СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ВИХРЕВОГО ВОСХОДЯЩЕГО ПОТОКА ВОЗДУХА В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ
METHOD AND DEVICE FOR CREATING VORTEX UPFLOW OF AIR IN FREE AIR CONDITIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу создания управляемого восходящего потока воздуха в свободной атмосфере и к устройству для реализации этого способа.
Уровень техники
Известны различные способы вызывания осадков из имеющихся облаков путем искусственного засевания их центрами конденсации и льдообразования (йодистое серебро, сухой лед, цементная пыль и др.). Такие способы применяются при достаточно высокой влажности в атмосфере, когда имеются облака.
Существуют способы создания облаков и вызывания осадков путем нагрева воздуха над большой площадью земной поверхности с использованием либо горелок большой мощности - огневой метеотрон (Вульфсон Н.И., Левин Л.М., Метеотрон как средство воздействия на атмосферу, М., Гидрометеоиздат, 1987), либо наземного экрана с зачерненной поверхностью для поглощения излучения Солнца - солнечный метеотрон (патент Великобритании №988109, опубл. 07.04.1965; патент РФ №2071243, приоритет 11.08.1994). Нагретый воздух формирует восходящий поток до высоты, на которой он при адиабатическом расширении охлаждается и достигает точки росы или кристаллизации. При наличии на этой высоте центров конденсации водяной пар приземного воздуха испытывает фазовый переход, создавая облака, которые могут достигнуть состояния дождевых с выпадением осадков.
Недостатком метеотронов является то, что после наземного нагрева возникает неконтролируемый восходящий поток, который должен преодолеть нисходящие потоки воздуха в антициклоне, противостоять горизонтальному ветру, «пробить» задерживающий слой температурной инверсии, достичь уровня точки росы и принести с собой достаточное количество центров конденсации. Если хотя бы одно из условий не выполняется, образования осадков не происходит. Огневой метеотрон, кроме того, требует сжигания большого количества топлива, что нежелательно с экологической и экономической точек зрения.
Наиболее адекватен задаче образования осадков и выбран в качестве ближайшего аналога способ подогрева воздуха и создания управляемого восходящего потока в атмосфере путем использования нагреваемой Солнцем многоуровневой (многоярусной) системы привязных аэростатов ГЕЛИАТОР (патент РФ №2462026, опубл. 27.09.2012). В нем зачерненные баллоны аэростатов в виде тороидов заполнены газом легче воздуха, они прикреплены к жестким рамам, обода которых объединены системой привязных тросов в расположенные друг над другом ярусы. Привязные тросы необходимой длины крепятся к лебедкам. Многоуровневая система позволяет на всех высотах поддерживать контролируемое превышение температуры в восходящем потоке над окружающим воздухом. К недостаткам этого способа и реализующего его устройства относится необходимость иметь большое количество дорогостоящего газа и газонепроницаемых оболочек для аэростатов, способных выдержать высотный ультрафиолет; громоздкость установки, требующая больших объемов и площадей для хранения готового устройства и приводящая к большому времени подъема и необходимости согласованной работы нескольких стартовых лебедок; падение эффективности работы при усилении бокового ветра, так как плоскости тороидов должны быть горизонтальными для противостояния сдвиговому ветру.
Раскрытие изобретения
Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в преодолении недостатков ближайшего аналога и достижении технического результата в виде расширения арсенала технических средств, а также в упрощении конструкции и сокращении времени ее подготовки и подъема.
Для решения этой задачи и достижения указанного технического результата в первом объекте настоящего изобретения предложен способ создания управляемого восходящего потока воздуха в свободной атмосфере, заключающийся в том, что: нагревают восходящий поток воздуха за счет освещаемых солнцем зачерненных поверхностей, размещенных на нескольких ярусах; стимулируют в восходящем потоке воздуха искусственное вихревое движение; при этом ориентируют плоскости ярусов автоматически перпендикулярно потоку воздуха.
Особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что в качестве основной подъемной силы ярусов могут использовать аэродинамическую силу восходящего потока воздуха.
Другая особенность способа по первому объекту настоящего изобретения состоит в том, что восходящий поток воздуха могут обогащать на нескольких уровнях отрицательными ионами от заземленных электродов, коронирующих в электрическом поле Земли.
Для решения той же задачи и достижения того же технического результата во втором объекте настоящего изобретения предложено устройство для создания управляемого восходящего потока воздуха в свободной атмосфере, содержащее: цепочку ярусов с зачерненными поверхностями, размещаемых один над другим вдоль троса практически перпендикулярно ему; подъемное средство, выполненное с возможностью поднимать цепочку ярусов за трос; крыльчатки, размещенные неподвижно на тросе и предназначенные для стимулирования вихревого движения воздуха на оси восходящего потока воздуха.
Особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что трос может быть выполнен проводящим и заземлен.
Другая особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что каждый из ярусов может содержать: верхнюю и нижнюю втулки, выполненные с возможностью перемещения вдоль троса, закрепления на нем и вращения вокруг него; обод большего диаметра, нежели верхняя и нижняя втулки, размещенный между ними; спицы, скрепляющие обод с верхней и нижней втулками; нагреватели в виде зачерненных поверхностей, размещенные на спицах, соединяющих обод с по меньшей мере верхней втулкой.
Еще особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что по меньшей мере некоторые из спиц могут быть выполнены проводящими и заземленными.
Еще особенность устройства по второму объекту настоящего изобретения состоит в том, что оно может содержать отрезки металлизированной пленки, скрепленные с проводящими спицами.
При этом отрезки металлизированной пленки могут быть выполнены с разрезами вдоль стороны, противоположной скреплению со спицей.
Краткое описание чертежа
Приложенный чертеж иллюстрирует возможный вариант осуществления устройства по настоящему изобретению.
Подробное описание вариантов осуществления
Способ по настоящему изобретению может быть реализован с помощью устройства, проиллюстрированного на чертеже.
В настоящем изобретении, которое можно назвать ГЕЛИАТОР2 (учитывая название ближайшего аналога ГЕЛИАТОР), сохраняется принцип многоярусного подогрева воздуха, но введено закручивание восходящего потока, улучшена система монтажа и подъема установки, изменена конструкция ярусов, которые теперь крепятся только к центральному тросу, из-за чего их плоскости всегда перпендикулярны потоку воздуха.
Каркас одного яруса, как показано на приложенном чертеже, состоит из кольцевого обода 4 с проводами-спицами 3 и 5, попарно натянутыми между ободом 4 и двумя центральными втулками 2 и 6, закрепленными на центральном тросе 1 и разнесенными на некоторое расстояние друг от друга вдоль троса 1. Обод 4 имеет больший диаметр, нежели верхняя и нижняя втулки 2, 6, которые могут содержать, например, подшипники для обеспечения возможности вращаться вокруг троса 1. Таким образом, создается аналог прочного и легкого обода велосипедного колеса с удлиненной осью. Через такой ярус проходит воздушный поток (складывающийся из восходящего потока и бокового ветра), который натягивает трос 1 силой лобового сопротивления ярусов, поэтому направления троса 1 и потока совпадают. Именно двухточечное крепление яруса и разнесение верхней и нижней втулок 2, 6 заставляют плоскость обода быть всегда перпендикулярной к тросу 1. Отсутствие этого свойства у ближайшего аналога вынуждало использовать в нем баллоны в виде тороидов для аэродинамической устойчивости. В настоящем изобретении в качестве нагревающих воздух элементов (нагревателей) могут использоваться зачерненные поверхности любой формы и материала. Совпадение центрального троса 1 с осью воздушного потока позволяет закрепить на этом тросе крыльчатки (не показано) и стимулировать вихревое движения на оси потока для улучшения его устойчивости.
Отсутствие заполненных газом громоздких баллонов позволяет существенно упростить сборку и хранение ярусов. На ровной застеленной черным материалом площадке собирается обод 4 первого яруса из пластмассовых трубок (вместо пластмассы возможно применение металла, древесины и т.п.), которые стыкуются друг с другом и сгибаются по окружности обода 4. В центре окружности устанавливается труба с блоком (роликом) на нижнем конце, через которую проходит центральный трос 1 от лебедки. Труба, лебедка и трос рассчитываются на возможную нагрузку в несколько тонн; они должны быть хорошо заземлены (если трос 1 выполнен проводящим) и закреплены, для страховки возможно применение дублирующего троса. Металлические трос 1 и спицы 3, 5 позволяют генерировать заряженные центры конденсации; если этого не требуется, трос 1 может быть из изолирующего материала (капрон, кевлар и т.п.).
На трубу надевается нижняя втулка 6 (металлическое кольцо) и протягивается нижний ряд проводов-спиц 5 между ней и ободом 4, их длина несколько превышает радиус обода 4. На спицах 5, если надо, закрепляется нагреватель из черного (зачерненного) поглощающего солнечное излучение материала, которым может быть воздухонепроницаемый пластик, тканный или нетканый (типа СПАНБОНД) материал из натуральных или синтетических волокон. Затем на трубу надевается верхняя втулка 2, и к ней из тех же точек обода 4 протягиваются провода-спицы 3 верхнего ряда длиной несколько больше радиуса обода 4, и на них закрепляется нагреватель. Следующий ярус собирается аналогично, но радиус его обода 4 больше на несколько сантиметров, чтобы в него соосно входил предыдущий ярус. Превышающие радиус обода 4 спицы 3 с нагревателями укладываются поверх предыдущего яруса, позволяя ободу последующего ложиться плотно на землю. Направления спиц всех ярусов должны совпадать, чтобы была возможность свободного прохода от обода 4 до центральной трубы. Так, последовательно ярус за ярусом, монтируется вся установка в виде плоского слоя минимальной площади и высоты из вложенных друг в друга ярусов. На первый слой возможно наложение других слоев, принципиальных ограничений на число ярусов нет.
3
Отдельно заполняются легким газом и хранятся воздушные шары для подъема первых ярусов в случае слабого бокового ветра. Наиболее удобны стандартные шары сферической или каплевидной формы объемом 18 м, грузоподъемностью 10-15 кг в зависимости от типа газа и степени заполнения шара. Заполнение не должно быть полным, т.к. шары будут подниматься на большую высоту с пониженным давлением воздуха. Использование шаров вместо сплошного тора в ближайшем аналоге упрощает регулировку подъемной силы и повышает надежность системы при повреждениях оболочки. В случае усиления бокового ветра подъем первых ярусов может быть осуществлен с помощью технологии «воздушного змея». Эксперименты показывают, что при скорости ветра 5 м/сек подъемная сила одного квадратного метра змея может достигать 1 кГ и растет пропорционально квадрату скорости ветра. В качестве воздушного змея может использоваться один из ярусов.
Перед рабочим подъемом установки запускается привязной метеозонд с датчиками температуры, давления, точки росы и определителя координат GPS/ГЛОНАСС. Показания датчиков записываются на флэш-карту; после спуска данные вводятся в компьютер, который выдает профиль атмосферы (стратиграфию) в данном месте и данный момент времени.
Подъем установки начинается с вытягивания через трубу с притормаживающей лебедки центрального троса с помощью шаров или воздушного змея. Прочным зажимом на тросе 1 закрепляется верхняя втулка 2 собранного последним самого верхнего яруса. Трос 1 продолжает вытягиваться, натягиваются верхние спицы 3 и поднимают обод 4 яруса. Оператор придерживает нижнюю втулку 6 яруса до натяжения нижних спиц 5, затем закрепляет ее на тросе 1 вторым зажимом. Аналогично, через заданный промежуток троса, определяемый профилем атмосферы, на тросе 1 закрепляется второй и все последующие ярусы. Здесь, в отличие от ближайшего аналога, легко меняются расстояния между ярусами. В необходимых местах на тросе 1 закрепляются разрезные неподвижные крыльчатки, для которых диаметр, число и углы лопастей определяются скоростью потока воздуха. Опускание установки производится в обратном порядке.
2
Сила лобового сопротивления нагревателя воздушному потоку составляет около 1,5 кГ/м при скорости 5 м/сек и изменяется пропорционально квадрату скорости; оценки показывают, что при скорости восходящего потока 2-3 м/сек она превышает вес яруса и сама поднимает последующие ярусы. Воздушный поток используется также для создания нагревателей в форме надувных тороидов, если использовать материал в виде рукава с вырезанными со стороны потока воздухозаборниками. Форму тороидов можно придать полотнищу ткани, свернув его в рукав и закрепив на спицах так, чтобы между кромками оставалась щель для забора воздуха. Такие нагреватели обладают пониженным сопротивлением потоку и мало меняют площадь нагрева при разных положениях Солнца.
Система работает следующим образом. Зачерненные поверхности всех ярусов нагреваются Солнцем в малооблачную погоду, когда требуются восходящие потоки для образования осадков. Эти поверхности отдают тепло воздуху, в результате в каждом ярусе образуется факел свободной конвекции, окружающий нагретые поверхности. Теплый воздух поднимается вверх с ускорением за счет силы Архимеда, постепенно охлаждаясь из-за расширения и вовлечения окружающего воздуха. Процесс подогрева повторяется на всех ярусах вплоть до верхнего. Расстояния между ярусами должны быть такими, чтобы воздух в восходящем потоке, не успев остыть до температуры окружения, достиг следующего яруса. Вдоль оси установки формируется восходящий поток нагретого в контролируемых условиях воздуха в виде гибкого ствола необходимой высоты. Преодоление нисходящих потоков и температурных инверсий в атмосфере регулируется автоматически: если скорость восходящего потока на каком-то уровне замедляется, то происходит более интенсивный его прогрев за счет более длительного контакта с нагревателем.
Ускоренное движение потока требует притока внешнего воздуха через его боковую поверхность для сохранения неразрывности. В свою очередь приток внешнего воздуха порождает тангенциальную (вихревую) скорость в ускоряющемся потоке (Л.Г. Качурин. Физические основы воздействия на атмосферные процессы, Ленинград, Гидрометеоиздат - 1990). Из-за случайного разброса характеристик ярусов на разных уровнях зарождающиеся скорости вращения могут быть направлены в разные стороны, затрудняя создание единого направления вихря. На центральном тросе 1 установлены крыльчатки, стимулирующие одинаковое направление вращения на всех уровнях. Они имеют небольшой диаметр, расположены на оси потока и только синхронизируют вращение, а полную энергетику ему обеспечивает ускоренное движение самого потока. Вихревой восходящий поток обладает большой устойчивостью, он без разрушения отслеживает значительные изменения скорости и направления бокового ветра на разных высотах.
Внутри каждого яруса может иметься система заземленных проводов-спиц, при необходимости играющих роль излучателей электронов за счет коронного разряда в постоянном электрическом поле Земли на электродах с малым радиусом кривизны и большой неоднородностью поля (патент США №1540998, опубл. 09.06.1925). Для уменьшения радиуса кривизны эмиттеров и увеличения тока на спицах может закрепляться металлизированная пленка типа майлар с разрезами (бахрома). Поскольку толщина металлического слоя майлара не превышает микрометра, то длинные стороны полосок играют роль лезвийных эмиттеров, а углы - острийных. Через спицы проходит поток воздуха, унося вверх на уровень конденсации отрицательные ионы, причем сила поля Земли, действующая на них, добавляется к силе Архимеда восходящего потока.
Восходящий поток начинается в нижней части приземного слоя, в котором количество аэрозолей максимально, что вместе с долгоживущими отрицательными ионами создает эффективные центры конденсации. В данном случае происходит очистка (вентиляция) приземного воздуха от загрязнений, и эти загрязнения, будучи подняты вверх, играют положительную роль в процессе конденсации влаги.
3
2
3
3
Подъем прекращается, когда вершина установки достигает уровня облакообразования. Согласно расчету диаметр восходящего потока на этой высоте составляет около 50-60 м при среднем диаметре яруса 20 м и площади нагревателей на ярусе 200 м. Средняя скорость потока растет по мере дополнительного подогрева на все более высоких ярусах, и на уровне конденсации составляет 7-10 м/сек, т.е. из установки выходит до 20000 м воздуха в секунду с абсолютной влажностью 10-40 г/м. Если принять, что из них конденсируется 5 г/м, то в секунду получается 100 кг конденсата, или около 360 тонн воды в облаке за 1 час только за счет поднятого установкой восходящего потока.
3
2
При конденсации 5 г пара кубометр воздуха нагревается на 10 градусов. Это очень сильный нагрев, и он растянут на сотни и тысячи метров по высоте. За это время в центральной части облака восходящий с ускорением вращающийся поток уносит сохранившийся пар на высоту, где температура окружающего воздуха становится все ниже, насыщение пара наступает при меньшей абсолютной влажности, оставшийся пар дополнительно конденсируется, подогревается и т.д. При динамическом равновесии конденсация - испарение на высоте нулевой изотермы в конденсат может переходить 5-35 г/м, т.е. 100-700 кг/сек в объеме восходящего потока. Если принять минимальную оценку 100 кг/сек, то тепловыделение в облаке составит 60 Мкал/сек или 250 Мегаватт мощности, расходуемой на дополнительной нагрев и подъем воздуха. В безоблачный день на 1 м площади нагревателя, перпендикулярной излучению, от Солнца приходит 1 кВт энергии, а суммарные затраты на нагрев восходящего потока в установке составляют 5-10 МВт с учетом наземного зачерненного слоя. Поэтому начало конденсации пара в поднятом установкой приземном воздухе запускает самоподдерживающийся процесс конвекции, мощность которого существенно превосходит мощность солнечного нагрева восходящего потока в установке. Выделившаяся тепловая мощность дополнительно ускоряет начинающийся у земли вихревой восходящий поток за счет тяги (подсоса) вверх в кучевом облаке, увеличивая в несколько раз его эффективный радиус и производительность, улучшая его устойчивость к боковому ветру и помогая преодолевать задерживающие слои антициклона.
Изобретение также может использоваться для создания каналов циркуляции воздуха через задерживающий слой антициклона, для вентиляции и выброса загрязнений с приземного слоя, рассеяния туманов, метеорологических исследований в контролируемых условиях и других аналогичных задач. Попутное применение: большие площади нагревателей с нижней не освещаемой стороны могут использоваться для размещения рекламы.