Способ подвода энергии к аэростату "юпи-2"

 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха. Способ характеризуется использованием аэростата, который имеет оболочку, баллонет, воздухозаборник, центральную вытяжную трубу, ветродвигатель для вращения электрогенератора и электрический аккумулятор. Воздухозаборник выполнен со спиральными каналами. В процессе подвода энергии в полости оболочки аэростата создают разряжение воздушной среды. Изобретение направлено на расширение функций аэростата. 2 ил.

Разработка относится к летательным аппаратам легче воздуха. В частности, к дирижаблям и привязным аэростатам, использующим энергию ветра. При этом учтено увеличение возбужденности атмосферных масс Земли в последние десятилетия.

Известны различные способы подвода энергии к аэростату, призванные потреблять энергию воздушных потоков на высоте, где ветры дуют сильней и стабильней. Способы эти рассчитаны на выработку электроэнергии как на нужды самого аппарата, так и для внешнего потребителя.

Суть способа-аналога состоит в поглощении потоков атмосферного воздуха посредством ветродвигателя, турбина которого в центральном канале тороидальной оболочки летательного аппарата на вертикальной оси последнего. Причем часть энергии указанных потоков расходуется на преобразование в электрическую энергию и следом в тепловую несущего газа, что находится в тороидальной оболочке. Другая часть энергии потока преобразуется в напор. Этот напор предназначен для создания динамической подъемной силы за счет изменения направления движения потока воздушной массы в сторону земной поверхности.

Особенность здесь та, что несущим газом служит водород, получаемый на борту аэростата. Энергия для этого черпается от электрического генератора, соединенного с ветряком, и электролизера, питаемого дистиллятом. Предусмотрен также вариант сжигания водорода в воздушной среде, использование перегретых водяных паров в качестве несущего газа (патент США 4309006, кл. В 64 В 1/02, 1982).

Недостаток способа-аналога подразделяется на ряд составляющих. Во-первых, малая грузоподъемность аэростата из-за тяжелого электролизера, производящего водород, наличия на борту воды, системы, вырабатывающей дистиллят. Во-вторых, чистый водород в окружении кислой атмосферной среды всегда грозит взрывом, пожаром. Прибегнуть же тут к безопасной гелий-водородной смеси крайне сложно. В-третьих, при оболочке в виде тора или линзы, заполненной горячим газом или перегретым паром, возможна потеря устойчивости аппарата. При полете, например, в моменты крена, пикирования, поскольку способ-аналог не предусматривает автоматической "промывки" оболочечной полости струями несущего газа. В-четвертых, воздухозаборник здесь не использует энергию бокового ветра. Есть и другие замечания (о них сказано ниже).

Вместе с тем, известен способ подвода энергии к аэростату при одновременной работе на подъем тороидальной тепловой оболочки с выходными дюзами и охватывающего эту оболочку с внешних сторон гелий-водородного баллонета. Способ призван поглощать энергию потоков атмосферной массы путем преобразования одной части энергии ветра в струи, промывающие полость указанного тороида, вторую часть энергии потоков - в электроэнергию посредством ветродвигателя, турбина которого пребывает в центральной трубе аэростата, и третью часть ветровой энергии - в "реактивную работу". Реактивные струи при том истекают из упомянутой трубы вниз, а из тепловой оболочки за корму аппарата.

Энергия же поступательного движения потоков воздушной массы перед тем, как вступить в торовую полость и в турбину ветряка, преобразуется в энергию вращательного движения с помощью спиральных сужающихся каналов кольцевого воздухозаборника с образованием вихря. Причем периферийный слой этого вихря сбрасывается в полость указанной проточной оболочки с подогревом промывочных струй. Подогрев ведут здесь до возникновения аэростатической подъемной силы. Обеспечивается тепловая энергия в полости оболочки высокотемпературными нагревателями, работающими от генератора, кинематически связанного с крыльчаткой турбины, или от электрических аккумуляторов.

Таким образом, остаточную энергию воздушных потоков в прототипе используют для создания управляющих усилий для обеспечения хода аппарата и дополнительной подъемности за счет аэродинамических сил. При этом энергию центральной массы подпитывают энергией добавочного атмосферного потока, ускоряемого кольцевым ветроэжектором.

Способ-прототип стало быть обходится без технологической воды, без тяжелого электролизера и опасного в эксплуатации чистого водорода. Отсутствует и камера сгорания. Дирижабли и привязные аэростаты, призванные работать по данному способу, ориентированы в основном на Заполярье, на высокие широты, где требуется не только увеличение грузоподъемности, но и подогрев пилотской кабины, отопление отсеков с электроаккумуляторами. К тому ж, такие летательные аппараты способны снабжать электроэнергией "землю" по фидеру в режиме зависания аэростата, однако! Подъем в небо тут без электроэнергии тоже не осуществим... Генератор же действует при скорости ветра ≥ 4 м/с.

Очевидно, что гелий-водородный баллонет из соображений надежности будет у подобного дирижабля не один. Все подробности - в патенте РФ 2093414, кл. 6 В 64 В 1/62, бюл. 29 от 20.10.1997.

Недостаток этого способа многолик. С одной стороны, значительная стоимость постройки теплового аэростата из-за цен на материалы, воспринимающие увеличенные термонагрузки. Нагрев несущего газа (воздуха) может превышать 200^oС, температура нагревательных элементов в этом случае много выше. А ведь данный аппарат действует за счет температурного перепада и эффективность летных свойств ухудшается там, где царит жара... С другой стороны, при очень слабом ветре электрогенератор не срабатывает и аэростат не подымается! К тому же, при взлете и на посадке вертикальная реактивная струя образует пылевое облако, ослабляющее круговой обзор. Да и управление по тангажу и крену тут весьма тривиально, не так надежно при шквалах ураганной силы, проблема устойчивости частично остается.

Цель предлагаемого способа подвода энергии состоит в устранении отмеченного недостатка по всем его составляющим. Это - уменьшение стоимости строительства аппарата, эксплуатации подобного ветродирижабля, дальнейшее наращивание его грузоподъемности, энерговооруженности, надежности полета в экстремальных условиях. Преследуется цель сокращения бортовых электрозатрат и обращение аэростата в экологически чистый аппарат. В тот, что не способствует развитию "парникового эффекта".

Задача нового способа сводится к расширению функций гелий-водородной смеси, находящейся в баллонетах корабля путем особого их взаимодействия с бортом, с рабочей подъемной оболочкой. Так, чтобы полностью отказаться от нагрева несущего газа. В задачу также входит увеличение плотности вихревой массы, утилизация остаточной энергии как вихря, так и воздушного козырька, истекающего из кольцевого ветроэжектора.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе подвода энергии к аэростату при одновременной работе воздушной кольцевой оболочки с выходной дюзой и гелий-водородного баллонета, причем с использованием энергии потоков атмосферных масс посредством кольцевого воздухозаборника и центральной вытяжной трубы, а также ветродвигателя, турбина которого пребывает в тракте указанной трубы и приводит в действие бортовой электрогенератор, нижняя стенка кольцевой оболочки постоянно нагружена гравитационным усилием пилотской кабины, системы движения корабля и электрических аккумуляторов.

При этом энергия набегающих токов воздуха перед их поступлением в турбину ветряка преобразуется в энергию вращательного движения с помощью спиральных сужающихся каналов воздухозаборника с образованием уплотненного вихря. Причем периферийный слой данного вихря взаимодействует помощью кольцевой оболочки, а остаточная энергия воздушных токов, покидающих аэростат, расходуется на образование управляющих усилий, на ход аппарата и дополнительную его подъемность так, что струи воздуха, истекающие из вытяжной трубы, подпитываются энергией добавочного атмосферного потока, который ускоряется круговым ветроэжектором. Энергия же с клемм бортового генератора расходуется на нужды аэростата и внешнего потребителя.

Новый способ отличается тем, что операции взлета и набора высоты наибольшей выработки электроэнергии ведут как при слабом ветре и бездействии бортового генератора, так и во время урагана, за счет открытия верхнего среза вытяжной трубы и облегчения аппарата путем разрежения воздушной среды в полупроточной полости кольцевой оболочки аэростата.

При этом указанное открытие среза трубы осуществляют путем подъема привязного грибовидного баллонета, а разрежение достигается за счет беспрестанного отсоса воздуха из полости кольцевой оболочки через выходную дюзу посредством эжектирующей работы периферийного вихревого слоя и при постоянной поддержке потолочной стенки упомянутой воздушной оболочки. В ее поддержании в подвешенном состоянии с помощью аэростатической силы основного гелий-водородного баллонета. Причем остаточная энергия периферийного вихревого слоя расходуется тут на эжектирование атмосферных масс в спиральные каналы воздухозаборника со всех румбов одновременно.

При этом энергия струй воздушного козырька, выбрасываемых ветроэжектором вверх, передается грибовидному баллонету путем динамического напора на вогнутую гермостенку данного баллонета и наклонения привязного баллонета к горизонту с наветренных румбов посредством фалов регулируемой длины.

Итак, в данном способе подвода энергии к аэростату реализуется идея образования подъемной силы с учетом несущей среды, находящейся в разряженном состоянии, когда давление в полости кольцевой ободочки значительно меньше атмосферного давления. Того, что окружает аппарат. Так мечта, высказанная монахом де Лана Терце еще в 1670 г. о полете вакуумного аэростата, обрела некое техническое решение. Пусть в первом приближении.

Дирижабль, работающий по предлагаемому способу, схематично изображен на чертежах, где на фиг.1 изображен общий вид аэростата, на фиг.2 - воздухозаборник, входящий в состав дирижабля и показанный в плане.

Конструктивно упомянутый аэростат подразделен на три узла: аэростатический узел подъема, энерговырабатывающий узел и узел управления.

Аэростатический узел включает в себя воздушную кольцевую оболочку 1 (фиг. 1), которая эластична, вверху примыкает к мембранной стенке "М" основного гелий-водородного баллонета 2, как показано на чертеже, а снизу подсоединена к энерговырабатывающему узлу и имеет выходную дюзу "Д". Последняя охватывает вытяжную трубу 3 упомянутого энергоузла, а мембранная стенка своей выпуклостью обращена вниз и в исходном состоянии, когда нет ветра, пребывает под небольшим избыточным давлением гелий-водородной смеси, заполняющей указанный баллонет.

В энерговырабатывающий узел кроме центральной вытяжной трубы 3 входит кольцевой воздухозаборник 4, что ниже упомянутой трубы, концентричен ей и содержит суживающиеся к трубе спиральные каналы "С" (см. фиг.2). Причем между заборником и нижним срезом трубы размещена вихревая камера 5 (фиг.1).

В нижний участок тракта трубы вмонтирована турбина 6 ветродвигателя. Турбинный вал сообщен с бортовым электрогенератором 7. Электрические аккумуляторы на чертеже условно не показаны. Вихревая камера на периферии образована тороидом 8, который формирует радиальные тракты "К" (фиг.2) посредством кольцевидной обечайки 9 (см. фиг.1).

Таким образом, внутри кольца-тора 8 выход из вихревой камеры концентрически раздвоен на центральный тракт "Ц", направленный вверх по трубе, и на периферийный тракт "П". Последний очень плавно сопряжен с входом в дюзу и указанными радиальными трактами "К". Выходы трактов "К" сопряжены с помощью направляющих лопаток 10 (фиг.2) с входной решеткой воздухозаборника. Из сказанного видно, что воздушная кольцевая оболочка 1 (см. фиг.1) постоянно нагружена гравитационным усилием пилотской кабины и системы движения, которые на чертеже не обозначены.

В узел управления дирижабля включены круговой ветроэжектор 11, что является оголовком центральной вытяжной трубы, и дополнительный баллонет 12. Этот грибовидный баллонет тоже заполнен гелий-водородной смесью и удерживается над упомянутым оголовком при помощи четырех фалов 13.

Жесткая вогнутая стенка грибовидного баллонета обращена вниз. Фалы расположены по кругу равномерно и охватывают ту вогнутость. Причем одна пара фалов - в диаметральной плоскости корабля. Все фалы имеют возможность регулироваться по длине, а ветроэжектор выполнен из суживающихся радиальных каналов "Р". Их сужение направлено к вытяжной трубе, к ее верхнему срезу.

На центральной трубе дирижабля, супротив воздушной полости кольцевой оболочки, предусмотрено два калиброванных отверстия "Н". В формообразовании выходной дюзы и вихревой камеры принимают участие не только упомянутый тороид и внутренние поверхности кольцевидной обечайки 9, но и коноидальные поверхности "Т", охватывающие нижний участок вытяжной трубы.

Когда аэростат бездействует, пребывает в укрытии, а гелий-водородной смесью заполнен только основной баллонет 2 (фиг.1), то жесткий баллон 12 своей вогнутостью опирается на оголовок трубы 3. В полупроточной полости кольцевой оболочки 1 в таком случае находится воздух под атмосферным давлением.

С зарядкой дополнительного баллонета гелий-водородной смесью он всплывает и занимает рабочее положение, кое определяется регулировкой длин фалов 13. Аппарат готов к ветроиспользованию. Причем, когда скорость атмосферных течений около 2 м/с и турбина 6 еще не в силах быстро вращать ротор электрогенератора 7, аэростат вступает в действие. Атмосферные токи, задувая в наветренные каналы "С" (фиг.2) и "Р" (фиг.1), заставляют активно функционировать воздухозаборник 4 и ветроэжектор 11.

В центральной трубе возникает разрежение среды, а в вихревой камере 5 - изначальная воздушная круговерть. Ее ядро в виде токов ("Ц") проникает сквозь турбинные лопасти в названную трубу снизу. Периферийный же слой того изначального вихря распространяется веером в кольцевой тракт, что между нижним коноидом "Т" и тором 8.

Указанные веерные струи ("П") эжектируют воздух из полости кольцевой оболочки посредством дюзы "Д" и направляющих лопаток 10 на вход в воздухозаборник 4. Причем со всех румбов. И через наветренные каналы "С" (фиг.2), и через такие же каналы, расположенные с подветренной стороны входной решетки, а также через обе боковины заборника. Струи эти следом подсасывают атмосферный воздух.

Вихрь в результате уплотняется и разрежение в полости воздушной оболочки возрастает. Подъемная сила увеличивается и дирижабль подымается вверх. При этом струи воздушного козырька, выбрасываемые ветроэжектором с наветренной стороны вверх, динамически воздействуют на жесткую вогнутость привязного баллонета. Так происходит отсос воздушной среды из вытяжного тракта трубы на подветренную сторону.

Наклоняя привязной баллонет в ту или иную сторону, можно управлять положением аэростата путем регулировки длин указанных фалов. При слабых ветрах наклон привязного баллонета больше. Эта жесткая оболочка тут обращается в некий парус. Сокращая круговую щель между срезом вытяжной трубы и упомянутым баллонетом, можно прекратить подъем аппарата. Очевидно, что такой жесткий парус способен быть и парашютом.

Турбина же вступает в работу при скорости ветра 4-5 м/с. Таким образом, новый способ подвода энергии к аэростату не только обращает последний в ветродирижабль наилегчайшей конструкции и значительной грузоподъемности. Он весьма надежен и может, покрывая огромные расстояния, прибыть на помощь терпящим бедствие, например, при урагане, во время шторма в океане или в горах. Посредством такого летательного аппарата можно подавать электроэнергию к очагам пожаров. Как в лесистой местности, так и в больших населенных пунктах.

Не исключаются спасательные работы, исследовательские операции. Пользуясь этим способом, открывается возможность наблюдать аномальные явления. Ведь ветродирижабль в данном случае не будет очень шуметь, загрязнять окружающую среду волновыми действиями.

Формула изобретения

Способ подвода энергии к аэростату при одновременной работе воздушной кольцевой оболочки с выходной дюзой и гелий-водородного баллонета, причем с использованием энергии потоков атмосферной массы посредством кольцевого воздухозаборника и центральной вытяжной трубы, а также ветродвигателя, турбина которого пребывает в тракте указанной трубы и приводит в действие бортовой электрогенератор, при этом нижняя стенка кольцевой оболочки постоянно нагружена гравитационным усилием пилотской кабины, системы движения корабля и электрических аккумуляторов, а энергия набегающих токов воздуха перед поступлением в турбину ветряка преобразуется в энергию вращательного движения с помощью спиральных сужающихся каналов воздухозаборника с образованием уплотненного вихря, причем периферийный слой этого вихря взаимодействует с полостью кольцевой оболочки, а остаточная энергия воздушных токов, покидающих аэростат, расходуется на образование управляющих усилий, на ход аппарата и дополнительную его подъемность так, что струи воздуха, истекающие из вытяжной трубы, подпитываются энергией добавочного атмосферного потока, который ускоряется круговым ветроэжектором, энергия с клемм бортового генератора расходуется на нужды аэростата и внешнего потребителя, отличающийся тем, что операции взлета и набора высоты наибольшей выработки электроэнергии ведут как при слабом ветре и бездействии бортового генератора, так и во время урагана за счет открытия верхнего среза вытяжной трубы и облегчения аппарата путем разрежения воздушной среды в полупроточной полости кольцевой оболочки аэростата, при этом указанное открытие среза трубы осуществляют путем подъема привязного грибовидного баллонета, а разрежение достигается за счет беспрестанного отсоса воздуха из полости кольцевой оболочки через выходную дюзу посредством эжектирующей работы периферийного вихревого слоя и при постоянной поддержке потолочной стенки упомянутой воздушной оболочки в подвешенном состоянии с помощью аэростатической силы основного гелий-водородного баллонета, причем остаточная энергия периферийного вихревого слоя расходуется на эжектирование атмосферных масс в спиральные каналы воздухозаборника со всех румбов одновременно, при этом энергия струй воздушного козырька, выбрасываемых ветроэжектором вверх, передается грибовидному баллонету путем динамического напора на вогнутую гермостенку данного баллонета и наклонения привязного баллонета к горизонту с наветренных румбов посредством фалов регулируемой длины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2