SHARP , abreviatura de Stationary High Altitude Relay Platform (Plataforma de retransmisión de gran altitud estacionaria), fue un avión experimental que utilizaba propulsión por haz diseñado por el Centro de Investigación en Comunicaciones de Canadá (CRC) y construido por el Instituto de Estudios Aeroespaciales de la Universidad de Toronto (UTIAS) durante la década de 1980. SHARP utilizaba microondas para proporcionar energía desde una estación terrestre que alimentaba motores eléctricos que hacían girar hélices para mantener el avión en el aire. La energía también se utilizaba para la electrónica de a bordo. SHARP podía permanecer en el aire indefinidamente y estaba destinado a ser utilizado como una especie de satélite de comunicaciones de baja altitud para áreas geográficas más pequeñas.
El concepto de utilizar energía emitida por haces para la propulsión de aeronaves fue inventado casi sin ayuda de nadie por William C. Brown . [1] Después de unirse 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 simple, confiable y altamente eficiente . Más tarde trabajó con colegas para desarrollar la rectenna , que recibe microondas (la "antena") y las convierte directamente en energía de CC (el "rectificador"). [2]
Brown contaba ahora con un sistema que podía convertir la energía de entrada en microondas con una eficiencia de hasta el 70% y convertirla de nuevo en energía eléctrica con una eficiencia del 70%, lo que daba como resultado una eficiencia general de alrededor del 50%. Brown buscó aplicaciones de la tecnología y trabajó tanto en satélites de energía solar (SPS) como en el concepto de plataforma de gran altitud propulsada (HAPP). Esta investigación llegó hasta el punto de hacer volar un helicóptero modelo utilizando energía de haz en 1965. [3]
La NASA también invirtió en el concepto de la rectenna como parte de su trabajo SPS. Esto se probó en un experimento tierra-tierra en 1975, [4] y como parte de esto desarrollaron versiones livianas de la rectenna. En 1982, Brown y James Trimer (de la NASA) anunciaron una nueva versión de la rectenna utilizando técnicas de circuito impreso que reducían el peso diez veces. [2] Esto hizo que las aplicaciones en aeronaves fueran mucho más atractivas.
En la época en que no era posible la transmisión de ángulo estrecho desde satélites de comunicaciones, las emisoras de televisión se enfrentaban al problema de que sólo contaban con tecnología adecuada para áreas metropolitanas mayores, del orden de 100 km, utilizando antenas terrestres convencionales, o para grandes porciones del continente utilizando satélites. Para cubrir el rango entre estos dos extremos normalmente se requería una red de antenas repetidoras, que eran costosas dadas las poblaciones más pequeñas a las que normalmente servían.
Como el satélite estaba demasiado alto y la antena terrestre demasiado baja, lo que se necesitaba era una plataforma entre los dos, que cubriera un área de unos pocos cientos de kilómetros de radio, aproximadamente el tamaño de una provincia canadiense. Para ello, la plataforma tendría que volar a unos 70.000 pies (21 km) de altitud. Los aviones y los helicópteros podían hacerlo, pero sólo con autonomías cortas. Los aerostatos de gran altitud eran otra posibilidad. De las tecnologías disponibles, los helicópteros parecían ser demasiado pesados, y los aerostatos, a los que se hacía referencia en broma como el "Hindenberg de Gossamer", no se entendían bien. Un avión ultraligero propulsado eléctricamente parecía ser la mejor solución. En ese momento, un sistema que utilizara células solares y baterías se consideraba demasiado pesado. [5]
La economía del sistema lo hacía atractivo como sustituto de los satélites convencionales, incluso en algunos despliegues de gran superficie. El CRC estimó que cada avión costaría unos 100.000 dólares y que su funcionamiento costaría entre dos y tres millones de dólares al año. En cambio, el lanzamiento de un satélite costaba unos 150 millones de dólares. Además, mientras que un satélite de la época podía tener una vida útil de unos diez años, el avión podía volver periódicamente a tierra para realizar tareas de mantenimiento y mejoras, lo que le permitía funcionar indefinidamente. Pensaron que esto sería atractivo para los mercados del tercer mundo . [5]
Tras el trabajo de HAPP, el CRC comenzó a trabajar en su propia versión con la intención específica de crear una plataforma de comunicaciones. SHARP utilizaría un conjunto de antenas parabólicas pequeñas de 80 m de diámetro que emitirían 500 kW de potencia a la aeronave en una frecuencia de 5,8 GHz. En altitud, el haz se enfocaba hacia un área apenas más grande que la aeronave. La aeronave normalmente volaba en un círculo de unos 2 km de diámetro, por lo que el haz solo necesitaba girar unos pocos grados. [2]
En 1981, SED Systems recibió un contrato para estudiar los requisitos de potencia de una plataforma de comunicaciones, mientras que John F. Martin, de Martin Communications, y James DeLaurier, de UTIAS, estudiaron las configuraciones de las aeronaves. En septiembre de 1982, el Departamento de Comunicaciones dio luz verde para formar 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 alto con una relación de aspecto 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 admitía una rectenna. 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 . Esto se sometió a pruebas de túnel de viento en UTIAS durante 1985 y 1986. [2]
Todos estos estudios culminaron con la autorización para construir un modelo a escala 1/8 del vehículo SHARP de producción en serie, que estaría propulsado por dos pequeños motores eléctricos. La energía para el despegue se proporcionaría mediante baterías, hasta que ganara suficiente altitud para poder captar el haz de microondas y autoabastecerse 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 como se esperaba, permitiendo el lanzamiento por las baterías y la captura por el transmisor de 1 kW poco después del despegue. El tiempo de vuelo inicial de 20 minutos se amplió 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 ganó el "Diplôme d'Honneur" de la Fédération Aéronautique Internationale en 1988.
A pesar de su éxito, la investigación sobre SHARP terminó como parte de una reducción mayor de los presupuestos de investigación canadienses. Cuando estaba lista para probar vuelos de larga duración, los ratones de campo atacaron la aeronave SHARP mientras estaba almacenada y los vuelos nunca se llevaron a cabo. [2]
El trabajo se retomó en Japón, en el Centro de Ciencias Radioatmosféricas de la Universidad de Kioto. Inmediatamente después de los éxitos del 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 (Microwave Lifted Airplane Experiment) tenía dos nuevas características de diseño. La rectenna del avión estaba incrustada en las superficies de las alas y la cola, eliminando la necesidad de un cuerpo de antena separado. La antena de transmisión se basaba en un conjunto de antenas en fase activas , lo que le permitía dirigirse sin movimiento físico. El sistema se probó montando la antena de transmisión en la parte trasera de un camión ligero y conduciéndolo mientras el MILAX lo seguía. [7]
Otro experimento de energía transmitida 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 por primera vez el sistema, los avances en las células solares y la tecnología de las baterías han trastocado los cálculos iniciales. El Pathfinder de la NASA demostró un vuelo de larga duración con energía solar en una función esencialmente idéntica a la del SHARP. En la década de 2000, Titan Aerospace comenzó a desarrollar un vehículo de este tipo específicamente para la función de comunicaciones, en este caso como repetidor de Internet . [9]