Аэростатная антенна зонтичного типа

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для работы на длинных и сверхдлинных волнах. Техническим результатом является повышение надежности. Антенна содержит рабочие элементы, включающие в себя один из трех привязных тросов, выполненный с токопроводящей оплеткой (кабель-трос), противовес, емкостную нагрузку зонтичного типа и вертикальную штангу. Штанга состоит из двух вставленных одна в другую токопроводящих труб, сопряженных между собой с образованием контактной площадки. Одна из труб жестко соединена с нижним полюсом оболочки аэростата, а другая смонтирована с возможностью поворота относительно вертикальной оси. Аэродинамическое объемное тело установлено с помощью удерживающих строп на вершине штанги, "зонтик" образован радиально расходящимися проводниками, размещенными на поверхности объемного тела. Точка соединения проводников прикреплена к вершине штанги, а свободные концы - к каркасу объемного тела. Рабочие элементы антенны электрически связаны между собой. Для возбуждения антенны используют приемопередатчик, выход которого подключен к кабель-тросу, а корпус соединен с противовесом. Уменьшена в 1,8÷2,2 раза высота подъема привязного аэростата при сохранении эксплуатационных характеристик антенны, существенно снижен расход газа. Получена надежная метеоустойчивая конструкция. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники, а именно - к антенной технике, и может быть использовано в качестве антенны, поднимаемой летательным аппаратом легче воздуха, для работы преимущественно на длинных (ДВ) и сверхдлинных (СДВ) волнах.

В задачах установления уверенной связи и повышения ее дальности необходимо увеличивать высоту установки антенн. Эти проблемы решаются путем строительства высоких радиобашен для размещения антенн, либо с помощью аэростата сферической или классической формы.

Известны аэростатные антенны, в которых в качестве излучателя используют трос (кабель-трос), удерживающий аэростат на заданной высоте. Эти антенны называются тросовыми.

Примером такой антенны является "Антенна для средневолнового вещания" (патент Японии №1157602, опубл. 20.06.1989 г., класс МПК: H01Q 9/28, H01Q 1/14, H01Q 9/34), которая представляет собой вертикальный вибратор, поддерживаемый на необходимой высоте воздушным шаром. В заданном положении шар удерживается с помощью трех тросов, секционированных изоляторами. Фалы воздушного шара объединены в общей точке в нижней части шара. К этой же точке механически и электрически через изолятор подсоединен излучающий элемент (один из поддерживающих тросов). Высокочастотная энергия на излучающий элемент подается от генератора, расположенного на земле.

Известна "Всенаправленная высотная антенна" (патент РФ №2099827, опубл. 20.12.1997 г., класс МПК H01Q 1/28), представляющая собой однопроводную линию передачи, один конец которой нагружен на согласованную нагрузку и закреплен на аэростате, а другой конец связан с приемопередатчиком и с помощью анкера крепится к земле. Возбуждение однопроводной линии передачи осуществляется с помощью рупоров. Вблизи однопроводной линии передачи располагаются вибраторы. Совокупность расположенных определенным образом вибраторов и однопроводная линия передачи совместно представляют конструкцию всенаправленной высотной антенны, причем вибраторы гальванически не связаны с проводом однопроводной линии передачи.

Основными недостатками тросовых антенн являются их большая высота, равная четверти длины рабочей волны, и зависимость эксплуатации антенн от метеорологических условий (главным образом, от ветра, грозы и гололеда).

Существует способ уменьшения высоты вертикальных несимметричных антенн, заключающийся в создании емкостной нагрузки в виде зонтика. Емкостная нагрузка на верхнем конце вертикальной антенны увеличивает ее электрическую длину и обеспечивает более равномерное распределение тока. Благодаря этому для работы зонтичной антенны в рабочем диапазоне частот тросовой антенны, высота зонтичной антенны может быть уменьшена пропорционально отношению резонансных частот сравниваемых антенн, при этом основные параметры зонтичной антенны (входное сопротивление и коэффициент усиления) не претерпевают изменений в сравнении с аналогичными параметрами тросовой антенны.

Примером упомянутой аэростатной антенны служит заявка РФ №2005133916, опубл. 10.05.2007 г., Бюл. №13, класс МПК H01Q 1/28, содержащая аэростат, радиопередающее устройство, кабель-трос и изолятор, а также емкостную нагрузку зонтичного типа, выполненную в виде электрических проводников, каждый из которых одним концом соединен с точкой подключения кабель-троса к изолятору, а другим через дополнительный изолятор - с растяжкой, заякоренной к земле. Антенна снабжена противовесом, выполненным в виде расположенных радиально на поверхности земли проводников, одни концы которых соединены между собой, при этом точка соединения проводников противовеса является одним электродом вывода антенны, а нижний конец кабеля-троса - другим электродом этого вывода, которым антенна и подключается к радиопередающему устройству.

Известен также патент РФ №2279994 "Привязной аэростат, устойчивый к ветровой нагрузке" (опубл. 20.07.2006 г., класс МПК В64В 1/50, В64В 1/42). Привязной аэростат содержит оболочку из газонепроницаемого материала, края которой вблизи верхнего и нижнего полюсов оболочки закреплены в шайбах. К оболочке прикреплены привязные тросы, связанные с лебедкой. Аэростат содержит также аэродинамическое устройство стабилизации, включающее установленную на верхнем полюсе оболочки с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси и пропущенную через шайбы верхнего и нижнего полюсов вертикальную штангу, на вершине которой с помощью строп закреплено флюгирующее надуваемое воздушным потоком объемное тело, снабженное килем. При этом верхний конец штанги скреплен с объемным телом в центре его давления. Конструкция объемного тела такова, что при заполнении воздухом оно приобретает обтекаемую форму, и в любой плоскости продольного сечения имеет форму аэродинамического крыла. Кроме того, аэростат содержит укрепленный на штанге поворотный механизм, связанный со стропами, предназначенный для изменения угла атаки объемного тела относительно горизонта.

Изобретение решает задачу создания антенны зонтичного типа, предназначенной для работы преимущественно на длинных и сверхдлинных волнах, установленной на базе конструкции устойчивого к ветровой нагрузке аэростата.

Сущность изобретения заключается в том, что аэростатная антенна зонтичного типа, включающая сферический аэростат и пропущенную через верхний и нижний полюсы оболочки вертикальную штангу, на вершине которой с помощью строп закреплено флюгирующее объемное тело, а также лебедку с привязными тросами, согласно изобретению дополнительно содержит противовес и емкостную нагрузку зонтичного типа, выполненную в виде радиально расходящихся проводников, размещенных на поверхности объемного тела. Кроме того, согласно изобретению штанга выполнена в виде вставленных одна в другую токопроводящих труб, одна из которых установлена с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси, а другая жестко соединена с нижним полюсом оболочки, а токопроводящие трубы сопряжены между собой по торцевым поверхностям с образованием опорно-контактной площадки, внутри одной из труб смонтирован вертлюг, установленный с возможностью обеспечения целостности конструкции штанги и надежного электрического контакта труб. При этом один из привязных тросов аэростата выполнен с токопроводящим покрытием (например, оплеткой), точка соединения радиально расходящихся проводников прикреплена к вершине штанги, свободные концы проводников - к каркасу объемного тела, а нижний конец токопроводящего троса и точка соединения проводников противовеса являются входом/выходом антенны.

Выполнение штанги составной из двух токопроводящих труб позволило сохранить возможность поворота объемного тела (аэродинамического крыла) и при этом обеспечить надежный электрический контакт. Введение вертлюга позволило обеспечить целостность конструкции штанги и аэростата в целом. Металлизированные стропы объемного тела позволяют сохранить форму объемного тела и, кроме того, выполняют роль емкостной нагрузки, способствующей увеличению электрической длины антенны и, тем самым, уменьшению высоты подъема аэростата. Зонтик антенны может быть выполнен и в виде токопроводящей пленки, нанесенной на поверхность объемного тела. Таким образом, конструктивные элементы аэростата, а именно - привязной трос, составная штанга, стропы аэродинамического крыла либо само крыло, стали рабочими элементами несимметричной вертикальной антенны зонтичного типа.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлен общий вид аэростатной антенны зонтичного типа, на фиг.2 - конструкция штанги, на фиг.3 - возможности использования аэростатных антенн на надводных кораблях (а - в движении, б - на якорной стоянке), на фиг.4а показана зависимость высоты (h, м) зонтичной (сплошная линия) и тросовой (пунктирная линия) антенн от частоты (f, кГц), на фиг.4б - коэффициент усиления (КУ) зонтичной (сплошная линия) и тросовой (пунктирная линия) антенн над морской поверхностью.

Аэростатная антенна зонтичного типа (фиг.1) включает привязной аэростат с оболочкой 1 сферической формы. Внутри оболочки 1 размещен сквозной рукав (не показан), сквозь который проходит вертикальная штанга 4, пропущенная через верхний 2 и нижний 3 полюсы оболочки 1. На вершине штанги 4 с помощью строп 5 закреплено флюгирующее аэродинамическое объемное тело 6 (крыло), которое может иметь форму круга, эллипса, прямоугольника, треугольника и т.п. Аэростатная антенна дополнительно содержит емкостную нагрузку 10 зонтичного типа и противовес 9. Штанга 4 (фиг.2) выполнена в виде двух труб 11 и 12, вставленных одна в другую и сопряженных между собой по торцевым поверхностям. Торцевые поверхности упомянутых труб могут быть сформированы, например, в виде выступающего 14 и опрокинутого 15 конусов и при соединении образуют опорно-контактную площадку 16. Труба 12 установлена с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси, для чего на верхнем полюсе 2 оболочки аэростата смонтированы две подвижные шайбы (на рисунках не показаны). Свободный конец трубы 12 снабжен фланцем 17, жестко соединенным с неподвижной шайбой 18 нижнего полюса 3 оболочки 1 аэростата. Концы отверстий оболочки и концы рукава закреплены между упомянутыми фланцем и шайбой. Внутри трубы 12 размещен вертлюг 13, снабженный поддерживающим тросом 19, один конец которого соединен с талрепом 20, а другой пропущен через отверстие, выполненное на вершине выступающего конуса 15 трубы 12, и закреплен при помощи стопорной гайки 21. Натяжной талреп 20 предназначен для обеспечения поджатия труб 12 и 13 между собой. Тросовые растяжки 21 талрепа могут быть закреплены на внутренней поверхности фланца 17, например, при помощи крюков.

К оболочке 1 прикреплены три троса 8, связанные с лебедкой 7. Один из привязных тросов 8 покрыт токопроводящей оплеткой из медного провода и является кабель-тросом. Емкостная нагрузка 10 зонтичного типа может быть выполнена в виде множества радиально расходящихся проводников, точка соединения А которых прикреплена к вершине штанги 4, а свободные концы - к каркасу объемного тела 6 (не показан). Емкостная нагрузка 10 может быть выполнена, например, в виде металлизированной пленки, нанесенной на поверхность объемного тела.

Приемопередатчик 22 используется для возбуждения антенны и приема радиосигналов. Противовес 9 антенны представляет собой систему из радиально расходящихся от точки С проводов, расположенных на поверхности земли. Количество проводов может доходить до 80÷120. Выход приемопередатчика 22 в точке В подключен к кабель-тросу 8, а корпус приемопередатчика 22 соединен с противовесом 9 в точке С.

Привязные тросы 8 и удерживающие стропы 5 флюгирующего крыла 6 могут быть выполнены, например, из синтетических волокон на основе кевлара. Диаметр привязных тросов составляет 6÷8 мм, а удерживающих строп - 2÷3 мм. При этом эквивалентный диаметр зонтика в зависимости от объема оболочки аэростата может достигать 25 м, а высота привязных тросов, в том числе кабель-троса, определяется рабочим диапазоном частот антенны.

Антенна работает следующим образом. После подъема аэростата на заданную высоту крыло, находящееся в верхней части аэростата, при воздействии на него ветровой нагрузки, разворачивается навстречу ветровому потоку и создает дополнительную аэродинамическую подъемную силу аэростата, стабилизируя аэростат в пространстве. При подключении приемопередатчика 22 возбуждаемый ток через кабель-трос 8 и штангу 4 доходит до емкостной нагрузки 10 и отражается от нее. В точке отражения образуется пучность тока, в результате чего ток на антенне распределяется более равномерно (в сравнении с током вдоль тросовой антенны), что эквивалентно увеличению действующей высоты (электрической длины) антенны.

На фиг.4а представлен график зависимости высоты зонтичной (сплошная линия) и тросовой (пунктирная линия) антенн от частоты в ДВ и СДВ-диапазонах. Из чертежа видно, что в зависимости от рабочей частоты высота тросовой антенны может изменяться в пределах от 500 до 7500 метров, а зонтичной - от 230 до 4100 метров. Из графика на фиг.4а также следует, что применение зонтичной антенны позволяет уменьшить высоту подъема аэростата в 1,8÷2,2 раза. При этом основные параметры зонтичной антенны (коэффициент усиления) в сравнении с аналогичными параметрами тросовой антенны не претерпевают существенных изменений (см. фиг.4б).

Таким образом, снижение рабочей высоты привязного аэростата позволяет уменьшить его газовый объем, что существенно снижает стоимость аэростатной антенны и улучшает ее эксплуатационные характеристики.

Аэростатная антенна зонтичного типа обладает большой надежностью при воздействии на нее различных метеоусловий, а именно:

- выдерживает ветровую нагрузку до 25 м/с и сохраняет свое положение в пространстве вне зависимости от скорости ветра;

- не боится грозовых разрядов, так как зонтик полностью принимает на себя грозовые разряды, которые через кабель-трос, грозоразрядник (имеется в каждом приемопередатчике) и систему заземления (противовес), уходят в землю;

- флюгирующее аэродинамическое крыло закрывает оболочку аэростата от налипания мокрого снега, а при работе антенны оно нагревается и дополнительно препятствует налипанию снега. Кроме того, крыло может быть покрыто специальным составом, исключающим образование гололеда (разработка Балтийского технического университета).

Предложенная аэростатная антенна зонтичного типа может успешно устанавливаться на надводных кораблях, учитывая высокую проводимость морской воды, которая выполняет роль противовеса, причем как на якорной стоянке (фиг.3б), так и в движении в любом направлении независимо от скорости и направления ветра (фиг.3а).

1. Аэростатная антенна зонтичного типа, включающая аэростат с оболочкой сферической формы и пропущенную через верхний и нижний полюсы оболочки вертикальную штангу, на вершине которой с помощью строп закреплено флюгирующее аэродинамическое объемное тело, а также лебедку с привязными тросами, отличающаяся тем, что устройство дополнительно содержит противовес и емкостную нагрузку зонтичного типа, выполненную в виде радиально расходящихся проводников, размещенных на поверхности аэродинамического объемного тела, штанга выполнена в виде вставленных одна в другую токопроводящих труб, причем одна труба установлена с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси, а другая жестко соединена с нижним полюсом оболочки, токопроводящие трубы сопряжены между собой по торцевым поверхностям с образованием опорно-контактной площадки, внутри одной из труб смонтирован вертлюг, установленный с возможностью обеспечения целостности конструкции штанги и надежного электрического контакта труб, причем один из привязных тросов аэростата выполнен с токопроводящим покрытием, точка соединения радиально расходящихся проводников прикреплена к вершине штанги, а свободные концы проводников - к каркасу объемного тела, при этом нижний конец токопроводящего троса и точка соединения проводников противовеса являются входом-выходом антенны.

2. Аэростатная антенна по п.1, отличающаяся тем, что емкостная нагрузка выполнена в виде токопроводящего покрытия аэродинамического объемного тела.