СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №5/2014

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 5 2014 интенсивности их оптического (тепло- вого) излучения, что намного эффек- тивнее стандартных датчиков контро- ля силового ключа. Почему драйвер и микроконтроллер должны быть также выполнены на LPE i-GaAs? Данное требование вытекает из общей высокоскоростной и темпера- турной платформы: максимальная тем- пература эксплуатации преобразова- теля должна быть не менее +250 ° С. Где взять корпуса на +300 ° С? По личному опыту (автора) создания (ОКР с при- ёмкой заказчика) силового корпуса (аналога TO-259) с рабочей температу- рой +300 ° С (у аналога – гораздо мень- ше) можно отметить, что эта проблема может быть решена, как и в корпусах для поверхностного монтажа типа SMD или ThinKey (корпусов безиндуктивно- го или малоиндуктивного типа), в т.ч. с применением беспроволочной сбор- ки (минимизация наведённой индук- тивности корпуса). Д ВУХРОТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ Возможность высокоскоростной коммутации токов, вероятно, позволит создать высокоэффективные высоко- оборотные двухроторные двигатели с магнитной левитацией ротора (элек- тродвигателей с двухтактным преобра- зованием магнитного поля). Принцип их действия основан на введении дополнительной внутрен- ней обмотки ротора. Обмотка статора возбуждается током с очень высокой частотой, что приводит к возникнове- ниюмощного магнитного поля, возбуж- дающего в свою очередь сильный ток в короткозамкнутой первой обмотке ротора. При резком размыкании этой обмотки магнитное поле, создаваемое ею, возбудит вторичную, внутреннюю обмотку ротора. Учитывая намного меньшие размеры «вторичного» ротора, напряжённость возникающего магнит- ного поля может быть очень большой, что позволит реализовать магнитолеви- тирующий подвес ротора и исключить трение в этом подвесе. Такого типа элек- тродвигатели уже существуют, однако существующие силовые ключи позво- ляют коммутировать токи возбужде- ния с относительно низкой частотой. Использование же сверхскоростных коммутирующих элементов на основе LPE i-GaAs позволит значительно повы- сить частоту коммутации при малых потерях в цепях управления и за счёт этого существенно уменьшить размеры высокоскоростных электродвигателей. Р ЕАКТИВНЫЕ ИОННО - ПЛАЗМЕННЫЕ ДВИГАТЕЛИ Существующие ионно-плазмен- ные реактивные двигатели с безэлек- тродной ионизацией рабочего тела (водорода, гелия, ксенона и др.), име- ют очень малую силу тяги в пределах от 1,0 до 20 ньютонов. Такие двигатели возможно использовать только в кос- мических аппаратах в условиях сла- бой гравитации, в противном случае масса требуемого для получения боль- шей тяги рабочего тела или размеры ускорителя принимают неприемле- мые размеры. Выход может заклю- чаться в переходе к многоступенчатым высокочастотным системам иониза- ции, позволяющим значительно повы- сить скорость истечения ионизиро- ванной плазмы, и следовательно, рабо- чую тягу двигателя при сохранении высокого КПД. Смысл такого измене- ния состоит в том, что скорость исте- чения ионов определяется частотой изменения тока в устройстве подогре- ва плазмы, повышение которой обе- спечивает увеличение скорости дви- жения ионов. Один из вариантов такого двигателя мог бы иметь, как минимум, три каска- да ионизации: камеру предваритель- ной ионизации (подогрева) с часто- той 10–12 МГц, вторую камеру с часто- той тока 1,5…20,0 ГГц (в зависимости от типа газа) и третью камеру, где нагрев плазмы осуществляется рентгеновским излучением. Какое применение в такой системе может найти технология LPE i-GaAs? Здесь следует обратить внимание на следующие обстоятельства. 1. Описанный в статье [1] силовой оптотиристор позволяет создавать мощные индукционные преобразо- ватели с мощностью в десятки и сот- ни киловатт с частотами вплоть до 10…12 МГц, что обеспечивает первич- ную ионизацию газообразного рабоче- го тела большой массы. Правда, совре- менные бортовые солнечные батареи имеют мощность в пределах 30–50 кВт, однако существуют реальные (и реа- лизуемые на данном уровне развития техники) бортовые ядерные энергети- ческие установки необходимой мощ- ности, способные помимо генерации электроэнергии осуществлять и пред- варительный подогрев плазмы. Таким образом, уже созданные силовые ком- поненты позволяют создать первый каскад ионно-плазменного реактив- ного двигателя. 2. Проведённые предварительные эксперименты по созданию высоко- вольтного СВЧ HBT GaAs транзисто- ра [3] и начатые исследования по созда- нию высоковольтного СВЧ i-GaAs HBT в L-, S- и C-диапазонах, а также рабо- ты российских и финских учёных [4] по созданию лавинно-доменных тран- зисторов с неклассической скоростью пролёта лавинных носителей заря- да (удвоением/утроением частотных свойств высоковольтного транзистора) и авторские расчётные данные позво- ляют сделать вывод о возможности соз- дания мощных индукционных СВЧ- генераторов для X-диапазона и даже начального К-диапазона. Следователь- но, в обозримом будущем реальным становится и конструирование второ- го каскада нагрева плазмы, а также (что, вероятно, вызовет ещё больший инте- рес) проектирование мощных радио- локаторов на основе АФАР. 3. Наконец, третий каскад нагрева плазмы вполне можно представить выполненным на базе использова- ния предполагаемых к разработке LPE i-GaAs транзисторов, способных гене- рировать излучение с длиной волны ≈ 0,001 μ м (частота >10 18 Гц), относя- щейся к рентгеновскому диапазону. Теоретических препятствий для соз- дания таких транзисторов на основе представляемого LPE i-GaAs изолятора не предвидится, однако таковыми явля- ются проблемыформирования отдель- ных структур с размерами в единицы и доли нанометров, на решение кото- рых потребуются огромные финансо- вые ресурсы. При условии решения обозначенных проблем вполне реальным становит- ся проектирование плазменных реак- тивных двигателей, пригодных для построения действительно межзвёзд- ных космических кораблей (наподо- бие проекта VASIMR) и обеспечиваю- щих удельный импульс >> 50 км/с при высоком КПД → 80% и очень высо- кой тяге. Ещё одним перспективным направ- лением для применения в ракетостро- ении представляется снижение силы трения гиперзвуковых ракет в ионо- сфере, например, за счёт генерации электронной плазмы по поверхно- сти носовой части ракеты с помощью холодного катода на основе GaAs. Все вышеизложенные принципы, конечно, давно известны отечествен- ным разработчикам ионно-плазмен- ных двигателей и упоминаются здесь © СТА-ПРЕСС