基本信息
- 项目名称：
- 可用于抗震救灾的微波无线输能飞艇模型设计与实现
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目是将微波无线输能技术应用于飞艇，为飞艇输送能量，实现飞艇无需携带任何燃料，能悬空活动并拍摄地面图片，然后传送到地面控制系统。同时，通过对无线输能能技术在飞艇上的研究应用，为研发一种可远距离长时间驻留空间的飞行器做出有益探索和提供思路，从而为微波无线传输能量技术应用于航空航天能源等领域奠定基础。
- 详细介绍：
- 基于微波输能的飞艇系统主要由充满氦气的飞艇、地面大功率微波发射部件、飞艇搭载整流天线阵列单元、电动机以及通信控制系统组成。 飞艇具有突出的优点，比如垂直起降，可较长时间悬停或缓慢行进、噪音小、污染轻，而且随着飞艇广泛使用了氦气填充，安全性也大大改善。 工作在2.45GHz的功率不低于700W电磁波被地面高增益定向发射天线输送到飞艇整流天线阵列上输出可驱动飞艇电动机的直流电，从而实现了微波动力。这样飞艇不携带任何燃料，可以减少飞艇的机械装置，从而降低起飞重量，缩小飞艇体积，降低制作材料成本。 能量通过微波方式传输到飞艇具有其它供能方式所不具备的优势，微波传输可以直接在大气中进行，而不需要导线材料，并且微波不受太阳光照、云雾等天气状况的影响，可以用于远距离和长期停留高空或超高空的飞行物提供能量，而不需要架设电线。 无线传输能量技术关键在于： 1.接收天线和高效率的微波－直流转换的整流电路，接收天线阵列接收微波能量，经过整流电路转换成直流，转换效率要高。 2.可靠的电磁兼容系统设计，在微波输能的高微波功率密度下需要实现对无线通信系统的兼容。这样通信摄像设备，能够拍摄记录地面信息，传送到地面控制中心。 3.高定向性发射天线，使微波能以很窄的波束形式发射，集中微波能量定向传输。4．高功率为波源，微波功率源要大功率，高频率稳定度以保证能量供给充足和保持微波波束的稳定。 设计的主要技术指标有： 1.微波输能工作频率2450MHz； 2.微波发射功率不低于700W； 3.发射天线增益不低于24dBi； 4.接收整流天线面积不低于1m2； 5.微波整流电路效率高于60%； 6.转换后输出功率可以驱动动力装置； 7.通信使用频率915MHz； 8.视频采集分辨率不低于600×480像素； 9.飞艇飞行高度可以达到5m； 10.飞艇体积不低于1m3。 电动机用来直接产生空气推力来控制飞艇的飞行状态，在通信控制系统下按照预定指令运行。 通信控制系统是飞艇非常重要的一部分，关系着飞艇的各个部件能否正常工作。作为连接飞艇与地面控制中心的桥梁，通信控制系统为飞艇提供控制指令，为地面控制中心提供数据。即实现地面 控制中心对飞艇的飞行状态进行实时控制,并将飞艇上搭载的测量设备所获得的数据传输到地面控制中心。 微波输能的飞艇，其能量来自地面发射天线，减少通信系统的重量以及功耗，同时不影响飞艇与地面控制中心通信的质量是非常重要的。所以，安装在飞艇上的通信设备需要具有体积小、重量轻、 功耗低、寿命长、可靠性高、自动化程度高、数据处理能力强和极好的电磁兼容性。 通信控制系统包括飞艇搭载的通信控制设备和地面控制中心设备。飞艇上搭载的通信控制设备主要由微控制器、射频通信模块、图像采集处理模块、飞艇动力控制模块以及以他模块组成。地面控制中心设备主要由射频通信模块、微控制器和计算机系统组成。 在以上各系统的相互协调工作下，微波输能飞艇就能正常工作，在抗震救灾的紧急情况下出色地完成预定任务，为决策者及时提供准确有效的信息，做出快速准确的决策，加强我国政府的应急救灾处置能力，使人民的生命和财产安全得到更大的保障。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：为了增强国家的国防实力和及时有效应对自然灾害，设计和实现长期停留在空中的微波输能飞艇模型，实现现场数据（比如图片）采集等功能。 思路：设计制作一艘无需携带能源飞艇模型，依靠接收地面发射的微波功率，经飞艇上安装的接收天线阵列和整流电路把微波能量转换为可用的直流电能，为飞艇的动力和搭载设备提供能源，用以完成飞行控制和数据采集等活动，并将采集的数据信息传送到地面控制系统中心。 创新点：飞艇自身可不携带任何能源；微波的传输不受气候环境的影响，可靠地工作；长时间停空，安全；由于采用无线供能方式，机械设备少，重量轻，飞艇体积小，成本低。 技术关键：微波整流天线技术，转换效率要高；可靠的电磁兼容系统设计；高定向性发射天线，使微波能以很窄的波束形式发射，集中微波能量定向传输；高功率为波源，微波功率源要大功率，高频率稳定度以保证，能量供给充足和保持微波波束的稳定。 主要技术指标： 1.微波输能工作频率2450MHz； 2.微波发射功率不低于700W； 3.发射天线增益不低于24dBi； 4.接收整流天线面积不低于1m2； 5.微波整流电路效率高于60%； 6.转换后输出功率可以驱动电机； 7.通信使用频率915MHz； 8.视频采集分辨率不低于600×480像素； 9.飞艇飞行高度可以达到5m；
科学性、先进性
- 科学性：微波输能飞艇是微波输能技术、自动控制技术和通信技术等的结合产物，理论成熟，可以实现。随着技术的发展，微波输能飞艇的飞行高度和搭载的设备也越来越完善，能够满足更多的需求。 先进性：动力来自燃料的的飞艇艇续航时间短、装置体积大和有效载荷小；来自太阳能的飞艇受天气影响很大。微波输能飞艇几乎不受天气影响、长 时间停空、体积小、装置轻和成本低。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 其技术特点和优势具有以下几点： 一、能量采用微波输能为飞艇提供动力 二、进行视频信息采集和传输 三、对飞艇飞行状况遥控控制 四、增加了续航时间 适用范围：在军事领域，采用微波传输能量方式可以实现高空预警飞艇执行空中监听、边境放哨和战略预警等军事任务；可以具有与卫星同等功能的通信系统；还可以应用在应急救灾。 市场分析与经济效益预测：微波输能飞艇长时间可靠地在空中进行空中监视、军事预警、通信中继和遥感探测等活动，为持久稳固地情报搜集、监视侦察和通信任务提供了宽广的潜力。微波输能飞艇只需搭载必要的电子设备，耗能少、重量轻和体积小。同时在突发事件和自然灾害的紧急救灾场合更具优势,能够实时勘查监控现场的状况,及时传输现场信息，为决策者提供准确有效的信息，加强我国政府的应急救灾处置能力，使人民的生命和财产得到更大的保障。
同类课题研究水平概述
- 传统的高压输电线的架设，耗费人力物力，对地理环境较为复杂的山区、荒漠、孤岛更是如此。而蓄电池能量携带有限需要充电，太阳能电池受天气环境的影响很大，而且转换效率不高。用先进的微波无线输电手段代替高压输电线是欧美日等发达国家正在努力的方向。 1975年美国国家喷气推进实验室JPL在加州演示了收发两端相距1英里的微波功率传输系统，该系统接收端整流天线得到了30Kw的直流功率。 1987年，加拿大成功的让机翼长为4.5 m的飞机在2.45 GHz的微波功率驱动下，在低空飞行了20分钟。 1994年—1995年日本也进行了地面上两点间的微波无线传输能量实验，接收装置是一个3.2米×3.6米的大型整流天线阵，整个整流天线阵的微波—直流转换效率达到了46%。 1996年12月，法国在美国、俄罗斯、日本等国支持下，成功研制了一个微波无线供能系统，此系统在留尼旺岛冈巴桑峡谷，将电能以微波波束的形式从峡谷的项端传送到底部，解决了峡谷内小村庄的生活、通信用电问题。 2000年6月美国科学家利用微波将一小型飞行器成功地运入太空，标志着人类利用微波能量取得突破性进展。 利用微波将太空太阳能传输到地面来使用，成为微波无线供能的一个重要趋势。加州最大电力公司—太平洋天然气与电力公司已经宣布，计划向欲打造世界上首座轨道太阳能发电厂的Solaren公司购买电量。根据计划，Solaren将利用绕地球轨道运行的太阳能电池板发电，而后将电量转换成微波加以传送，位于弗雷斯诺的地面接收站则负责接收微波。然后微波将转换成电量并输入电网。 日本航空宇宙开发中心（JAXA）也在研究类似的太空太阳能发电系统(SSPS)，有望于2030年前启动。在北海道的研究基地，日本科学家用直径2.4m的仪器装置进行了地面接收太空微波的实验。JAXA的最终目标是要建立一个约3平方公里的地面接收站，生产100万千瓦的电力，给50万个家庭供电。 目前，微波无线功率传输在国外已经开展了大量研究，但是微波无线功率传输的研究在国内尚处于起步阶段。我们结合自身微波技术研究的特点，在微波无线输能方面开展了大量的研究，具有较好的研究基础。我们前期设计实现的微波无线功能动力小车，已经成功完成了演示。
