Аэростатная система наблюдения
AEROSTAT SURVEILLANCE SYSTEM

Изобретение относится к летательным аппаратам, предназначенным для непрерывного наблюдения с воздуха за отдельными участками местности, при решении задач охраны особо важных объектов, природоохранных, пожароохранных и других, в том числе и военных задач, где необходим контроль за площадными и протяженными участками местности.
Основным условием длительного наблюдения является наличие источника энергии, способного обеспечивать работу средств обнаружения. Существуют различные способы решения данной проблемы использования энергоемких аккумуляторов до пополнения энергии в процессе работы от альтернативных источников, используемых в конструкции устройства.
В качестве таких источников энергии может выступать энергия ветра. Однако, препятствием к использованию ветра может выступать непостоянство его скорости и, следовательно, энергии во времени. Мощность ветрового потока пропорциональна кубу скорости ветра. Поэтому, даже относительно небольшие его изменения приводят к значительным колебаниям мощности, развиваемой ветроэнергетическими установками.
Средняя скорость ветров в приземном слое атмосферы не может быть большой из-за сильного тормозящего эффекта поверхности Земли. По мере удаления от нее средние скорости ветров растут и на больших высотах достигают величин, в 2-4 раза превышающих значения, наблюдаемые в приземных слоях атмосферы. К тому же, ветры на высоте относительно постоянны. Поэтому ветровые энергетические установки выгодно поднимать на большие высоты, измеряемые километрами, а не десятками метров. Рекомендуется размещать ветровые энергетические установки на высотах от 2000 до 5000 метров, а в перспективе и выше по мере накопления опыта их эксплуатации. Для подъема ветровых энергетических установок выгодно использовать технические возможности современных привязных аэростатов, которые могут удерживать их на заданной высоте стоянки недели, месяцы и даже годы.
Известен комплекс аппаратуры для воздушного наблюдения, (RU 2535381, 2014 г.) включающий размещение тепловизионной камеры на привязном аэростате с возможностью кругового вращения камеры вокруг вертикальной оси и изменения угла наклона камеры к вертикальной оси за счет размещения ее на горизонтальном валу.
Недостатком этого устройства является наблюдение только в одном диапазоне спектра частот, недостаточная дальность наблюдения и подверженность метеорологическому воздействию.
Известен также экологический дирижабль (RU 2532301, 2014 г.), содержащий корпус с несколькими отсеками, заполненными несущим газом легче воздуха, гондолу с двигателями, топливными баками, кабиной управления, салонами для экипажа и наблюдателей-исследователей, приборы дистанционного зондирования земной поверхности и атмосферы для лазерного зондирования, видео-, кино- и аэрофотосъемки в различных спектральных диапазонах: видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом, откидные и выносные устройства - пробоотборники воздуха, воды и почвы, устройства посадки на неподготовленные участки Земли и водной поверхности и высадки групп исследователей-экологов и ликвидаторов, лабораторное оборудование для получения, обработки и анализа проб воздуха, воды, почв, подпочвенных грунтов, донных отложений, торфа, растительности, а также газоанализаторы, масс-спектрометры, спектрографы, хроматографы, аппаратуру точной координатной привязки по спутниковой информации, аппаратуру оперативной двусторонней связи с другими воздушными, космическими, наземными, морскими и речными исследовательскими центрами, а также обмена результатами наблюдений в режиме реального времени.
Недостатком этого устройства является сложность, большие габариты и соответственно высокая стоимость устройства.
Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению является аэростатный ветрогенератор (RU 2537664, 2014 г.), содержащий турбинно-генераторный блок, поднятый над землей аэростатной оболочкой положительной плавучести, заключенной в клеть из прутьев и ремней, привязанную к месту тросами через наземные лебедки, оболочка представляет из себя полую плоско-выпуклую линзу, расположенную горизонтально и вниз своим плоским днищем, имеющую сквозной центрально-осевой канал, в котором размещен сопряженный с прутьями клети цилиндрический корпус, где с опорой на подшипники вращается вертикальный вал; на верхнем выступающем из корпуса и аэростатной оболочки конце вала установлена ортогональная турбина, а нижний конец вала через муфту сообщается с ротором генератора; электрический кабель отходит от генератора так, что его свободно свисающая в воздухе часть совпадает с осью симметрии устройства по вертикали, а его нижний незадействованный конец намотан на наземную бухту.
Недостатком этого устройства является отсутствие возможности одновременно эффективно использовать средства наблюдения и воздушные потоки для генерирование электроэнергии, так как дальность существующих средств для дистанционного зондирования земной поверхности в видимом и инфракрасном спектральных диапазонах не всегда соответствует высоте, где скорость ветра оптимальная.
Задачей изобретения является создание устройства, способного длительное время сохранять свою работоспособность за счет пополнения энергии в процессе полета, имеющего возможность оперативно менять высоту средств наблюдения для эффективного обнаружения целей.
Требуемый технический результат достигается тем, что аэростатная система наблюдения, содержащая корпус (1), заполненный несущим газом легче воздуха и заключенный в клеть из ремней (14) имеет лопасти (15) для вращения, клеть жестко соединена тросом (2) с ротором электрогенератора (3) через крепление троса (16), статор (4) которого соединен другим тросом с электролебедкой (6) через крепление троса (19), соединение ротора (3) и статора (4) осуществляется через подвесы на постоянных магнитах (17, 18), на корпусе электрогенератора расположены приборы оптического наблюдения (5) в видимом и инфракрасном диапазонах, кабелем, проложенным внутри троса, соединяющего статор электрогенератора с лебедкой (6), связанные с системой связи и управления (7), которая включает в себя последовательно соединенные модуль управления (9), модуль распознавания (21), модуль связи (10), модуль спутниковой глобальной навигационной системы ГЛОННАСС/GPS (13), аккумуляторную батарею (11), электролебедку (8).
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлена схема аэростатной системы наблюдения:
1. - корпус, заполненный несущим газом;
2. - трос, соединяющий корпус с ротором электрогенератора;
3. - ротор электрогенератора;
4. - статор электрогенератора;
5. - приборы оптического наблюдения;
6. - трос, соединяющий статор электрогенератора с лебедкой;
7. - система связи и управления;
8. - электролебедка;
9. - модуль управления;
10. - модуль связи;
11. - аккумуляторная батарея;
12. - модуль распознавания;
13. - модуль спутниковой глобальной навигационной системы ГЛОННАСС/GPS.
На Фиг. 2 представлена схема корпуса, заключенного в клеть из ремней и имеющего лопасти, где:
14. - клеть из ремней;
15. - лопасти.
На Фиг. 3 представлена схема подвеса ротора электрогенератора на постоянных магнитах, где:
16. - крепление троса, соединяющего корпус с ротором электрогенератора;
17. - верхний подвес на постоянных магнитах;
18. - нижний подвес на постоянных магнитах;
19. - крепление троса, соединяющего статор электрогенератора с лебедкой.
Изобретение работает следующим образом: в период подготовки аэростатной системы наблюдения к работе осуществляются замеры силы и продолжительности воздушных потоков на предполагаемой высоте эксплуатации устройства в данной местности. Определяется тип и технические характеристики приборов оптического наблюдения (5) для определения оптимальной высоты их эксплуатации. К корпусу (1) жестко крепится трос (2) и корпус заполняется подъемным газом и поднимается вверх. Другой конец троса (2) жестко крепится к ротору электрогенератора (3), статор (4) которого соединяется с электролебедкой (8) с тросом (6). В процессе подъема корпус, заполненный несущим газом (1) и имеющий лопасти (15), под воздействием воздушных потоков начинает раскручиваться. Вращательный момент от вращающегося корпуса, заполненного несущим газом (1) через трос (2) передается на ротор электрогенератора (3) и раскручивает его. С помощью электролебедки (8), отпускающей трос (6), электрогенератор с приборами оптического наблюдения (5), расположенными на статоре электрогенератора (4), поднимается на высоту, обеспечивающую эффективное наблюдение в видимом и инфракрасном диапазонах. Электроэнергия, вырабатываемая электрогенератором за счет вращения корпуса, заполненного несущим газом (1), обеспечивает питание приборов оптического наблюдения (5) и по кабелю, приложенному внутри троса (6), поступает в систему связи и управления (7). Там она распределяется между потребителями, которыми выступают: электролебедка (8), модуль управления (9), модуль связи (10), модуль распознавания (12), модуль спутниковой глобальной навигационной системы ГЛОННАСС/GPS (13), а излишки вырабатываемой электроэнергии накапливаются на аккумуляторной батареи (11).
Приборы оптического наблюдения (5) осуществляют контроль заданной территории в видимом и инфракрасном диапазонах. При обнаружении каких-либо объектов модулем распознавания (12) проводится предварительная обработка изображения и передача его модулем связи (10) на пункт управления. Одновременно передаются координаты аэростатной системы наблюдения из модуля спутниковой глобальной навигационной системы ГЛОННАСС/GPS (13). Оператор пункта управления имеет возможность через систему управления и связи (7) изменять режим работы и высоту расположения приборов оптического наблюдения (5), при этом вращающийся корпус, заполненный несущим газом (1), будет продолжать находится в диапазоне высот с эффективными условиями для обеспечения генерирования электроэнергии.
Для сокращения потерь при генерировании электроэнергии соединение ротора (3) и статора (4) электрогенератора предлагается осуществить с помощью магнитных подвесов на постоянных магнитах. Отсутствие физического контакта между частями электрогенератора исключает потери энергии на трение и повышает КПД. Отсутствие в предлагаемой схеме подшипников избавляет от использования специальной смазки для работы при низких температурах, что повышает высоту эксплуатации и расширяет географию использования (Арктика, высокогорье и т.п.).
Лопасти (15) на корпусе, заполняемым несущим газом (1) выполнены объемными и также заполняются несущим газом, они имеют изогнутую форму для придания вращательного момента в одном направлении.
Аэростатная система наблюдения может длительное время автономно эксплуатироваться, используя ветер для генерирования электроэнергии и подстраиваться под изменяющиеся погодные условия на различной высоте наблюдения.