ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ
TETHERED AEROSTAT

Изобретение относится к области радиосвязи с использованием летно-подъемных средств для расширения зоны приема радиотехнической связи, вещания, контроля и управления.
Известны воздушные платформы, описанные в патенте (RU 2182544 С2, 20.05.2002). Особенность устройства заключается в том, что платформу через узел привязи соединяют с тросом, содержащим молниееотвод, а в наземной части заземляют, причем предусматривают электросистему, располагаемую на грузовой платформе, подвешенной к нижней поверхности аэростата.
Недостаток известного устройства заключается в том, что большая часть электроэнергии поступает к нему от наземного устройства, что лишает воздушную платформу автономности.
Более близким к настоящему изобретению, и, принятым за прототип, является привязная воздушная платформа, описанная в патенте (RU 2159199 С2, 20.11.2000), в котором формируют оболочку в виде двояковыпуклой линзы, с контейнером и аппаратурой, тросовой разводкой и швартовочным тросом, и снабжают ее ветроэнергетической установкой, имеющей ветропривод и электрический генератор, питающий аппаратуру, причем оболочку заполняют легким газом.
Недостаток прототипа также как и аналога заключается в том, что большая часть электроэнергии поступает от наземного устройства, что лишает воздушную платформу автономности. Кроме того, при наличии ветровой нагрузки и изменяющихся погодных условий, воздействующих на аэростат, последний, изменяет свою высоту, что сказывается на качестве получаемой от него информации.
Задачей данного изобретения является обеспечение большей продолжительности непрерывного полета существующих привязных аэростатов от 6 месяцев до 5 лет и более и увеличение рабочей высоты для вновь разрабатываемых привязных аэростатов до 20 км при повышении точности поддержания его по высоте и углу движения относительно вертикальной оси (уменьшение эффекта рыскания).
Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в повышении энергонасыщенности аэростата и обеспечении большей его автономности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что привязной аэростат содержит двояковыпуклую оболочку с легким газом, контейнер с аппаратурой, тросовой разводкой и по меньшей мере один ветропривод с электрическим генератором, питающим аппаратуру в контейнере, он снабжен баллоном, выполненным с возможностью стравливания воздуха и примыкающий снизу к упомянутой оболочке, компрессором, выполненным с возможностью нагнетания воздуха в упомянутый баллон, гибкой солнечной панелью, которая покрывает верхнюю поверхность оболочки, и вентилятором, установленным с возможностью компенсировать вращательное движение оболочки по высоте и углу отклонения по вертикали, при этом упомянутая оболочка сформирована из полиамида и снабжена каркасом.
Каждый электрический генератор выполнен с колебательным движением якоря и расположен снаружи корпуса аэростата.
Привязной аэростат может быть снабжен подогревателем воздуха, расположенным внутри баллона с возможностью поддерживать высоту аэростата путем подогревания воздуха. Формирование оболочки в виде двояковыпуклой линзы, которую выполняют из твердой пластмассы, например, полиамида и снабжение оболочки, формопридающим каркасом обеспечивают большую прочность аэростата и уменьшают ветровую нагрузку.
Покрытие верхней поверхности оболочки гибкой солнечной панелью, позволяет повысить энергообеспеченность аэростата.
Подвешивание снаружи к оболочке аэростата нескольких электрических генераторов с колебательным движением якоря, дает возможность также повысить энергоснабжение аэростата.
Нагнетание или стравливание воздуха в емкости, подвешиваемой снизу к оболочке аэростата позволяет поддерживать аэростат на определенной высоте.
Аналогичный результат обеспечивается и за счет того, что воздух внутри указанной емкости подогревают с помощью электронагревателя.
Вращение вентилятора, плоскости лопастей которого параллельны центральной оси аэростата, обеспечивают компенсацию вращательного движения (снижают рысканье) аэростата.
Изобретение иллюстрируется 6-ю фигурами.
На фиг. 1 изображена оболочка с формопридающим каркасом.
Фиг. 2 демонстрирует компрессор.
На фиг. 3 имеется вид особой емкости с компрессором.
Фиг. 4 демонстрирует воздушную платформу в сборе с оболочкой, емкостью, компрессором и контейнером.
На фиг. 5 показан вентилятор, компенсирующий вращение платформы.
На фиг. 6 представлен электрический генератор с колебательным движением якоря.
Воздушную платформу снабжают оболочкой 1, которую выполняют из легкого морозостойкого материала, например, полиамида, (фиг. 1). имеющую вид двояковыпуклой линзы, и заполняют ее легким газом. Верхнюю поверхность оболочки аэростата покрывают гибкой солнечной панелью (на фиг. не показана).
Внутреннюю полость оболочки снабжают формообразующим каркасом, состоящим из гибких продольных обручей 2 и поперечных обручей 3, связанных между собой. Меридиальный поперечный обруч 4 выполняют достаточно жестким, чтобы не допустить его изгиба.
Следующим элементом системы является компрессор 5, (фиг. 2) нагнетающий воздух, из входного рукава 6 в выходной рукав 7, с помощью нагнетающего механизма с лопатками (на фиг. не обозначены). Компрессор снабжен электродвигателем 8.
Входной рукав 6 имеет выход в наружную атмосферу, а выходной рукав 7 подает сжатый воздух внутрь замкнутого баллона 9 (фиг. 3). Баллон снабжают электроподогревателем 10 и полагают его в центре баллона.
На фиг. 4 представлена воздушная платформа в сборе. Замкнутый баллон 9 снизу плотно примыкают к оболочке 1. Внутри баллона 9 располагают электрический подогреватель 10 и датчик температуры (на фиг. не показан). Ниже баллона 9 устанавливают контейнер 11. Контейнер 11, в свою очередь, снабжают тросовой развязкой 12. Нижний конец тросовой развязки сочленяют тросом 13 с лебедкой 14.. В трос 13 вставляют электропроводящую жилу, связывающую контейнер 9 с источником питания (на фиг. не показан), расположенным на земле, и выполняющей функции громоотвода.
Для компенсации вращательных движений, которые могут возникать при воздействии ветра на оболочку, использован вентилятор 15 (фиг. 5), вращающий лопасти 16, плоскости которых параллельны центральной оси аэростата. Корпус (на фиг. не обозначен) вентилятора крепится к полу (на фиг. не обозначен) контейнера 11 с помощью элементов крепления 17.
Корпус аэростата снабжают несколькими ветроэлектрогенераторами (фиг. 6).
Преобразователь энергии ветра в электрическую энергию выполнен в виде трубчатого корпуса 18, изготовленного из легкой пластмассы, крышку которого снаружи в верхней своей части крепят к меридиальному поперечному обручу 4 с помощью шарнира 19 с образованием непроницаемого для газа соединения. Внутреннюю часть крышки (на фиг. не обозначена) корпуса снабжают пружиной 20, прикрепленной к нижней части крышки. Пружину располагают по оси трубчатого корпуса 18. Снизу к пружине 20 присоединяют якорь 21 электрического генератора с валами, которые проходят через подшипники скольжения 22 и 23. Подшипники сочленяют с внутренней поверхностью трубчатого корпуса 18. Якорь 21 располагают внутри наружного статора 24, который закрепляют в трубчатом корпусе 18. Нижний конец вала якоря 21 связывают с помощью крепежного кольца 25 с емкостью 26. Емкость 26 выполняют несколько тяжелее воздуха и ее формируют в виде аэродинамического профиля из верхней сферической и плоской нижней поверхностей. Емкость 26 изнутри заполняют легкой пластмассой. Нижнюю поверхность емкости 26 снабжают козырьком 27, выходящим за границы периметра верхней поверхности емкости 26, что придает емкости ассиметричную форму. Козырек 27 выполняют из легкого пластмассового материала небольшой толщины. Его плоскость является продолжением нижней поверхности емкости 26. Кроме того, нижнюю часть емкости 26 снабжают килем 28, стабилизирующим положение емкости по отношению к ветру. Киль 28 выполняют из легкого материала, небольшой толщины и он продолжается от центра верхней поверхности емкости 26 до ее периферии по оси симметрии. Общее число таких ветрогенераторов может достигать десяти -двенадцати и более штук.
Способ обеспечения навигации привязных воздушных платформ действует следующим образом. Оболочку 1 в виде двояковыпуклой линзы, выполненной из твердой пластмассы, например, полиамида (фиг. 1, 2, 3), снабжают формообразующим каркасом, заполняют легким газом, снизу к оболочке подвешивают баллон 8 с компрессором 5, контейнером 9 с аппаратурой, тросовой разводкой 12 и энергетическими установками, имеющими ветропривод с электрическим генератором (фиг. 6), питающим аппаратуру. Оболочке 1 вместе с перечисленными элементами дают возможность подняться вверх, тяня за собой трос 13. С помощью лебедки 14 позволяют летательному аппарату подниматься на определенную высоту и стопорят лебедку. Под воздействием ветровой нагрузки на оболочку 1 аэростата могут действовать силы, стремящиеся ее повернуть относительно вертикальной оси. В контейнере 11 устанавливают датчик угла отклонения (на фиг. не показан). В случае, если датчик угла смещается, то его показания сравнивают с опорным сигналом и при рассогласовании система управления дает команду на включения двигателя вентилятора 15. Двигатель вращают в сторону, противоположную направлению отклонения датчика угла смещения до тех пор, пока это отклонение не станет равным нулю.
Предположительная высота подъема может достигать 20 км. На такой высоте солнце не закрывается облаками и гибкие солнечные батареи, имеющие, благодаря форме оболочки, поверхность, достаточную для того, чтобы в дневное время с избытком обеспечивать энергией все потребности аэростатного оборудования. Помимо солнечных батарей свой постоянный вклад в энергоснабжение вносят и преобразователи энергии ветра (фиг. 6), которые действует следующим образом. Ветер, как правило, дующий на высоте, воздействует на емкость 26. Последняя за счет аэродинамического эффекта, определяемого разностью скоростей ветровых потоков, обтекающих ее с верхней и нижней поверхности, будет стремиться двигаться вверх, уменьшая растягивающую силу, действующую на пружину 20. Таким образом, на якорь 21 генератора действуют две силы, одна из которых стремится поднять его вверх, а вторая - вес емкости, опустить его вниз. Емкость 26 будет совершать колебательные движения вверх - вниз. Эти движения передаются на пружину 20 и приводят к ее попеременному сжатию и растяжению. Колебательные движения пружины заставляют якорь 21 также совершать возвратно-поступательные движения, которые вызывают появление электрического напряжения на обмотках статора 24, которое и используется для получения электрической энергии. При наличии козырька 27 (фиг. 6) во время движения под влиянием ветра корпуса вверх и вниз, на козырек будет действовать сила воздушного сопротивления, направленная вертикально. Емкость 26 будет разворачиваться боком по отношению к ветру, и действие аэродинамического эффекта ослабевает. Тогда емкость начнет снова подниматься вверх, стремясь занять первоначальное положение. Далее процесс повторяется. Благодаря этому будет происходить дополнительное изменение баланса сил, действующих на пружину 20, даже при постоянном воздушном потоке. Применении киля 28 способствует стабилизации корпуса ветрогенератора относительно ветра.
Под влиянием различных факторов (воздействие ветра, изменение температуры окружающей среды, влажности, атмосферных осадков и т.д. аэростат может изменять свою высоту. Для компенсации этих изменений в системе управления предусмотрен ряд мер, к которым относятся повышение плотности воздуха в баллоне 9 (фиг. 2, 3) за счет работы компрессора 5. При его включении плотность воздуха внутри баллона 9 повышается и вес контейнера увеличивается, заставляя аэростат снижаться. В то же время при стравливании воздуха вес баллона 9 снижается. При включении электроподогревателя 10, расположенного внутри баллона, вес летательного аппарата снижается. При этом аэростат стремиться подняться вверх. Поскольку баллон 9 плотно примыкает к оболочке 1 аэростата, то частично нагревается и внутренность оболочки. Воздействуя, таким образом на баллона 9, можно компенсировать влияние внешних факторов на аэростат, т.е. поддерживать его на одном уровне.
Таким образом, за счет используемых мер удается стабилизировать аэростат как по высоте, так и по углу рысканья. Аппарат имеет повышенную энергонасыщенность, и позволяет увеличить продолжительность полета аэростата. При этом предполагаемая продолжительность непрерывного полета может доходить до 5 лет при высоте полета до 20 км.