Солнечные батареи (СБ) снабжают электроэнергией аппаратуру космических аппаратов (КА), а также обеспечивают зарядку аккумуляторов, используемых на теневых участках орбиты. Основой солнечной батареи являются фотоэлектрические преобразователи световой энергии солнечного излучения. Принцип их действия основан на явлении фотоэлектрического эффекта – способности тел, в особенности полупроводников, увеличивать свою электропроводимость при воздействии на них лучистого светового потока.

Фотопреобразователи размещаются на подложке, которая, в свою очередь, крепится на силовой рамной конструкции. На подложке СБ вместе с фотопреобразователями монтируются межэлементные соединения. На силовой конструкции крепятся механизмы и узлы систем развертывания и ориентации СБ, а также часть систем защиты.

За передачу энергии от СБ в систему электропитания космического аппарата (СЭП КА) отвечают токосъемные устройства, размещаемые традиционно в системе поворота СБ. С токосъёмных устройств ток течет в инвертор напряжения и контроллер (существуют решения и с другим порядком следования), затем направляется в аккумуляторы и/или конечному потребителю.

Поиск патентных публикаций (патентные заявки, патенты на изобретения, полезные модели) по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” проводился в следующих базах патентной информации:

В результате поиска по группам МПК H01R 39/00, B64G 1/44 и ключевым словам photovoltaic (PV) energy, solar array, current collectors и electrically-conductive connections было получено распределение патентных публикаций по странам за период c 1997 г. по 2021 г., представленное на рисунках 2 и 3.

На рисунке 4 представлено распределение количества патентных публикаций по годам за период с 1997 г. по 2021 г.

Из распределений, представленных на рисунках 2 – 4, можно сделать вывод, что рассматриваемая тема является довольно узким направлением в области космической техники. Общее количество охраняемых решений невелико. Большая доля патентных публикаций приходится на 2015 и 2021 года.

За период в 25 лет актуальными юрисдикциями для патентования своих изобретений в части устройств для передачи электрической энергии с СБ в СЭП КА остаются Россия, Китай и США. Перечисленные страны являются наиболее активными и влиятельными на мировом космическом рынке.

На рисунке 5 представлено распределение количества патентных публикаций по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” за период с 1997 г. по 2021 г. Распределение представлено для 10-ти компаний, имеющих наибольшее количество публикаций.

Из распределений, представленных на рисунке 5, можно сделать вывод, что охранные документы на свои разработки получают преимущественно научные и образовательные организации.

Из рисунка 5 видно, что в мире Россию по рассматриваемому направлению представляет АО "ИСС" имени академика М. Ф. Решетнёва". Организация занимается созданием космических аппаратов связи, телевещания, ретрансляции, навигации, геодезии. Патент RU2653703C1 “Многоканальное токосъёмное устройство”, опубликованный 14.05.2018, (действует) содержит описание изобретения из области электротехники, в частности многоканальных токосъемных устройств миниатюрного исполнения. Предложенное решение способствует повышению КПД и надежности устройства, упрощению его изготовления. Многоканальное токосъемное устройство, имеющее несколько электрических цепей, состоящее из корпуса и соосно расположенного внутри него вала, на которых установлен набор чередующихся коаксиальных токосъемных колец и коаксиальных изоляционных шайб. Между неподвижным наружным и подвижным внутренним кольцами каждой коаксиальной пары токосъемных колец находятся контактирующие с ними упругие токопроводящие кольца, чередующиеся с диэлектрическими роликами. Технический результат достигается за счёт того, что вал установлен в корпус посредством радиально-упорного подшипника, расположенного с одного торца устройства, и корпус и вал выполнены из алюминия. Кроме того, на технический результат влияет замена пластиковых изоляторов многослойными лакокрасочными покрытиями, так как это исключает негативный эффект от деформации пластиковых изоляторов в процессе работы под нагрузками.

China academy of space technology (CAST Китайская академия космических технологий) имеет две патента по устройствам передачи электрической энергии: патент CN111769416B “Device for simulating modular rolling type conductive rotary motion in vacuum environment” (“Устройство для моделирования проводящего вращательного движения модульного типа качения в вакуумной среде”), опубликованный 01.10.2021, и патент CN108512005B “Hollow bidirectional coaxial large power rolling conductive rotation joint capable of realizing cascaded expansion” (“Полый двунаправленный коаксиальный токопроводящий вращающийся шарнир большой мощности, способный осуществлять каскадное расширение”), опубликованный 12.05.2020 (не действует).

CN111769416B раскрывает устройство, которое содержит изолирующую оболочку, подвижный токопроводящий модуль, высоковольтную электрическую щетку, внутренний кольцевой изолирующий слой, внешний кольцевой изолирующий слой, нагрузочный резистор, изолирующий винтовой домкрат, изолирующую оправку, вакуумный двигатель и кольцевую токопроводящую канавку. Устройство используется для имитации токопроводящего поворотного шарнира космического сверхмощного космического аппарата с возможностью расширения мощности, такого как космическая солнечная электростанция платформенного типа, в процессе электрификации.

СN108512005B содержит описание технического решения в части конструкции полого двунаправленного коаксиального высокомощного подвижного токопроводящего вращающегося соединения, способного к каскадному расширению. Конструкция содержит корпус, соединительное кольцо качения (обечайку), изолирующий слой, изолирующий лист, изоляционную опору, внешнюю накладку, двигатель с внешним ротором, подшипник качения, подшипник двигателя и центральный оголенный кабель. Техническое решение планируется к использованию для передачи энергии высокой мощности с платы управления солнечным элементом новой многооборотной космической солнечной электростанции и конструктивного корпуса.

CAST является центром разработки и производства космических аппаратов. Входит в Китайскую аэрокосмическую научно-техническую корпорацию (CASC).

Американская компания OL Security LLC (в 2012 году получила права от Raytheon Corporation) в своем патенте US6663395B2 “Electrical joint employing conductive slurry” (“Электрическое соединение с использованием токопроводящей суспензии”), опубликованный 16.12.2003 (не действует), раскрывает изобретение, относящееся к системам и способам для связи электрических сигналов и тока между объектами, которые перемещаются относительно друг друга.

OL Security LLC осуществляет свою деятельность в области систем безопасности, а также телекоммуникаций, цифровых сетей и компьютерных технологий (предположительно компания закрыта).

China Electronics Technology Group Corporation (CETC, Корпорация “Китайская группа электронных технологий”) – китайская государственная компания, специализирующаяся на производстве средств связи, электроники, программного обеспечения военного и специального назначения. Она имеет одну патентную публикацию по рассматриваемому направлению: CN105207037A “Rolling collector ring device suitable for power transmission” (“Устройство с подвижным коллекторным кольцом, подходящее для передачи электроэнергии”), опубликованную 30.12.2015. Изобретение относится к области прокатных приемных колец (rolling collector rings), в частности, для передачи электроэнергии. Основная функция приёмного кольца заключается в реализации телекоммуникационного сигнала и передачи мощности между неподвижным устройством и вращающимся устройством. Он может широко использоваться в военной радиолокации, коммуникационной навигации, спутниковой связи, прецизионных приборах и многих других областях.

Компания Boeing Company (США) – один из крупнейших мировых производителей авиационной, космической и военной техники. Ее патент US7887333B1 “Conformal slip ring system” (“Конформная система скользящих колец”) был опубликован 15.02.2011. Раскрываемое изобретение относится в целом к платформам с вращающимися конструкциями и, в частности, к способу и устройству для передачи сигналов между вращающейся конструкцией и невращающейся конструкцией.

Российская организация ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии (ликвидирована в 2016 году) занималась разработкой научно-технических программ, систем машин и технологий в сельскохозяйственном производстве и сельскохозяйственном машиностроении, в том числе интеллектуальных систем и технологий, роботизированных технических средств, систем энергообеспечения, электротехнологий и энергетического оборудования. В своем патенте RU2423772C1 “Способ и устройство передачи электрической энергии (варианты)”, опубликованном 10.07.2011, ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии раскрывает изобретение, относящееся к электротехнике, к передаче электрической энергии. Технический результат состоит в повышение КПД, увеличении расстояний передачи электрической энергии от источника энергии до потребителя, уменьшении расхода цветных металлов и повышении стабильности передающегося напряжения независимо от нагрузки. Передача электрической энергии осуществляется путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из преобразователя частоты, повышающего резонансного трансформатора, однопроводной линии электропередачи и понижающего высокочастотного трансформатора. Преобразователь частоты имеет обратную связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи.

Китайская организация Shanghai aerospace system engineering institute (Шанхайский инженерный институт аэрокосмических систем, SASEI) владеет правами на патентную публикацию CN113594819A “Rolling ring structure with motion self-adaptability” (“Конструкция кольца качения с возможностью самоадаптации к движению”), которая раскрывает техническое решение в части конструкции кольца качения с возможностью самоадаптации к движению и решения проблемы нестабильного движения и низкой эффективности электрической передачи. Конструкция кольца качения содержит внутреннее проводящее кольцо, верхнюю направляющую холостого хода, внешнее проводящее кольцо, гибкие кольца, холостые колеса и нижнюю направляющую холостого хода, при этом внешнее проводящее кольцо расположено на внешней стороне внутреннего проводящего кольца и концентрично внутреннему проводящему кольцу; кольцевая канавка образована между внутренним проводящим кольцом и внешним проводящим кольцом; множество гибких колец равномерно распределено в кольцевой канавке в окружном направлении и ограничено и удерживается внутренним проводящим кольцом и внешним проводящим кольцом; одно колесо холостого хода расположено между каждыми двумя соседними гибкими кольцами; верхняя направляющая колеса холостого хода и нижняя направляющая колеса холостого хода жестко соединены с кольцом холостого хода. верхнюю сторону и нижнюю сторону внешнего проводящего кольца соответственно; и каждое колесо холостого хода ограничено и удерживается двумя гибкими кольцами, которые примыкают слева и справа, верхней направляющей колеса холостого хода и нижней направляющей колеса холостого хода.

Китайская организация Shanghai engineering center for microsatellites (Шанхайский инженерный центр микроспутников) владеет правами на патент CN109795725B “Space electric conduction slip ring simulator and corresponding simulating method thereof” (“Имитатор контактного кольца с пространственной электропроводностью и соответствующий способ его моделирования”), опубликованный 24.11.2020. Раскрываемое изобретение в целом относится к области испытаний космических аппаратов и, в частности, к модели для имитации космического токопроводящего контактного кольца.

Beijing institute of control engineering (BICE, Пекинский институт инженерии управления) проводит исследования, связанные с разработкой систем управления космическими аппаратами, а также электромеханических устройств и двигательных установок. Его патент CN111416253B “Electric transmission rotary joint” (“Поворотный шарнир электрической передачи”) раскрывает изобретение, относящиеся к поворотному шарниру электропередачи, который используется в устройствах сверхвысокой мощности, таких как пилотируемые космические станции и солнечные космические электростанции, и относится к технической области космических прокатных токопроводящих колец. Описываемые поворотный шарнир содержит главный вал, корпус, двигатель, зубчатое кольцо и N наборов токопроводящих колец качения, где N больше или равно 1. Двигатель приводит во вращение зубчатое кольцо (неподвижно соединено с корпусом), а зубчатое кольцо приводит во вращение корпус, делая корпус вращающейся деталью. Главный вал расположен внутри корпуса, а два конца соединены с корпусом через радиально-упорные подшипники. Главный вал соединен с корпусом спутника. Соединение неподвижных частей и N групп токопроводящих колец качения расположены бок о бок между корпусом и главным валом, которые используются для реализации структуры электрической передачи.

Все представленные патентные публикации получены правообладателями в своих национальных ведомствах. На основании отсутствия со стороны правообладателей активных действий по охране разработок на территории других стран, можно предположить, что рассматриваемое направление не имеет высокого коммерческого потенциала. Но так как СЭП по сути является одной из ключевых систем КА, то технические решения, используемые в ней, востребованы всегда. Таким образом, предполагая важность разработок по рассматриваемому направлению с точки зрения уровня техники, можно сделать вывод, что для их охраны предпочитают режимы секрета производства или коммерческой (государственной) тайны.

С другой стороны решения в части устройств для передачи электрической энергии могут быть включены и рассматриваться для дальнейшей реализации в составе какой-либо более крупной (сборной) системы, например, в устройстве поворота СБ или КА в целом. И в таком случае необходимо анализировать коммерческий и технический эффект от использования уже таких систем. Примером может служить патент АО "ИСС" имени академика М. Ф. Решетнёва" RU2570006C2 “Система поворота солнечной батареи большой мощности”, опубликованный 10.12.2015, или патент CAST CN111769416B “Device for simulating modular rolling type conductive rotary motion in vacuum environment” (“Устройство для моделирования токопроводящего вращательного движения модульного типа качения в вакууме”), опубликованный 01.10.2021.

В части технических решений разработчики преимущественно получают патенты на новые варианты конструкций устройств передачи электрической энергии. В большинстве случае для токосъёмного устройства выбирается кольцевая форма. Основной вопрос, который решается предложенными изобретениями – это возможность передачи большей мощности в течении длительного временного промежутка.

Оценка публикационной активности среди отечественных разработчиков и исследователей в области систем электропитания космического аппарата, в частности устройств для передачи электрической энергии с солнечных батарей в СЭП КА также способствует определению востребованности рассматриваемого направления.

На рисунке 6 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” за период с 1997 г. по 2021 г. (по данным портала eLibrary).

На рисунке 7 представлено распределение публикаций непатентной литературы по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” по организациям за период с 1997 г. по 2021 г. Распределение представлено для организаций, имеющих наибольшее количество публикаций.

Из распределения, представленного на рисунке 6, видно, что в течение периода с 1997 г. по 2021 г. наблюдается постепенное увеличение количества публикаций непатентной литературы по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата”. При этом публикации осуществляются образовательными и научно-исследовательскими организациями (рисунок 7). Из анализа полученной выборки непатентных публикаций (рисунки 6 и 7) можно предположить, что научно-исследовательские работы по рассматриваемому направлению проводятся в России в малом количестве.

В результате анализа патентной информации по теме “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” было получено распределение патентных публикаций по группам МПК (рисунок 8). Распределение представлено по 6-ти подклассам МПК.

В результате анализа было выявлено, что патентные публикации распределяются по следующим группам МПК:

Среди групп СПК, указанных у патентных публикаций, стоит обратить внимание на:

Патентная активность в области устройств для передачи электрической энергии с СБ в СЭП КА невелика. За период в 25 лет актуальными юрисдикциями для патентования своих изобретений в части устройств для передачи электрической энергии с СБ в СЭП КА остаются Россия, Китай и США. Перечисленные страны являются наиболее активными и влиятельными на мировом космическом рынке.

Все представленные патентные публикации получены правообладателями в своих национальных ведомствах. На основании отсутствия со стороны правообладателей активных действий по охране разработок на территории других стран, можно предположить, что рассматриваемое направление не имеет высокого коммерческого потенциала. Но так как СЭП по сути является одной из ключевых систем КА, то технические решения, используемые в ней, востребованы всегда. Таким образом, предполагая важность разработок по рассматриваемому направлению с точки зрения уровня техники, можно сделать вывод, что для их охраны предпочитают режимы секрета производства или коммерческой (государственной) тайны.

На отечественном и мировом рынках явное преимущество в разработке устройств для передачи электрической энергии с СБ в СЭП КА имеет АО “ИСС” имени академика М.Ф.Решетнева”, таким образом еще раз подтверждая высокую конкурентоспособность отечественных организаций отечественной ракетно-космической промышленности.

Всеобщее мировое стремление к освоению дальнего космоса влияет на повышение уровня требований к космической технике и особенно к СЭП КА. Планка мирового уровня техники в области систем, обеспечивающих электропитание КА, сегодня труднодостижима, что также способствует малому количеству исследований с успешным получением правовой охраны на результаты в будущем. Несмотря на это, планы космических агентств частично уже реализовываются, а значит востребованность инновационных решений для СЭП КА продолжит расти. В этой связи можно утверждать, что и разработки в направлении “Устройства для передачи электрической энергии с солнечных батарей в систему электропитания космического аппарата” в ближайшее время наберут популярность на рынке космической техники. При этом, ввиду отсутствия высокой активности патентования разработок зарубежными конкурентами и ввиду наличия небольшого количества публикаций по данному направлению, высока вероятность, что сложностей при патентовании перспективных технических решений по рассматриваемому направлению в настоящее время не возникнет.