固定式高高度中継プラットフォーム

SHARP は、 Stationary High Altitude Relay Platformの略で、 1980年代にカナダ通信研究センター(CRC)によって設計され、トロント大学航空宇宙研究所(UTIAS) によって製造された、ビーム駆動推進を使用する実験用航空機です。SHARP は、マイクロ波を使用して地上局から電力を供給し、電気モーターを駆動してプロペラを回転させ、航空機を空中に浮かせていました。電力は機内の電子機器にも使用されました。SHARP は永久に空中に留まることができ、より狭い地理的領域向けの 一種の低高度通信衛星として使用することを目的としていました。

航空機の推進力としてビーム電力を使用するという概念は、ウィリアム・C・ブラウンによってほぼ独力で発明されました。^[1] 1940年代にレイセオンに入社した後、ブラウンはマグネトロン製品の改良に着手しました。これは、シンプルで信頼性が高く、効率の高いマイクロ波増幅器であるクロスフィールド増幅器の開発につながりました。彼は後に同僚と協力して 、マイクロ波（「アンテナ」）を受信して​​直接DC電力（「整流器」）に変換するレクテナを開発しました。 ^[2]

ブラウンは、入力電力を最大 70% の効率でマイクロ波に変換し、それを 70% の効率で電力に戻すことができるシステムを手に入れました。その結果、全体の効率は約 50% になりました。ブラウンは、この技術の応用を模索し、太陽光発電衛星(SPS) と高高度動力プラットフォーム (HAPP) のコンセプトの両方に取り組みました。この研究は、1965 年にビーム電力を使用して模型ヘリコプターを飛行させるところまで進みました。^[3]

NASAも SPS 研究の一環としてレクテナのコンセプトに投資しました。これは 1975 年に地上対地実験でテストされ、^[4]この一環としてレクテナの軽量版が開発されました。1982 年にブラウンとジェームズ トリマー (NASA) はプリント回路技術を使用して重量を 10 分の 1 に減らした新しいバージョンのレクテナを発表しました。^[2]これにより航空機への応用がはるかに魅力的になりました。

通信衛星からの狭角放送が可能になる前の時代、テレビ放送局は、従来の地上設置型アンテナを使用して 100 km 程度の大都市圏、または衛星を使用して大陸の大部分に適した技術しか持っていないという問題に直面していました。通常、この 2 つの極端な範囲に対応するには、中継アンテナのネットワークが必要でしたが、中継アンテナは通常、サービス提供対象人口が少ないため、高価でした。

衛星は高すぎ、地上アンテナは低すぎたため、半径数百キロメートルの領域をカバーする、両者の間のプラットフォームが必要だった。これはカナダの州ほどの大きさである。これを実現するには、プラットフォームは約 70,000 フィート (21 km) の高度で飛行する必要がある。航空機やヘリコプターはこれを実現できるが、飛行時間は短い。超高高度飛行用エアロスタットも別の可能性だった。利用可能な技術の中で、ヘリコプターは重すぎるようで、冗談で「ゴッサマー ヒンデンベルグ」と呼ばれたエアロスタットはよく理解されていなかった。電気で動く超軽量航空機が最善の解決策と思われた。当時、太陽電池とバッテリーを使用するシステムは重すぎると考えられていた。^[5]

このシステムの経済性は、一部の大規模展開においても従来の衛星の代替として魅力的であった。CRC は、航空機 1 機あたりのコストが約 10 万ドル、運用コストが年間 200 万ドルから 300 万ドルになると見積もった。対照的に、衛星の打ち上げだけで約 1 億 5000 万ドルのコストがかかった。さらに、当時の衛星の寿命が約 10 年であるのに対し、航空機は定期的に地上に返却して整備やアップグレードを行うことができ、無期限に運用することができた。彼らはこれが第三世界の市場にとって魅力的であると感じた。^[5]

HAPPの研究に続いて、CRCは通信プラットフォームを作るという明確な目的を持って、独自のバージョンの開発に着手した。SHARPは、直径80メートルの小型パラボラアンテナアレイを使用して、5.8GHzの周波数で500kWの電力を航空機に送る。高度では、ビームは航空機よりもわずかに大きい領域に集中する。航空機は通常、直径約2kmの円を描いて飛行するため、ビームを数度動かすだけで済んだ。^[2]

1981年、SED Systemsは通信プラットフォームの電力要件を研究する契約を獲得し、Martin CommunicationsのJohn F. MartinとUTIASのJames DeLaurierは航空機の構成を研究しました。1982年9月、通信省はCRC内に正式な研究グループを結成することを承認し、レクテナの設計を研究し、薄膜バージョンに関するいくつかの特許につながりました。^[2]

1982年、UTIASは、胴体の真上に1.3メートルの高さのアスペクト比の主翼を取り付け、後部に従来のT字型尾翼を備えた航空機の試作機を製作した。このモデルは小型ガソリンエンジンで駆動し、レクテナは搭載していなかった。試作機はいくつかの空力上の問題が判明したため、水平安定板を機体の前方に移動し、カナード構成にする改良設計が採用された。これは1985年から86年にかけてUTIASで風洞試験を受けた^。[2]

これらの研究のすべてが、2つの小型電気モーターで駆動するSHARP機の8分の1スケールのモデルを製作するという承認に至った。離陸時の電力はバッテリーで供給され、高度が十分に達してマイクロ波ビームを受信できるようになると、そこから自力で発電する。翼幅4.5メートルのこのモデルは、1987年に製作された。^[2]

CRCでの初飛行は1987年9月17日に行われた。システムは予想通りに機能し、バッテリーによる打ち上げと、離陸直後の1kW放送局による捕捉が可能となった。当初の20分の飛行時間は10月5日までに1時間以上に延長され、6日には通信大臣フローラ・マクドナルドのために公開デモンストレーションが行われた。^{[2]彼らの功績は1988年に}国際航空連盟から「名誉賞」を受賞した。

成功したにもかかわらず、SHARPの研究はカナダの研究予算の大幅な削減の一環として終了しました。長期間の飛行をテストする準備が整ったSHARP機は、保管中に野ネズミに襲われ、飛行は行われませんでした。^[2]

この研究は日本でも京都大学電波大気科学センターで引き継がれました。SHARPの成功に続いて、松本紘教授が同様の機体を開発し、1992年8月29日に飛行しました。^[6]

SHARPと比較して、彼らのMILAX（マイクロ波飛行機実験）機体には2つの新しい設計上の特徴がありました。機体のレクテナは翼と尾翼に埋め込まれており、別個のアンテナ本体が不要でした。放送アンテナはアクティブフェーズドアレイに基づいており、物理的な動きなしに操縦できます。このシステムは、放送アンテナを軽トラックの後ろに取り付け、MILAXがそれを追いながら走行することでテストされました。^[7]

日本で行われたもう一つのビーム電力実験はETHERプロジェクトであり、ヘリウムを充填した飛行船に5.8kWの電力をビーム送信した。^[8]

このシステムが最初に提案されてから数年が経ち、太陽電池とバッテリー技術の進歩により、当初の計算は覆されました。NASAのパスファインダーは、 SHARPと本質的に同じ役割で、長時間の太陽光発電飛行を実証しました。2000年代に、タイタン・エアロスペースは、インターネット中継などの通信用途に特化した車両の開発を開始しました。^[9]