Способ подвода энергии к аэростату "юпи-1"

 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха. Сущность: энергию поступательного движения потока воздушных масс перед поступлением в ветродвигатель 7, установленный на аэростате, преобразуют в энергию вращательного движения путем закручивания в спиральных сужающихся каналах кольцевого воздухозаборника с образованием вихря, периферийный слой которого сбрасывается в полость оболочки аэростата. После взаимодействия центральной массы вихря с ветродвигателем 7 энергию поступательного движения несущего газа используют для создания управляющих сил. 3 ил.

Изобретение относится к воздухоплаванию, в том числе к привлеченным аэростатами дирижаблям, в частности к летательным аппаратам, использующим энергию потока воздушных масс, ветровую энергию.

Известны различные способы подвода энергии к аэростату, нуждающемуся в увеличении грузоподъемности, в улучшении устойчивости аппарата на высоте.

Способом-аналогом тут представляется тот, который рассчитан на поглощении энергии потока воздушных масс, набегающих на дирижабль, с преобразованием указанной энергии в теплоту несущего газа в результате работы пульсирующего воздушно-реактивного двигателя внутри оболочки сигарообразной формы. Упомянутый газогенератор расположен в проточном канале, проходящем через оболочку аэростата, а несущий газ обеспечивает создание аэростатической подъемной силы. Принудительный перенос несущего газа посредством реактивного двигателя здесь исключает скапливание наиболее горячей массы указанной среды в верхней зоне оболочечной плоти во время дифферента аппарата. Значит, обеспечивается хорошая устойчивость последнего, возврат его в исходное рабочее положение (а.с. СССР N 1735117, кл. B 64 B 1/62, 1992).

Недостаток способа-аналога состоит в том, что тепловой аэростат с сигарообразной оболочкой при полете не обладает удовлетворительной маневренностью по азимуту, имеет очень большой радиус циркуляции. Кроме того, топливо на борту снижает грузоподъемность аэростата, его высотность, ограничивает дальность хода дирижабля.

Использование энергии набегающего потока достигается тут в полной мере в периоды, когда патрубок воздухозаборника обращен навстречу ветру. Ведь вход в этот патрубок направлен в сторону носовой оконечности "сигары".

Попытка устранить описанный недостаток предпринята в другом способе подвода энергии к аэростату. Суть этого способа состоит в поглощении энергии потока воздушных масс так, что одна часть указанной энергии расходуется на преобразование в электрическую энергию, а затем в теплоту несущего газа, который находится в тороидальной оболочке летательного аппарата и обеспечивает аэростатическую подъемную силу аэростата при взаимодействии с ветродвигателем, расположенным в центральном канале оболочечного тороида. Другая часть энергии потока преобразуется в напор, предназначенный для создания динамической подъемной силы за счет изменения направления движения потока воздушных масс в сторону земной поверхности.

Полость оболочки связана с источником несущего газа водорода, получаемого на борту. Энергия для этого черпается от электрического генератора, соединенного валом ветряка. Способ-прототип благодаря оболочке тороидальной формы, в принципе, позволяет значительно улучшить азимутальную маневренность аэростата. В варианте дирижабля у последнего увеличивается и дальность хода (патент США N 4309006, кл. В 64 В 1/02, 1982).

Недостаток такого способа можно разложить на ряд составляющих. Во-первых, небольшая высотность и грузоподъемность аппарата из-за весьма тяжелого и энергоемкого электролизера, производящего водород, из-за массивной системы, вырабатывающей дистиллят для электролизера. Поэтому на борту дирижабля, действующего с учетом способа-прототипа, должна находиться традиционная тяговая установка. Значит, возникает потребность в топливе, добавочный вес. Во-вторых, чистый водород в окружении кислой атмосферной среды. Значит есть опасность пожара и взрыва. Прибегнуть же к водородо-гелиевой смеси тут сложно. В-третьих, в случае оболочки в виде тора или линзы не избежать потери устойчивости в полете. Остаточный дифферент на корму при попытке кабрирования, "вязкий" крен после виража из-за отсутствия в процессе такой операции, как "автоматическая промывка" оболочечной полости струями горячего несущего газа, ликвидация верхушечной зоны застоя. В-четвертых, воздухозаборник никак не использует энергию бокового ветра.

Цель изобретения устранение этого недостатка способа-прототипа, увеличение высотности и грузоподъемности аэростата, улучшение управляемости дирижабля с линзообразной тороидальной оболочкой, по тангажу и крену, обеспечение устойчивости положения аппарата в воздухе, обеспечение безопасности полета, особеноо при ураганных ветрах.

Цель достигается тем, что в известном способе подвода энергии к аэростату, заключающемся в увеличении высоты положения этого аэростата путем поглощения энергии потока воздушных масс, в преобразовании одной ее части в электрическую энергию, а затем в тепловую энергию несущих газов внутри оболочки аэростата, обеспечивающих создание аэростатической подъемной силы, при взаимодействии с ветродвигателем, расположенным в проточном канале, проходящем через оболочку аэростата, и преобразования другой части энергии потока в напор, предназначенный для создания динамической подъемной силы за счет изменения направления движения потока воздушных масс в сторону земной поверхности, энергию поступательного движения потока воздушных масс перед поступлением в ветродвигатель преобразуют в энергию вращательного движения.

Это отличительное преобразование производится путем закручивания в спиральных сужающихся каналах кольцевого воздухозаборника с образованием вихря, периферийный слой которого сбрасывают в полость оболочки аэростата, а после взаимодействия центральной массы вихря с ветродвигателем энергию поступательного движения несущего газа используют для создания управляющих усилий за счет изменения направления отдельных струй. Энергию потока в сторону земной поверхности подпитывают энергией добавочного атмосферного потока, ускоренного кольцевым ветроэжектором. Эта добавка не зависит от вихря, она не "остаточна".

Итак, образующийся вихрь позволяет уплотнить энергию потока воздушных масс в центральном проточном канале перед ветряком, сильно скосить токи воздуха при входе на рабочую крыльчатку, причем без каких-либо направляющих лопаток. Это сократит диаметральные размеры упомянутого канала, упростит профилировку лопастей самой крыльчатки. Значит, есть возможность постройки ветродвигателя, всего дирижабля.

Повышается и устойчивость последнего, которая оценивается в трех аспектах. Первый из них борьба с конвективным всплытием наиболее горячих масс несущего газа в ту зону оболочечной полости, которая эпизодически оказывается в самом верху. Тангенциальный разброс подогретого воздуха по периферийному поясу названной полости позволяет легко управлять дирижаблем по тангажу и крену с помощью рулей высоты и элеронов, расположенных в кормовом секторе аппарата.

Вращение аэростата в горизонтальной плоскости порождается реактивным моментом, возникающим при закрутке воздушных токов в спиральных каналах кольцевого заборника. Чтобы нейтрализовать этот момент, способ предусматривает асимметрию в создании управляющих усилий за счет струй несущего газа, истекающих из оболочки аэростата. Но дирижабль с верхним расположением воздухозаборника еще подвержен воздействию опрокидывающего момента. Он возникает в результате значительной парусности, создаваемой круговой решеткой входных окон спиральных каналов. Поэтому встречный атмосферный поток тут стремится вызвать дифферент на корму, а боковой ветер крен. При подобных наклонах воздухозаборник оказывается в "ветровой тени", а выход из центрального проточного канала обретает вредный наддув. Ветряк при этом теряет мощность.

Приблизить эту парусность к центру массы аэростата можно, если придать оболочке форму двояковыпуклой линзы, но одной этой меры недостаточно. Надо создать аналогичную парусность снизу оболочки, на ее противоположном полюсе и тем самым нейтрализовать упомянутый выше опрокидывающий момент. Однако польза от такой парусности должна быть многоплановой: чтобы при этом увеличилась энергия потока в сторону земной поверхности, чтобы существенно возросла мощность ветряка, стабилизировалась энерговыработка борта при переходе аппарата на кабрирование, при входе в вираж. Отсюда подпитка энергией добавочного потока, ускоренного ветроэжектором.

Тепловой дирижабль с линзообразной оболочкой и высокооборотным ветродвигателем на вертикальном валу, работающий по предлагаемому способу, изображен схематично на фиг. 1-3. На фиг. 1 показан общий вид аэростата; на фиг. 2 воздухозаборник, план; на фиг. 3 вид сверху на теплоисточник несущего газа с выходными участками тяговых доз и рулевую систему.

Подъемный аэростатический узел включает в себя проточный тепловой отсек 1 (фиг. 1) тороидальной формы и схватывающий его кольцевой баллонет 2, в гермополость которого заключен водород, флегматизированный гелием. В энерговырабатывающий атмосферный узел входят кольцевой воздухозаборник 3, расположенный в верхнем полюсе оболочки с выступанием решетки входных окон над тором, вихревая камера 4, встроенная в центральный проточный канал Т и сообщающая этот канал с потребителями энергии вихря, а также круговой ветроэжектор 5, который находится под нижним полюсом оболочки на выходе из проточного канала тороида.

Потребителями энергии воздушного вихря служат кольцевой безлопаточный диффузор 6, соединяющий центральный канал с полостью тора так, что круговой выход диффузора обращен к периферийному поясу теплового отсека, и ветродвигатель 7 с крыльчаткой осевого типа на вертикальном валопроводе. Ветряк размещен в проточном канале тороида, а его валопровод связан с электрогенератором 8. Последний вмонтирован в стекатель С воздухозаборника и посредством силового кабеля подключен к нагревательным элементам источника 9. Эти элементы находятся на выходе диффузора, причем не нарушают тангенциальности в направлениях воздушных токов.

Системы движения-управления включают в себя криволинейные тяговые дозы 10, рули поворота 11, расположенные на выходе дюз, и рули высоты 12. Пилотская грузо-пассажирская кабина 13 встроена между днищем оболочки и ветроэжектором. Дирижабль снабжен гайдропом 14 и аварийным тормозным парашютом Ш, вложенным в верхнее гнездо упомянутого стекателя.

В состав воздухозаборника кроме стекателя входят спиральные сужающиеся каналы К, которые в верхнем ярусе охвачены аэродинамическим кольцом О. Спиральные каналы при этом образуются с помощью ребер Р (см. фиг. 2). Ветроэжектор составлен из радиальных отклоняющихся вниз каналов Э. Они окружают выходной участок центрального канала и сужаются к его срезу.

Две тяговые дюзы находятся в кормовом секторе дирижабля, причем расположены они асимметрично к диаметральной плоскости М-М (фиг. 3). Левая дюза 10_л удалена от этой плоскости на расстояние l_л, правая дюза 10_п находится на плече l_п. Иначе говоря, l_л≠l_п. Рули высоты на стабилизаторе 15 срабатывают раздельно, как элероны.

На фиг. 1 показан случай, когда атмосферные течения не рознятся по углам горизонта и потоками В набегают на носовую оконечность оболочки и передние сектора входных решеток воздухозаборника 3 и ветроэжектора 5. Суммарный опрокидывающий момент тут близок к нулю, хотя разница в работе упомянутых энерговырабатывающих подузлов очевидна: у заборника действуют как фронтальные каналы К, так и подветренные; у эжектора же функционируют при этом только передние каналы Э. Такое расхождение вносит кольцо О.

В результате действия спиральных каналов воздухозаборника и каналов ветроэжектора энергия воздушных потоков уплотняется. В вихревой камере 4 возникает весьма интенсивное вращательное движение потока воздушных масс. На выходе из фронтальных каналов эжектора образуется упругий воздушный козырек У. Он создает на выходе проточного канала Т разрежение среды.

Воздушный вихрь в камере 4 раздваивается. Периферийный его слой вторгается в полость теплового отсека 1 в рассеянном виде через круговой тракт диффузора 6, а центральная масса вихря, спускаясь вниз по проточному каналу, взаимодействует с крыльчаткой ветродвигателя 7.

Мощность последнего увеличивается вследствие разрежения среды в выходном участке проточного канала и передается электрогенератору 8, который отдает свою энергию нагревательным элементам источника 9.

Воздушные токи на выходе из диффузора обретают теплоту и, превращаясь в облегченный несущий газ, тангенциально растекаются по оболочечной полости в направлениях периферийного пояса тора. Тем самым образуются подъемность аэростата и его устойчивость, связанная с устранением местных скоплений наиболее горячих газовых масс.

К описанному процессу возникновения аэростатической подъемности плюсуется подъемность динамическая. Она порождается за счет энергии потока воздушных масс в сторону земной поверхности. Здесь две особенности. Во-первых, эта энергия посредством эжектора подпитывается ветровой энергией снизу; во-вторых, воздушный козырек У не только эжектирует среду, но и защищает выход центрального канала от наддува при эволюциях дирижабля в полете.

Тяга Ю (фиг. 3), обеспечивающая аэростату ход, и управление аппарата по курсу достигаются с помощью остаточной энергии несущих газов тех, которые покидают тепловой отсек через дюзы 10_л-10_п, на выходе из которых функционируют перьевые рули 11_л-11_п. Последние способны срабатывать порознь и таким образом дросселировать дюзы, следовательно, при необходимости менять значение избыточного давления среды в полости тороида.

Кривизна дюзовых трактатов, их плавность заужения к выходу позволяют достигнуть активно-реактивного эффекта и тем самым повысить полетный КПД. В условиях энергетической остаточности такой подход будет, видимо, не лишен смысла. Разноплечье l_л≠l_п дает возможность парировать момент самопроизвольного разворота аппарата по азимуту.

Уплотненная энергия изначального вихря, приближающаяся к той, что имеет место в торнадо, позволяет аэростату действовать при весьма слабых ветрах и на значительных высотах. Обеспечиваются безопасность и работоспособность аппарата и при ураганах, тайфунах. А это опять высота, грузоподъем.

Забросов в частоте вращения крыльчатки ветряка не будет. Этому препятствуют боковые входы заборника и эжектора, запираемые турбулентностью. С усилением ветра число таких окон растет. Отсюда некая стабильность оборотов электрогенератора. Иначе говоря, в способе и конструкции все связано неразрывно.

Ход дирижабля ожидается при таких галсах, как бейдевид, галфвинд в курсе "фордевинд", когда аэростат следует задним ходом: вперед, кормой под ветер. Предполагается использование аппарата, работающего по данному способу, в качестве спасательного судна, когда другие средства не применимы из-за погодных сложностей, когда штормовой ветер разрушает ЛЭП, отказывают традиционные ветряки. Выручит такой дирижабль и патрульную службу.

Регионом действия могут быть Южный океан, где господствуют пассаты, Антарктида с ее сточными ветрами, Северная Атлантика, наше Заполярье, ДВК.

Формула изобретения

Способ подвода энергии к аэростату, заключающийся в увеличении высоты положения аэростата путем поглощения энергии потока воздушных масс, в преобразовании одной ее части в электрическую энергию, а затем в тепловую энергию несущих газов внутри оболочки аэростата, обеспечивающих создание аэростатической подъемной силы, при взаимодействии с ветродвигателем, расположенным в проточном канале, проходящем через оболочку аэростата, и преобразовании другой части энергии потока в напор, предназначенный для создания динамической подъемной силы за счет изменения направления движения потока воздушных масс в сторону земной поверхности, отличающийся тем, что энергию поступательного движения потока воздушных масс перед поступлением в ветродвигатель преобразуют в энергию вращательного движения путем закручивания в спиральных сужающихся каналах кольцевого воздухозаборника с образованием вихря, периферийный слой которого сбрасывается в полость оболочки аэростата, а после взаимодействия центральной массы вихря с ветродвигателем энергию поступательного движения несущего газа используют для создания управляющих усилий за счет изменения направления отдельных струй, причем энергию потока в сторону земной поверхности подпитывают энергией добавочного атмосферного потока, ускоренного кольцевым ветроэжектором.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3