СПОСОБ И СИСТЕМА ДЛЯ ТОРМОЖЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
METHOD AND SYSTEM FOR AIRCRAFT BRAKING

Ссылка на родственную заявку
[0001] Согласно настоящей заявке испрашивается приоритет в соответствии с предварительной заявкой на выдачу патента США №62/469156, поданной 9 марта 2017 г., которая включена в настоящий документ посредством ссылки.
Область техники, к которой относится настоящее изобретение
[0002] Настоящее изобретение в целом относится к области авиации и, в частности, к способу и системе, которые обеспечивают торможение воздушного транспортного средства для безопасного приземления.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
[0003] С самого начала авиации крушения воздушных судов получали широкое освещение. В настоящее время воздушное путешествие считается одним из самых безопасных видов поездок, но по-прежнему существует страх перед крушением гражданского воздушного судна. Это в основном связано с большим количеством людей, которых перевозят при каждом таком рейсе. Проблема заключалась и заключается в том, что из-за нахождения в воздухе поврежденное воздушное судно не может совершить обычную посадку, а терпит крушение или выполняет аварийную посадку. Оба этих варианта могут стать причиной травм или гибели многих людей. До настоящего времени не изобретена система, которая может помочь уменьшить повреждения и позволить находящемуся в воздухе воздушному судну, после получения повреждения или поломки, совершить безопасное приземление на поверхность земли или воды с минимальными повреждениями.
[0004] Такие системы, конечно, были предложены ранее. Одна из таких систем, используемых на коммерческом рынке, предназначена для спасения небольших однодвигательных самолетов. В этой системе производства BRS Aerospace используется один парашют, который раскрывается, если воздушное судно сваливается с режима управляемого полета. Однако этот способ применим только к небольшим воздушным суднам, которые совершают полет на низкой скорости, и сила торможения, обеспечиваемая парашютом, недостаточно велика, чтобы замедлить реактивный рейсовый пассажирский самолет.
[0005] В патенте США №8123170 под названием «Recovery and Rescue System for Aircraft» описана система, предназначенная для небольшого воздушного судна. Эта система, как упомянуто, может быть улучшена для установки на большие реактивные самолеты, вплоть до реактивных самолетов бизнес-класса. В этом патенте описано использование одного паруса, который автоматически приводится в действие в аварийной ситуации. Использование паруса обладает преимуществами силы резкого торможения парашюта, но эта система не гарантирует полноценного решения для всех воздушных судов и, в целом, ограничена небольшими воздушными судами.
[0006] В патенте США №6761334 под названием «Aircraft Passenger Safety Module» описана система, в которой пассажиры в рейсовом пассажирском самолете сидят в модуле, который может быть отделен в случае аварии. После отделения могут быть раскрыты парашюты, обеспечивающие безопасное приземление пассажирского модуля. Для этой системы требуется сложная конструкция и инженерный подход для встраивания в существующие планеры (если это вообще возможно). Кроме того, использование парашютов в высоколетящих и высокоскоростных реактивных самолетах с большой вместительностью и большой массой может быть таким же опасным, как и крушение. Использование парашюта на высоких скоростях может привести к созданию силы торможения, которая может разорвать модуль или даже привести к травмам находящихся внутри пассажиров или их смерти. В эффективном способе сначала должно быть обеспечено замедление самолета и раскрытие парашютов только в безопасной для этого ситуации.
[0007] В публикации патента США №2008/0142635 «Aircraft Safety System» описана система парашютов, способствующая безопасному приземлению рейсового пассажирского самолета во время аварии. В этом патенте консоли крыла воздушного судна отделяются и приземляются отдельно от корпуса, что приводит к уменьшению массы воздушного судна. Однако, опять-таки, использование только парашютов для торможения может быть очень опасным в высоколетящих высокоскоростных рейсовых пассажирских самолетах. В этом патенте также описан фюзеляж, способствующий более мягкой посадке воздушного судна, даже без раскрывшихся шасси.
[0008] В патенте США №5826827 «Air-Chute Safety System» описано еще одно решение по спасению, в котором используется несколько парашютов, способствующих приземлению реактивного рейсового самолета при аварии. В этой системе, опять-таки, для спасения используются только парашюты.
[0009] В патенте США №7523891 «Safety Pre-Impact deceleration System For Vehicles» описана спасательная система, состоящая из надувающихся подушек безопасности, которая обеспечивает плавное снижение скорости воздушного транспортного средства. Другой способ, описанный в этом патенте, заключается в использовании купола парашюта с регулируемыми отверстиями. Кроме того, подушки безопасности надуваются вокруг транспортного средства для ослабления удара при посадке.
[0010] Основным недостатком вышеописанных патентов является то, что снижение скорости является очень высоким, на том уровне, на котором возможно нанесение вреда людям внутри транспортного средства.
[0011] Космические корабли, повторно входящие в атмосферу, летят на очень высокой скорости, и у них нет средств для снижения их скорости перед входом в атмосферу. Следовательно, они должны быть защищены от высокой температуры, образующейся во время указанного повторного входа. Масса средств теплозащиты составляет существенную часть массы транспортного средства.
[0012] Таким образом, необходим другой подход, который гарантирует постепенное снижение скорости транспортного средства как для воздушных транспортных средств в атмосфере, так и для воздушных транспортных средств в космосе перед повторным входом в атмосферу.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
[0013] Далее описана система для снижения скорости летательных аппаратов за счет применения электродинамической и аэродинамической сил торможения, причем система состоит из множества шлейфов, причем каждый шлейф выполнен из диэлектрического материала, окруженного металлической фольгой, и другая металлическая фольга вставлена в середину шлейфа, внешняя металлическая фольга и внутренняя металлическая фольга изолированы друг от друга, вследствие чего они образуют конденсатор.
[0014] Каждый шлейф, перед активацией силы торможения, хранится в цилиндре, который прочно прикреплен к летательному аппарату. Шлейф свернут в цилиндре. Когда есть необходимость в силе торможения, шлейф выходит из цилиндра и раскрывается в виде хвоста за летательным аппаратом. Генератор, расположенный в летательном аппарате, предназначен для подачи высокого напряжения постоянного тока для зарядки конденсатора, образованного шлейфом.
[0015] Аэродинамическое сопротивление создается в результате взаимодействия спирального шлейфа с воздухом. Сила аэродинамического сопротивления зависит от площади, занятой спиральным шлейфом, и скорости шлейфа. Электродинамическое снижение скорости обеспечивается в результате взаимодействия между ионами, находящимися в атмосфере, и отрицательными зарядами на внешней металлической фольге шлейфа, на которой находятся свободные электроны. Энергия, передаваемая ионам, берется из кинетической энергии летательного аппарата.
Краткое описание фигур
[0016] На фиг. 1а показан цилиндр.
[0017] На фиг. 1b показана структура шлейфа внутри цилиндра.
[0018] На фиг. 1с подробно показана структура раскрытого шлейфа.
[0019] На фиг. 2 показан разрез шлейфа.
[0020] На фиг. 3 показан схематический вид шлейфа, соединенного с генератором.
[0021] На фиг. 4 показаны токи и силы, действующие в системе.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
[0022] Далее настоящее изобретение будет описано более подробно со ссылками на прилагаемые фигуры, на которых показаны некоторые возможные варианты осуществления настоящего изобретения. Тем не менее, настоящее изобретение может быть воплощено в самых разных формах, поэтому приведенные в настоящем документе варианты его осуществления не следует рассматривать как ограничивающие, поскольку они приведены для упрощения понимания сути настоящего изобретения для специалистов в области техники настоящего изобретения.
[0023] В раскрытом способе используется система, которая обеспечивает электродинамическое снижение скорости и аэродинамическое сопротивление. На больших высотах электродинамическое снижение скорости обеспечивает снижение скорости повторного входа спутника, а аэродинамическое сопротивление способствует осуществлению финальной фазы приземления. Система торможения состоит из множества цилиндров 110, как показано на фиг. 1а, причем в каждом цилиндре хранится сжатая спиральная полоса 120. Структура спиральной полосы показана на фиг. 1b. На фиг. 1 с показан разрез полностью раскрытой полосы. Цилиндры могут быть прочно прикреплены к летательному аппарату, скорость которого должна быть уменьшена, и после раскрытия полоса перемещается с летательным аппаратом. Согласно другому варианту осуществления цилиндры могут быть прочно прикреплены к объекту, несущему летательный аппарат, такому как воздушное судно или космическая станция, причем шлейф прикреплен к летательному аппарату и высвобождается из цилиндра после раскрытия. С этого места раскрытая полоса будет называться шлейфом. Раскрытие полосы называется активацией шлейфа.
[0024] Стандартные размеры полосы в цилиндре следующие:
Количество витков = 2000;
Длина (L) полосы = 630 м;
Диэлектрическая постоянная (ε) = 2;
Масса шлейфа = 6 кг;
Разрывное напряжение диэлектрического материала = 40 кг/мм.
[0025] Разрез А-А шлейфа на фиг. 1b показан на фиг. 2. Шлейф 200 выполнен из диэлектрической ленты 230 шириной We и высотой Н. На внешнем периметре шлейфа находится металлическая фольга 220, и в середине шлейфа находится металлическая фольга 220 шириной Wi. Стандартные размеры шлейфа следующие: We = 0,1 м, Wi = 0,09 м, Н = 0,00005 м.
[0026] Шлейф представляет собой конденсатор. Емкость конденсатора шлейфа, характеризующегося представленными выше размерами, составляет:
0
С = 2 ε ε L Wi / 0,5Н ≈ 0,0016 Кл,
0
где ε - диэлектрическая постоянная и ε - относительная диэлектрическая проницаемость.
d
[0027] Сначала рассмотрим аэродинамическое сопротивление. Эта сила сопротивления F может быть вычислена по следующей формуле:
3
где ρ - плотность воздуха [кг/м];
2
А - площадь шлейфа в раскрытом состоянии [м];
d
C - коэффициент сопротивления, который зависит от формы тела;
V - скорость тела [м/с].
[0028] В качестве примера рассмотрим случай, когда масса спутника составляет 5 кг. Для замедления до постоянной скорости требуется сила сопротивления, равная 50 Н (компенсация ускорения свободного падения). Из уравнения (1) можно найти необходимую площадь шлейфа:
d
3
2
3
Предположим, что C = 1, учитывая, что в раскрытом состоянии между спиралями раскрытой полосы есть взаимодействие. Также предположим, что во время приземления скорость спутника составляет 5 м/с. Плотность воздуха ρ = 1,2 кг/м. Используя эти значения, получим, что необходимая площадь составляет 3,33 м. Используем размеры шлейфа, указанные выше, и предположим, что плотность материала шлейфа составляет 1440 кг/м, масса шлейфа составляет 0,24 кг.
[0029] Теперь рассмотрим электродинамическое сопротивление, обеспечиваемое одним и тем же шлейфом. Разрез шлейфа по линии В-В на фиг. 2 представлен на фиг. 3. Шлейф 300 находится в раскрытом состоянии и соединен со спутником 310. На спутнике находится генератор, который заряжает конденсатор шлейфа. Как описано выше, конденсатор шлейфа состоит из металлических слоев 210 на внешней стороне шлейфа и внутреннего металлического слоя 220 внутри диэлектрического материала 230 шлейфа. Внешние металлические пластины соединены с отрицательной клеммой генератора 320, а внутренний металлический слой соединен с положительной клеммой генератора 320. На поверхности шлейфа есть свободные электроны 330, а в атмосфере есть положительные ионы 340.
[0030] Рассмотрим заряженный шлейф, движущийся на скорости спутника V, в виде троса, характеризующегося плотностью отрицательного заряда Q Кл/м, движущегося со скоростью V м/с и создающего тем самым постоянный ток J, что вычисляется по следующей формуле:
Это показано на фиг. 4. Шлейф 410 перемещается со скоростью V со свободными электронами, вследствие чего образуется положительный ток J. Вокруг шлейфа 410 образуется круговое магнитное поле 430, индукция В которого зависит от радиуса r. Индукция В(r) вычисляется по следующей формуле:
0
где μ - магнитная проницаемость воздуха (которая, предположим, равна магнитной проницаемости вакуума).
[0031] На том же расстоянии г находится положительный ион 420 с зарядом р, который притягивается к отрицательному заряду в шлейфе с силой кулоновского взаимодействия Е(r), которая вычисляется по следующей формуле:
Сила кулоновского взаимодействия Е(r) 440, действующая на ион 420, заставляет его перемещаться со скоростью w(r) в направлении шлейфа. Это приводит к созданию силы Лоренца F 450 на ионе 420, действующей в направлении скорости шлейфа V, причем величина силы вычисляется по следующей формуле:
Работа, выполненная в отношении перемещающегося иона 420, берется из кинетической энергии спутника, таким образом, его кинетическая энергия уменьшается и спутник замедляется.
-9
[0032] Продолжаем вычисление мощности, затрачиваемой шлейфом для притяжения иона. Ион вначале находится на расстоянии L от шлейфа. Он перемещается из-за действующих на него сил к шлейфу до тех пор, пока не захватывает электрон и нейтрализуется. Ион захватывает электрон на расстоянии δ от шлейфа. Это расстояние приблизительно равно величине иона (10). Работа А, выполняемая силой F(r) по всей области L, вычисляется по следующей формуле:
И после подстановки значения В(r) из уравнения (4) получим следующее:
Средняя мощность Р, затрачиваемая шлейфом для притяжения иона, вычисляется по следующей формуле:
-10
где Т - время перемещения иона до нейтрализации электроном в шлейфе. За счет осуществления вышеприведенных вычислений можно увидеть, что средняя мощность Р резко увеличивается при уменьшении δ. Поскольку точное значение δ неизвестно, предположим, что Р = 10 Вт. (Это значение определено на основании математического моделирования).
[0033] Определим относительную среднюю мощность относительно скорости шлейфа следующим образом:
Мощность всего шлейфа вычисляется по следующей формуле:
где N - количество ионов, захваченных шлейфом за одну секунду. Очевидно, что N равно количеству электронов в шлейфе, которые были отданы для нейтрализации ионов. Таким образом, потеря заряда в секунду шлейфом, которая равна разрядному току шлейфа, вычисляется по следующей формуле:
[0034] Разрядный ток компенсируется зарядным током, обеспечиваемым генератором, который установлен в спутнике 320, как показано на фиг. 3. Исходя из уравнений (11) и (12) можно записать выражение для мощности торможения, развиваемой шлейфом, следующим образом:
И сила торможения:
Конструкция должна быть такой, чтобы генератор постоянно заменял потерянный заряд в конденсаторе шлейфа, чтобы там было достаточно электронов для нейтрализации ионов. Мощность М получают из атмосферы. Для ее получения устройство должно потреблять собственную энергию для генерирования тока Г. Вначале генератор должен зарядить конденсатор шлейфа до определенной плотности заряда, а затем добавлять заряд по мере уменьшения плотности посредством тока ионов. Сила тока генератора вычисляется по следующей формуле:
Следует отметить, что устройство будет эффективным, если Г << М.
Кроме того, чтобы устройство работало, должно быть достаточное количество ионов в атмосфере. Предположим, что количество ионов достаточно, если соблюдается следующее равенство:
где Ke представляет количество электронов в шлейфе,
Ki - количество ионов в объеме, равном объему шлейфа,
коэффициент ζ >> 1.
[0035] Следует отметить, что из-за структуры шлейфа, когда внешние металлические пластины отрицательно заряжены, а внутренняя металлическая пластина положительно заряжена, положительные ионы из окружающей среды приближаются к шлейфу, а отрицательные - удаляются.
[0036] С помощью представленных выше уравнений могут быть вычислены параметры шлейфа и генератора, которые предназначены для обеспечения необходимой силы торможения и мощности. Сила торможения, равная 250 Н, для спутника, перемещающегося со скоростью 8000 м/с, может быть достигнута посредством шлейфа длиной 500 м и массой 6,3 кг, при этом генератор обеспечивает мощность 1 ватт при питающем токе 0,5 мА с напряжением 800 В. Аналогичная сила торможения может быть достигнута посредством шлейфа длиной 100 м и массой 1,26 кг, причем генератор обеспечивает мощность 2 ватта при питающем токе 2,5 мА с напряжением 800 В.
[0037] К летательному аппарату может быть прикреплено множество цилиндров, в каждом из которых хранится шлейф. Цилиндр содержит механизм раскрытия шлейфа, который активируется блоком управления. Блок управления активирует шлейфы согласно предварительно заданной программе и/или в соответствии с полетной информацией в режиме реального времени.
[0038] Следует отметить, что раскрытая система позволяет отрегулировать электродинамическую силу сопротивления за счет управления зарядным током конденсатора шлейфа.
[0039] Выше были описаны только несколько возможных вариантов осуществления настоящего изобретения. Конечно, невозможно описать каждую возможную комбинацию компонентов и/или способы, но специалисту в данной области техники будет очевидно, что возможны многие другие комбинации и модификации. Соответственно, настоящее изобретение предназначено для охвата всех таких альтернатив, модификаций и вариантов, которые находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения.