каналу // Тез. докл. VIII международной науч. конф. по физике высоких плотностей энергии. Снежинск, 2005.
3. Helmers H. Power by light: Optical power transmission replaces copper wiring. European energy innovation. Spring 2014. P. 66-67.
4. Матвеев С. А., Страхов С. Ю., Хромихин Д. А., Ким А. А., Дукельский К. В. Организация энергоинформационного обмена между устройствами управления формой трансформируемой антенны с применением волоконно-оптических технологий // Оптический журнал. 2016. Т. 83, № 11. С. 73-78.
5. Boreysho A. S., Kochin L. B., Strakhov S. Yu. System for transmitting energy and information using laser radiation for control of the shape of large space-based antennas // 2016 International conference Laser Optics, LO. St. Petersburg, 2016.
References
1. Bei N. A., Zimin V. N. Transformiruemye antenny bol'shikh razmerov dlya geostatsionarnykh kosmicheskikh apparatov [Transformable large antenna for geostationary spacecraft] // Antenny. 2005. Vol. 10(101). P. 24-27.
2. Krokhin O. N. K voprosu o vozmozhnosti peredachi energii po opticheskomu kanalu [To the question of the possibility of transfer of energy through an optical channel] // Tez. dokl. VIII mezhdunarodnaya nauch. konferentsiya po fizike vysokikh plotnostey energii. Snezhinsk, 2005. RF.
3. H. Helmers. Power by light: Optical power transmission replaces copper wiring. European energy innovation. Spring 2014. P. 66-67.
4. Matveev S. A., Strakhov S. Yu., Khromikhin D. A., Kim A. A., Dukel'skiy K. V. Organizatsiya energoinformatsionnogo obmena mezhdu ustroystvami upravleniya formoy transformiruemoy antenny s primeneniem volokonno-opticheskikh tekhnologiy [Organization of energy-information exchange between control devices of the form of the transformed antenna using fiber-optic technologies] // Opticheskiy zhurnal. 2016. T. 83. № 11. P. 73-78.
5. Boreysho A. S., Kochin L. B., Strakhov S. Yu. System for transmitting energy and information using laser radiation for control of the shape of large space-based antennas. 2016 International conference Laser Optics, LO. St. Petersburg. 2016.
© Кочин Л. Б., Крылова М. А., Хромихин Д. А., Ширшов А. Д., Порпылев В. Г., 2017
