Технології
Технології

Дрон піднявся у повітря на мікрохвильовій тязі

Японські інженери продемонстрували пів хвилинний політ дрона за допомогою мікрохвиль частотою 28 гігагерців. Така бездротова передача електричної енергії поки можлива лише за умов знаходження дрона безпосередньо над джерелом випромінювання. Однак загальний ККД передачі склав 0,43 відсотка проти 0,001 відсотка у попередніх експериментах. Політ дрона вчені описали у Journal of Spacecraft and Rockets.

Схема експерименту, де дрон за допомогою GPS-трекера намагається не віддалятися від двох антен, що продукують мікрохвильове випромінювання та піднімають його на 800 міліметрів. Satoru Suganuma et al. / Journal of Spacecraft and Rockets, 2021

Схема експерименту, де дрон за допомогою GPS-трекера намагається не віддалятися від двох антен, що продукують мікрохвильове випромінювання та піднімають його на 800 міліметрів. Satoru Suganuma et al. / Journal of Spacecraft and Rockets, 2021

Навіщо дрону мікрохвильовий двигун?

Бездротова передача енергії (БПЕ) давно не є областю фантастики, а радше одним з найбільш корисних застосувань радіохвиль. Тому ви можете заряджати телефони чи автомобілі, просто розмістивши їх на спеціальній платформі. У 1966 в США за допомогою мікрохвиль вже злетів гвинтокрил, а у 90-х почалися дослідження з можливості використання такого підходу для запуску ракет. У таких системах БПЕ потужність постійного струму перетворюється на мікрохвильову енергію, щоб потім потрапити у приймач. Очікується, що саме для польотів, зокрема у космос, ця технологія стане дуже затребуваною — БПЕ може значно поліпшити льотні характеристики аерокосмічних апаратів, яким для польоту потребується джерело з високою щільністю енергії. БПЕ може забезпечити ракетам високу питому тягу (низькі витрати палива) без обмежень, що накладаються хімічною енергією від звичайного палива. Так щоб ракети подолали гравітаційне тяжіння Землі, зараз їм потрібно вже на стартовому майданчику витратити більшість свого палива, яке складає майже 90 відсотків всієї ваги апарата.

На початку 2010 року японські вчені успішно «запустили» крихітну металеву ракету, використовуючи це незвичайне джерело тяги — мікрохвилі. Так вони могли посилати імпульси мікрохвильової енергії своїй моделі вагою 126 грамів, нагріваючи повітря до десяти тисяч градусів Цельсія усередині неї, що вона піднялася у повітря на 1,2 метра. Втім, в усіх цих експериментах з електровакуумними мікрохвильовими генераторами, загальний ККД рухових установок не перевищував 14 відсотків для зафіксованих в одному положенні систем. Тож демонстрації роботи такої тяги для ракет вільного польоту мали б стати наступними — за це і взялися дослідники. Однак, для такого польоту чогось розміром з ракету необхідне джерело безперервного мікрохвильового випромінювання високої потужності, що для концептуального дослідження вчені визнали занадто складним. Тому вони використали безпілотний літальний засіб — дрон — та діапазон частот у 28 гігагерців. Це вже набагато більше за попередні подібні експерименти, де вчені послуговувалися 2,45 гігагерца та отримували ККД близько 0,001 відсотка.

Запущена 2010 року ракета на мікрохвильовій тязі / The University of Tokio

Запущена 2010 року ракета на мікрохвильовій тязі / The University of Tokio

Як підвищити ККД?

Для оцінки БПЕ для аерокосмічних апаратів взяли 400-грамовий дрон, якого наділили складною системою відстеження променя, щоб дрон отримував якомога більше мікрохвильового випромінювання з двох рупорних антен. Від цього залежало і підвищення ефективності БПЕ — безпілотник не мав втрачати зв'язку з джерелом енергії та при цьому злітати самостійно. Тому інженери використали фазообертач для точного контролю фази випромінювання та поєднали його із GPS-трекером, щоб синхронізувати дрон із джерелом. Так дрон із 30-відсотковим ККД вловлював промінь мікрохвильового випромінювання, які із 40-відсотковою ефективністю перетворювалися на енергії для руху. Безпілотник на 30 секунд зависнув на висоті 800 міліметрів, а загальний ККД експерименту склав 0,43 відсотка. Так вчені описали ефективність БПЕ для об'єкта у вільному польоті, а майбутні дослідження планують спрямувати на удосконалення системи відстеження променя і збільшення дальності передачі мікрохвильового випромінювання.