Plataforma de retransmisión estacionaria de gran altitud

El concepto de utilizar energía dirigida para la propulsión de aeronaves fue inventado casi en solitario por William C. Brown . ^{[ 1 ]} Tras incorporarse a Raytheon en la década de 1940, Brown comenzó a trabajar en la mejora de sus productos de magnetrón . Esto condujo al desarrollo del amplificador de campo cruzado , un amplificador de microondas sencillo, fiable y de alta eficiencia . Posteriormente, colaboró ​​con colegas en el desarrollo de la rectena , que recibe microondas (la (an)"tenna") y las convierte directamente en corriente continua (el "rectificador"). ^{[ 2 ]}

Brown contaba ahora con un sistema capaz de convertir la energía de entrada en microondas con una eficiencia de hasta el 70 % y, a su vez, reconvertirla en energía eléctrica con la misma eficiencia, lo que resultaba en una eficiencia global de aproximadamente el 50 %. Brown buscó aplicaciones para esta tecnología, trabajando tanto en satélites de energía solar (SPS) como en el concepto de Plataforma de Energía de Gran Altitud (HAPP). Esta investigación llegó incluso a realizar el vuelo de un helicóptero modelo utilizando energía transmitida por haz en 1965. ^{[ 3 ]}

La NASA también invirtió en el concepto de rectena como parte de su trabajo en el SPS. Esto se probó en un experimento tierra-tierra en 1975, ^{[ 4 ]} y como parte de este, desarrollaron versiones ligeras de la rectena. En 1982, Brown y James Trimer (de la NASA) anunciaron una nueva versión de la rectena que utilizaba técnicas de circuitos impresos que reducían el peso diez veces. ^{[ 2 ]} Esto hizo que las aplicaciones aeronáuticas fueran mucho más atractivas.

Antes de que fuera posible la transmisión de ángulo estrecho desde satélites de comunicaciones, las emisoras de televisión se enfrentaban al problema de disponer únicamente de tecnología adecuada para grandes áreas metropolitanas de unos 100  km mediante antenas terrestres convencionales, o para amplias zonas del continente mediante satélites. Para cubrir el rango intermedio entre estos dos extremos, normalmente se requería una red de antenas repetidoras, cuyo coste era elevado dado el reducido número de poblaciones a las que solían dar servicio.

Dado que un satélite estaba demasiado alto y una antena terrestre demasiado baja, se necesitaba una plataforma intermedia que cubriera un área de unos cientos de kilómetros de radio, aproximadamente del tamaño de una provincia canadiense. Para ello, la plataforma tendría que volar a unos  21  km de altitud. Los aviones y helicópteros podían hacerlo, pero solo con autonomías limitadas. Los aerostatos de gran altitud eran otra posibilidad. De las tecnologías disponibles, los helicópteros parecían demasiado pesados, y los aerostatos, apodados jocosamente el "Hindenberg de gasa", no se comprendían bien. Un avión ultraligero de propulsión eléctrica parecía ser la mejor solución. En aquel momento, un sistema que utilizara células solares y baterías se consideraba demasiado pesado. ^{[ 5 ]}

La rentabilidad del sistema resultaba atractiva como alternativa a los satélites convencionales, incluso en algunos despliegues de gran envergadura. El CRC estimó que cada aeronave costaría unos 100 000 dólares y que su operación anual tendría un coste de entre 2 y 3 millones de dólares. En contraste, el lanzamiento de un satélite costaba aproximadamente 150 millones de dólares. Además, mientras que un satélite de la época podía tener una vida útil de unos 10 años, la aeronave podía regresar periódicamente a tierra para su mantenimiento y actualizaciones, lo que le permitía operar indefinidamente. Consideraban que esto resultaría atractivo para los mercados del tercer mundo . ^{[ 5 ]}

Tras el trabajo de HAPP, el CRC comenzó a desarrollar su propia versión con el objetivo específico de crear una plataforma de comunicaciones. SHARP utilizaría una  matriz de pequeñas antenas parabólicas de 80 m de diámetro que emitirían 500  kW de potencia hacia la aeronave a  una frecuencia de 5,8 GHz. A gran altitud, el haz se concentraba en un área ligeramente mayor que la aeronave. Dado que la aeronave normalmente volaba en círculo de unos 2  km de diámetro, el haz solo necesitaba orientarse unos pocos grados. ^{[ 2 ]}

En 1981, SED Systems obtuvo un contrato para estudiar los requisitos de energía de una plataforma de comunicaciones, mientras que John F. Martin de Martin Communications y James DeLaurier de UTIAS estudiaban configuraciones de aeronaves. En septiembre de 1982, el Departamento de Comunicaciones autorizó la formación de un grupo de estudio formal dentro del CRC, que estudió el diseño de rectenas, lo que dio lugar a varias patentes sobre versiones de película delgada. ^{[ 2 ]}

En 1982, UTIAS construyó un prototipo de la aeronave con un  ala de 1,3 metros de altura y relación de aspecto elevada, montada justo encima del fuselaje, y una cola en T convencional en la parte trasera. Este modelo estaba propulsado por un pequeño motor de gasolina y no contaba con una rectena. El prototipo presentó varios problemas aerodinámicos, lo que llevó a un diseño mejorado que trasladó el estabilizador horizontal a la parte delantera de la aeronave, en una configuración canard . Este diseño se sometió a pruebas en el túnel de viento de UTIAS durante 1985 y 1986. ^{[ 2 ]}

Todos estos estudios culminaron con la aprobación para construir un modelo a escala 1/8 del vehículo SHARP propuesto para su producción, el cual estaría propulsado por dos pequeños motores eléctricos. La energía para el despegue provendría de baterías, hasta que alcanzara la altitud suficiente para captar el haz de microondas y autoalimentarse a partir de ese momento. El modelo, con una  envergadura de 4,5 metros, se construyó durante 1987. ^{[ 2 ]}

Su vuelo inaugural en el CRC tuvo lugar el 17 de septiembre de 1987. El sistema funcionó según lo previsto, permitiendo el lanzamiento mediante las baterías y la recepción por el  transmisor de 1 kW poco después del despegue. El tiempo de vuelo inicial de 20 minutos se extendió a más de una hora el 5 de octubre, y el día 6 se realizó una demostración pública para la Ministra de Comunicaciones, Flora MacDonald . ^{[ 2 ]} Su trabajo les valió el "Diplôme d'Honneur" de la Fédération Aéronautique Internationale en 1988.

A pesar de su éxito, la investigación SHARP finalizó como parte de un recorte generalizado de los presupuestos de investigación canadienses. Cuando el avión SHARP estaba almacenado y listo para realizar vuelos de larga duración, ratones de campo lo atacaron, por lo que los vuelos nunca se llevaron a cabo. ^{[ 2 ]}

El trabajo fue retomado en Japón en el Centro de Ciencias Radioatmosféricas de la Universidad de Kioto. Inmediatamente después de los éxitos de SHARP, el profesor Hiroshi Matsumoto desarrolló un vehículo similar, que voló el 29 de agosto de 1992. ^{[ 6 ]}

En comparación con SHARP, su vehículo MILAX (Experimento de Avión Elevado por Microondas) presentaba dos nuevas características de diseño. La rectena de la aeronave estaba integrada en las alas y la cola, eliminando la necesidad de un cuerpo de antena independiente. La antena de transmisión se basaba en una matriz de fase activa , lo que le permitía orientarse sin movimiento físico. El sistema se probó montando la antena de transmisión en la parte trasera de una camioneta ligera y conduciéndola mientras MILAX la seguía. ^{[ 7 ]}

Otro experimento de transmisión de energía en Japón fue el proyecto ETHER, que transmitió 5,8  kW de energía a un dirigible inflado con helio. ^{[ 8 ]}

En los años transcurridos desde que se propuso el sistema por primera vez, los avances en células solares y tecnología de baterías han trastocado los cálculos iniciales. El Pathfinder de la NASA demostró un vuelo de larga duración propulsado por energía solar en una función esencialmente idéntica a la de SHARP. En la década de 2000, Titan Aerospace comenzó el desarrollo de un vehículo de este tipo específicamente para la función de comunicaciones, en este caso como repetidor de internet . ^{[ 9 ]}