Комбинированная оболочка
Изобретение относится к области строительных конструкций. Комбинированная оболочка выполнена из слоя, примыкающего к среде с меньшим давлением, и внутреннего слоя в виде сотовой конструкции. Комбинированная оболочка содержит источник газообразования, клапаны сброса избыточного давления и размещенное внутри пружинное устройство для ее раскрытия и наполнения. Жесткость каждого последующего слоя, примыкающего к среде с меньшим давлением, меньше жесткости предыдущего слоя. Изобретение направлено на использование на большой глубине и в космическом пространстве. 25 з.п. ф-лы, 11 ил.
Оболочка является универсальным средством для использования в областях, где требуются амортизирующие функции в широком диапазоне внешних силовых воздействий. Предпочтительными областями использования заявленного изобретения являются: подъем затонувших объектов, поддержание объектов на поверхности воды, спасение объектов при падении с высоты, поддержание объектов в воздушной среде, герметичное разделение двух сред.
Задачей заявленного изобретения является создание комбинированной конструкции, составленной из разнородных упругих элементов.
К аналогам заявленного изобретения относятся:
1) Мягкая оболочка, раскрываемая за счет инерционной силы тяжести груза, размещенного в нижней ее части по патенту RU 2180639 C1.
При этом к недостаткам вышеупомянутой оболочки можно отнести раскрытие только в вертикальном направлении. Кроме того, упругие шарниры в конструкции оболочки не служат для амортизации при падении.
2) Наполняемая оболочка в конструкции полимарана по патенту RU 2299831 C1 не обеспечивает необходимой быстроты раскрытия последней.
3) Гибкая, наполняемая оболочка по RU 2399389 C1, включающая надуваемые внутренними источниками газообразования «спицы» и раскрывающуюся при развертывании «спиц» оболочку.
К недостаткам данной оболочки можно отнести обеспечение амортизации в момент касания твердой поверхности только амортизирующими - демпфирующими свойствами пневмомешка, что недостаточно для безопасного спуска и приземления.
4) Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является мягкая оболочка, содержащая размещенные внутри источник газообразования и пружинное устройство для ее раскрытия и наполнения, а также клапаны сброса избыточного давления, отличающаяся тем, что выполнена по меньшей мере трехслойной, при этом плотность материала каждого последующего слоя, начиная с наружного, больше плотности материала предыдущего слоя по RU 2456212 C1. К недостаткам прототипа можно отнести невозможность использования такой оболочки на больших глубинах и в космическом пространстве.
Таким образом, техническим результатом заявленной комбинированной оболочки является возможность использования на больших глубинах и в космическом пространстве за счет выдерживания конструкцией большой разницы внешнего и внутреннего давлений.
Заявленная комбинированная оболочка, выполненная, по меньшей мере, из двух слоев, содержащая источник газообразования, клапаны сброса избыточного давления, а также размещенное внутри пружинное устройство для ее раскрытия и наполнения, выполнена таким образом, что жесткость каждого последующего слоя, начиная от слоя, примыкающего к среде с меньшим давлением, меньше жесткости предыдущего слоя, при этом внутренний слой выполнен в виде сотовой конструкции.
Кроме того, комбинированная оболочка включает внутренний слой в виде сотовой конструкции, который состоит из двух несущих частей, соединенных сотовым заполнителем и окантованных по периметру элементами каркаса.
Комбинированная оболочка содержит компрессор или микрокомпрессор с источником электропитания.
Комбинированная оболочка выполнена с возможностью складываться и раскрываться.
Усилие механически-пружинного раскрытия жесткого слоя комбинированной оболочки больше, чем давление окружающей среды.
Слой комбинированной оболочки выполнен из газонепроницаемого и водонепроницаемого материала.
Комбинированная оболочка снабжена автономным источником электроэнергии: аккумуляторными батареями, солнечными батареями или пьезоэлектрическим источником энергии, а также аэродинамическими элементами.
При этом солнечные батареи и аэродинамические элементы размещены на внешней поверхности оболочки.
Солнечные батареи могут быть защищены снаружи автоматически раздвигающимся теплозащитным кожухом.
Комбинированная оболочка содержит дополнительное механическое автоматическое устройство открытия и закрытия клапана сброса избыточного давления.
Комбинированная оболочка содержит мембранное устройство из плоских или половолоконных гидрофобных мембран, а также шланг из пористого гидрофобного материала, имеющий армирование или оплетку из высокопрочного сетчатого материала, одним концом соединенные с всасывающей частью компрессора или микрокомпрессора.
Плоская гидрофобная мембрана собрана в многоканальный мембранный модуль или пакет и снабжена механическим фильтром, а полые мембранные волокна собраны в пучок.
Мембранное устройство может содержать лопастной винт для прокачки воды вдоль поверхности мембран.
Устройство раскрытия оболочки регулирует скорость ее раскрытия и скорость всасывания воздуха компрессором или микрокомпрессором.
Свободный конец шланга может быть закреплен на поплавке.
Поплавок обладает плавучестью, равной не менее веса оболочки в ненадутом состоянии.
Поплавок может иметь тороидальную или яйцевидную форму.
На конце шланга, закрепленном в поплавке, имеется клапан, открывающийся при внешнем атмосферном давлении, или оголовок из пористого гидрофобного материала с открытыми порами.
Сжатие воздуха, извлекаемого из воды или сильно разреженной атмосферной среды с помощью компрессоров или микрокомпрессоров, может быть осуществлено в несколько ступеней сжатия.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в спасательных целях при пожаре.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в спуско-подъемном устройстве на воде.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в качестве пробки-заглушки отверстия-пробоины.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в качестве пробки-заглушки скважины.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в спасательном парашюте.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в бампере транспортного средства.
Комбинированная оболочка может быть предназначена для использования в защитной конструкции транспортного средства.
Фиг.1 (а, б) - использование комбинированной оболочки на глубине посредством ее механического раскрытия и наддува воздухом с поверхности воды.
Оболочки 1, 1а раскрываются на глубине с помощью пружинно-механического раскрытия корпуса оболочки и дополнительного наддува оболочки до избыточного давления с помощью компрессора 2, в качестве которого можно использовать нагнетатель воздуха, микрокомпрессор, микронагнетатель.
Компрессор может быть размещен внутри или вне оболочки, а также быть переносным. В последнем случае после наддува оболочки перекрываются вентили или клапаны 3 в месте соединения компрессора с оболочкой, отсоединяются шланги 4, связывающие оболочку 1 с компрессором, и присоединяются к другой оболочке 1а.
Поплавок 5 служит для забора воздуха с поверхности воды. Он может иметь тороидальную форму. В центре поплавка закреплен конец шланга 4, который для удобства изогнут отверстием вниз или выполнен яйцевидной формы, как на фиг.1, б.
Грузом, удерживающим поплавок, служит шланг-трубка 4, проходящая через центр утяжеленной нижней части 5а поплавка 5 внутрь верхней полой части 5б, защищенной корпусом с отверстиями 5в. Проникающие вместе с воздухом через отверстия 5в в верхней части поплавка капли воды вытекают через отверстия 5г нижней части поплавка. Воздух выкачивается из полости верхней части поплавка с помощью загнутого вниз конца шланга-трубки 4. Для увеличения плавучести поплавок 5 в средней части может быть дополнен надувным или легким ненамокаемым поропластовым тороидальным кругом 5д.
Фиг.2 (а, б) - использование комбинированной оболочки на глубине для обеспечения воздухом и/или подъема подводной лодки.
В шлюзовой камере 7 размещают в виде бухты 6 шланг 4, который может выпускаться-перепускаться на необходимую длину для достижения поверхностного уровня воды и нужной точки внутри подлодки. Шланг 4 может быть присоединен к подлодке снаружи, без использования шлюзовой камеры 7. Оголовок конца шланга размещен в поплавке 5 и снабжен пружинным клапаном, открывающимся наружу при достижении внешнего атмосферного давления. Воздух закачивается с помощью компрессора, микрокомпрессора или насоса.
Для подъема объекта с большой глубины аварийный объект может охватываться сетью с носовой и кормовой части и храпцами в средней части с помощью водолазов, а также управляемого человеком или автоматически управляемого глубоководного аппарата.
К сети и храпцам опускаются нераскрытые заявляемые оболочки, например, с помощью прикрепленных к ним невозвращаемых грузов. Оболочки в нужный момент раскрываются и для дополнительного упрочнения могут быть заполнены необходимым наполнителем, например сотовым, выдерживающим сверхбольшое давление и сохраняющим целостность на глубине.
Заявляемые оболочки могут быть доставлены на аварийный объект и в раскрытом состоянии.
Опущенные оболочки распределяются и закрепляются на разных участках сети и храпцов с целью поднятия объекта на водную поверхность.
В конструкции оболочек для работы на глубине может быть предусмотрено создание внутри оболочки противодавления внешней среде, стремящейся ее раздавить. Для этого можно использовать не только сотовость конструкции, но также заполнение внутреннего объема оболочки пористыми материалами или газом под давлением.
Фиг.3 - использование комбинированной оболочки на глубине посредством ее механического раскрытия и наддува воздухом, растворенным в воде.
Оболочка заполняется на глубине, также посредством механически-пружинного раскрытия корпуса оболочки и дополнительного наддува до избыточного давления с помощью компрессора 2, но засасывающего воздух непосредственно из воды, то есть растворенный в воде, через мембрану 8.
Мембрана выполнена гидрофобной микропористой, например, можно использовать полиуретановую плоскую мембрану японской фирмы Toray или известные половолоконные мембраны, в том числе сорбирующие кислород.
Плоская многослойная мембрана для компактной упаковки может быть собрана в многоканальный мембранный модуль или пакет гармошкой и снабжена механическим фильтром 8а, задерживающим механические примеси, полые волокна могут быть собраны в пучок. Для прокачки воды вдоль поверхности многослойной мембраны мембранный блок может быть снабжен лопастным винтом или гребной мешалкой 86. Источником электроэнергии для компрессора, микрокомпрессора и лопастного винта служит аккумуляторная батарея или пьезоэлектрический источник, использующий энергию движения воды.
Создание турбулентности воды с помощью определенного режима вращения лопастного винта или оптимальной скорости вращения лопастей гребной мешалки способствует агрегатированию молекул растворенного воздуха и образованию пузырьков, что способствует созданию лучших условий высасывания воздуха с помощью компрессора или микрокомпрессора.
При засасывании воздуха, растворенного в воде, разрежение, образующееся между мембраной и входом в компрессор или микрокомпрессор в результате механического раскрытия оболочки и работы компрессора, не должно превышать силу гидрофобного отталкивания мембраной жидкой воды. Для этого разрежение регулируется скоростью механического раскрытия оболочки и всасывания воздуха компрессором или микрокомпрессором, а также устройством-завихрителем воздушного потока или половолоконными и другими «ситами» и «рассеивателями», расположенными между мембраной и компрессором.
Для этих же целей может быть использован закупоренный с одного конца шланг 4, стенки которого представляют микропористую гидрофобную мембрану, имеющий армирование или внутреннюю или внешнюю оплетку из высокопрочного сетчатого материала. Через пористые стенки шланга воздух засасывается также с помощью компрессора или микрокомпрессора.
Фиг.4 - использование комбинированной оболочки в спасательных целях при пожаре в высотных зданиях.
В спасательных целях в зданиях при пожаре необходимо подавать воздух для дыхания спасающихся.
Для этого, как показано на фиг.4, может быть надута гелием оболочка 9, с которой скреплена оболочка 1, наполняемая воздухом механическим раскрытием с наддувом от компрессора или микрокомпрессора 2. От воздушной оболочки 1 к земле протянут веревочный тросик, совмещенный с трубкой 4 для забора воздуха и трехходовым вентилем, автоматически переключаемым на забор воздуха по трубке снизу, сверху и изолирование от внешней среды.
От оболочки с воздухом отходит выдвижная мягко-жесткая трубка 10 необходимой длины, соединенная с эластичной трубкой необходимой длины, заканчивающейся гребенкой с масками для дыхания.
При работе оболочка с воздухом поднимается на необходимую высоту, и через отверстия в здании, а именно окна или двери, маски и воздух доставляют для дыхания спасающихся.
Фиг.5 - комбинированная оболочка, заполняемая воздухом, извлекаемым из верхних слоев атмосферы.
Оболочка запускается на орбиту вокруг Земли с наименьшим удалением от поверхности планеты - 120 км. Проходя более приближенный к поверхности планеты участок орбиты, воздух в оболочку засасывается и накачивается компрессором или микрокомпрессором с помощью микропористой, гидрофобной длинной трубки, армированной или имеющей внутреннюю или внешнюю оплетку из высокопрочного сетчатого материала.
Трубки должны изготавливаться по современным технологиям из материалов, обладающих достаточной механической прочностью и температурной устойчивостью. Источником электроэнергии, потребляемой компрессором или микрокомпрессором, являются аккумуляторная и солнечная батареи.
Кроме того, оболочка может служить хранилищем воздуха.
Оболочка-хранилище шаровидной, эллипсоидной или иной формы с наименьшим сопротивлением при движении в разреженной атмосфере может представлять ряд съемных оболочек со сжатым воздухом, в том числе расположенных по периметру, снабженных соплами для выпуска реактивной струи воздуха с целью коррекции орбиты оболочки-хранилища или их перемещения в космическом пространстве. Съемные оболочки могут транспортироваться к другим космическим объектам.
Оболочечное хранилище воздуха, поддерживаемое гелиевыми оболочками, может быть создано и в сильно разреженных слоях атмосферы. При этом воздух в оболочку-хранилище может накачиваться как из окружающего слоя атмосферы, так и из нижележащих, более плотных слоев вышеуказанным способом.
На фиг.5 представлена оболочка 1 - накопителя воздуха эллипсоидной формы, содержащей съемные оболочки 1а с соплами 11. Оболочки 1 и 1а закачивают воздух с нижележащих слоев атмосферы с помощью шланга 4 и компрессора или микрокомпрессора 2.
Емкости 1а транспортируются к потребителю, которым могут быть космические аппараты и станции. Опорожненные оболочки возващаются обратно к оболочке-накопителю 1.
Сопла 11 служат для корректировки с помощью реактивной струи положения в пространстве и орбиты оболочек 1 и 1а.
Для обеспечения энергией управляющих и регулирующих систем оболочек 1 и 1а и компрессоров 2 на поверхности оболочек размещены солнечные батареи 12. На поверхности оболочек также размещены раскрываемые и надуваемые аэродинамические элементы 12а.
Достижение в оболочке значительного давления воздуха, извлекаемого из воды или из сильно разреженной атмосферной среды, может быть осуществлено с помощью компрессоров в несколько ступеней сжатия.
Варианты применения оболочек в космосе и околоземном пространстве могут быть следующими.
Размещение отдельных транспортных оболочек-челноков на оболочке-матке, выполненной в виде аэроколлектора или аэрохранилища, вращающейся вокруг Земли по круговой орбите, «ныряющей» и «выныривающей» благодаря аэродинамическим «крыльям» из верхних слоев атмосферы.
Такая оболочка-матка, включающая несколько оболочек-челноков, запущенная на круговую орбиту с расстоянием до Земли порядка 120 км и оснащенная «крыльями» с аэродинамическими свойствами, будет периодически «нырять» в верхние слои атмосферы и «выныривать» из нее, зачерпывая порцию воздуха, сжимая его в отдельных оболочках-челноках, которые затем транспортируют воздух к космическим станциям.
Пример применения оболочки в качестве транспортного средства для передвижения в космическом пространстве и в атмосфере планет:
а) Для передвижения в космосе оболочка включает накопитель или концентратор газа, в том числе воздуха для дыхания. Газ в оболочке с помощью компрессора доводится до сильно сжатого состояния и обеспечивает реактивную силу для перемещения оболочки в космическом пространстве.
б) Для передвижения в атмосфере с помощью нагрева небольшого количества негорючего газообразующего вещества в комбинированной многослойной оболочке создается необходимое давление газа-пара, а затем используется поток его струи в качестве силы для реактивного движения и надувания аэродинамических элементов оболочки для превращения ее в летательный аппарат.
Источником образования паро-газовой фазы вещества и нагрева может служить пиротехнический или микроядерный реактор, а также электронагреватель с аккумулятором энергии от солнечных батарей.
Фиг.6 - разводка трубопровода в оболочке для накопления воздуха с целью заполнения воздухом отдельных оболочечных контейнеров.
Фиг.7 - комбинированная оболочка, раскрываемая в воздушно-газовой среде.
При раскрытии оболочки в воздушно-газовой среде с помощью пружинно-механического устройства 13 воздух заполняет оболочку 1 через открытый клапан 14 сброса избыточного давления или всасывающее отверстие 15 компрессора или микрокомпрессора 2. После раскрытия оболочки и выравнивания давления газа внутри оболочки с давлением внешней среды автоматически закрывается клапан 14 и включается компрессор или микрокомпрессор 2, отключающийся при достижении максимального наддува оболочки.
Фиг.8 - цилиндрическая конструкция жесткой составляющей части комбинированной оболочки или каркаса в частично сложенном виде.
Фиг.9 - цилиндрическая конструкция жесткой составляющей части комбинированной оболочки или каркаса в полностью раскрытом виде.
Фиг.10 - цилиндрическая конструкция жесткой составляющей части комбинированной оболочки или каркаса в полностью сложенном виде.
В частично сложенном виде жесткая конструкция, представленная на фиг.8, может быть автоматически пружинно-механически превращена в жесткую цилиндрическую оболочку на фиг.9.
В полностью сложенном виде жесткая конструкция, представленная на фиг.10 - сегмент цилиндра, может быть так же превращена в такую цилиндрическую оболочку, как на фиг.9.
После раскрытия жестких элементов конструкции оболочки они фиксируются с плотным прилеганием друг к другу пружинным замком.
Для доставки предлагаемой оболочки к месту эксплуатации в крайних условиях, т.е. на океанскую глубину или околоземное пространство, что сопряжено со значительным сопротивлением среды транспортирования, необходимо максимально уменьшить объем доставляемой оболочки в нерабочем компактном виде, поэтому особенностью каркасно-корпусных конструкций жесткой составляющей комбинированной оболочки является использование принципа подобия и телескопичности для компактной их упаковки с целью минимизации объема оболочки в нерабочем состоянии.
Фиг.11 (а, б, в) - комбинированная оболочка для использования в качестве пробки-заглушки отверстия скважины.
Жесткая часть оболочки 1 - пробки-заглушки представляет собой «бутон» из лепестков, распускающийся при механически-пружинном его раскрытии и наддуве мягкой части оболочки. Шланг 4 и жесткая направляющая для заведения нераскрытой оболочки в отверстие-скважину скреплены и совмещены.
Как видно на фиг.11 (б, в), при раскрытии оболочки - пробки-заглушки 1 в отверстии-скважине 16 твердые остроконечные элементы 17, расположенные по периметру жесткой части оболочки 1, вдавливаются и проникают в стенки отверстия-скважины.
Для увеличения силы вдавливания противоположно расположенные элементы 17 могут быть разнесены на разные уровни по высоте пробки-заглушки и попарно соединены телескопически раздвигающейся трубкой-каналом 18, в которой размещена пружина 19 и пиропатроны 20, примыкающие к элементам 17 и срабатывающие при раскрытии пружины 19.
Оболочки, как для пробки-заглушки, так и для подъема затонувших объектов, могут быть выполнены в виде «гирлянды» с помощью разделения на секции надуваемого рукавного газоводонепроницаемого материала, в том числе посредством перетягивания рукава жгутом.
Предложенные принцип, метод и конструкция, составляющие основу герметичной «комбинированной оболочки», состоящей из жесткой и мягкой оболочек, могут быть использованы также при создании герметичного костюма-скафандра как для водолаза-глубоководника, так и для космонавта, выходящего в открытый космос.
1. Комбинированная оболочка, выполненная, по меньшей мере, из двух слоев, содержащая источник газообразования, клапаны сброса избыточного давления, а также размещенное внутри пружинное устройство для ее раскрытия и наполнения, отличающаяся тем, что жесткость каждого последующего слоя, начиная от слоя, примыкающего к среде с меньшим давлением, меньше жесткости предыдущего слоя, при этом внутренний слой выполнен в виде сотовой конструкции.
2. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что сотовая конструкция внутреннего слоя состоит из двух несущих частей, соединенных сотовым заполнителем и окантованных по периметру элементами каркаса.
3. Комбинированная оболочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что содержит компрессор или микрокомпрессор с источником электропитания.
4. Комбинированная оболочка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью складываться и раскрываться.
5. Комбинированная оболочка по п.4, отличающаяся тем, что усилие механически-пружинного раскрытия жесткого слоя оболочки больше, чем давление окружающей среды.
6. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что слой оболочки выполнен из газонепроницаемого и водонепроницаемого материала.
7. Комбинированная оболочка по п.3, отличающаяся тем, что снабжена автономным источником электроэнергии: аккумуляторными батареями, солнечными батареями или пьезоэлектрическим источником энергии, а также аэродинамическими элементами.
8. Комбинированная оболочка по п.7, отличающаяся тем, что солнечные батареи и аэродинамические элементы размещены на внешней поверхности оболочки.
9. Комбинированная оболочка по п.7 или 8, отличающаяся тем, что солнечные батареи могут быть защищены снаружи автоматически раздвигающимся теплозащитным кожухом.
10. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что содержит дополнительное механическое автоматическое устройство открытия и закрытия клапана сброса избыточного давления.
11. Комбинированная оболочка по п.3, отличающаяся тем, что содержит мембранное устройство из плоских или половолоконных гидрофобных мембран, а также шланг из пористого гидрофобного материала, имеющий армирование или оплетку из высокопрочного сетчатого материала, одним концом соединенные с всасывающей частью компрессора или микрокомпрессора.
12. Комбинированная оболочка по п.11, отличающаяся тем, что плоская гидрофобная мембрана собрана в многоканальный мембранный модуль или пакет и снабжена механическим фильтром, а полые мембранные волокна собраны в пучок.
13. Комбинированная оболочка по п.11, отличающаяся тем, что мембранное устройство может содержать лопастной винт для прокачки воды вдоль поверхности мембран.
14. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что устройство раскрытия оболочки регулирует скорость ее раскрытия и скорость всасывания воздуха компрессором или микрокомпрессором.
15. Комбинированная оболочка по п.11, отличающаяся тем, что свободный конец шланга может быть закреплен на поплавке.
16. Комбинированная оболочка по п.15, отличающаяся тем, что поплавок обладает плавучестью, равной не менее веса оболочки в ненадутом состоянии.
17. Комбинированная оболочка по п.15, отличающаяся тем, что поплавок может иметь тороидальную или яйцевидную форму.
18. Комбинированная оболочка п.15, отличающаяся тем, что на конце шланга, закрепленном в поплавке, имеется клапан, открывающийся при внешнем атмосферном давлении, или оголовок из пористого гидрофобного материала с открытыми порами.
19. Комбинированная оболочка по п.3, отличающаяся тем, что сжатие воздуха, извлекаемого из воды или сильно разреженной атмосферной среды с помощью компрессоров или микрокомпрессоров, может быть осуществлено в несколько ступеней сжатия.
20. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в спасательных целях при пожаре.
21. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в спуско-подъемном устройстве на воде.
22. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в качестве пробки-заглушки отверстия-пробоины.
23. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в качестве пробки-заглушки скважины.
24. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в спасательном парашюте.
25. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в бампере транспортного средства.
26. Комбинированная оболочка по п.1, отличающаяся тем, что предназначена для использования в защитной конструкции транспортного средства.
