ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ
KYTOON

Изобретение относится к области радиосвязи с использованием летно-подъемных средств для расширения зоны приема радиотехнических средств связи, вещания, контроля, управления и разведки.
Известен метод расширения зоны приема радиотехнических средств за счет подъема антенн на большую высоту. Известны технические средства подъема антенн на большую высоту:
- космические аппараты и спутники;
- самолеты, вертолеты, дирижабли, свободные и привязные аэростаты;
- радио-телебашни и антенно-мачтовые устройства.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению являются привязные аэростаты.
Известны привязные аэростатные комплексы, содержащие: аэростат, кабель-трос, комплекс наземного обслуживания и полезный груз.
Аэростат состоит из оболочки аэродинамической формы с автоматическим поддерживанием давления во всех наполненных гелием и воздухом полостях, такелажа, пилотажно-навигационного оборудования, блока аварийного энергоснабжения и молниезащиты.
Кабель-трос удерживает аэростат, обеспечивая энергоснабжение бортовых систем и полезного груза, а также отвод молний и статического электричества.
Комплекс наземного обслуживания включает в себя аэростатное удерживающее устройство, оснащенное лебедкой, средства газораспределения, систему энергоснабжения, наземный пункт управления.
Полезный груз, представляющий собой телекоммуникационное или радиолокационное оборудование, размещается под оболочкой аэростата в защитном мягком герметичном обтекателе аэродинамической формы.
Существенными характеристиками привязных аэростатов являются рабочая высота и время непрерывного полета. Известные привязные аэростаты («Пума», 420К, «Ягуар», ПА-1850, ПА-12000 и другие) объемом до 12000 кубических метров с рабочей высотой до 5000 метров и временем непрерывного полета до 30 суток имеют значительно более низкие показатели по сравнению с существующей потребностью. Известно о разработках высотных дирижаблей («Беркут», «Strat Sat» и другие), представляющих собой аэростатные платформы-носители телекоммуникационного оборудования, с рабочей высотой 20000 метров и временем непрерывного полета от 6 месяцев до 5 лет. Слабым звеном, ограничивающим рабочую высоту привязного аэростата, является трос. При рабочей высоте 20 километров необходимая длина троса 25-30 километров. При этом аэростат должен обеспечивать избыточную подъемную силу, превышающую силу ветрового напора на аэростат. Максимальная экспериментальная высота подъема привязного аэростата без полезной нагрузки составляет до 17 километров, выше трос обрывается под действием собственного веса и избыточной подъемной силы аэростата. На высоте 20-25 километров скорость ветра значительно меньше, чем в более низких или более высоких слоях атмосферы. Однако удельная прочность стали не достаточна для троса такой длины (например, аэростатный трос диаметром 6,5 миллиметров с разрывным усилием 39240 Ньютонов и весом 0,15 килограмм на метр). Максимальная расчетная рабочая высота привязного аэростата (проект не был реализован) 9 километров, при объеме аэростата 220000 кубических метров.
Низкая продолжительность непрерывного полета известных привязных аэростатов обусловлена газопроницаемостью оболочки и потерей несущего газа. Так, для привязного аэростата АЗ-55 объемом 740 кубических метров газопроницаемость новой оболочки (двухслойная прорезиненная материя) за 24 часа при нормальной температуре составляет до 8 литров на квадратный метр.
Целью предлагаемого изобретения является увеличение продолжительности непрерывного полета существующих привязных аэростатов до 6 месяцев и более и увеличение рабочей высоты для вновь разрабатываемых привязных аэростатов до 20 километров при продолжительности непрерывного полета до 5 лет.
Для этого удерживающий трос аэростата выполняется в виде троса-шланга с одной или несколькими газовыми полостями. По газовым полостям на борт аэростата подается несущий газ для пополнения оболочки аэростата и газ энергоноситель для электрогенератора, питающего бортовое оборудование и полезный груз, и двигателей, противодействующих ветровому напору на аэростат и удерживающих его в заданной рабочей точке.
Оболочка шланга рассчитывается исходя из необходимой прочности троса, а газовые полости - исходя из объема потребляемого газа.
Конструкция троса-шланга может быть:
- аналогичной одной из стандартных конструкций стального троса при замене сердечника троса на одну или несколько гофрированных или гладких газовых трубок, а проволок на газовые трубки меньшего диаметра;
- или в виде гофрированной или гладкой газовой трубки, разделенной внутренними перегородками на несколько газовых полостей. Трос-шланг может быть изготовлен из материала, превышающего по удельной прочности высококачественную сталь. Переходные муфты для присоединения концов троса-шланга к аэростату и наземным газораспределительным средствам и удерживающему устройству могут быть выполнены общепринятым или стандартным способом для механического (силового) и газового (герметичного) соединения.
Конструкция привязного аэростата с электрогенератором для электропитания бортового оборудования и полезной нагрузки и двигателем для противодействия ветровому напору на аэростат и удержания его в заданной рабочей точке может быть общепринятой или стандартной. Или с учетом некоторых особенностей, например:
- электрогенератор и двигатель могут быть работающими на природном газе;
- газовые полости троса-шланга могут соединяться с газовыми полостями аэростата непосредственно или через газораспределительные устройства аэростата;
- отдельные полости аэростата, обычно заполнявшиеся воздухом, могут заполняться природным газом для создания необходимого запаса энергоносителя;
- газовый двигатель может быть реактивным с автоматическим регулированием тяги в зависимости от силы ветра, а газовый электрогенератор может быть интегрирован с двигателем для снижения общего веса и расхода энергоносителя.
Привязной аэростат с тросом-шлангом работает следующим образом.
Для пополнения аэростата несущим газом могут использоваться одна или две газовых полости троса-шланга. При использовании одной полости несущий газ от наземных газораспределительных устройств подается в трос-шланг под давлением в соответствии с режимом транспорта необходимого объема газа.
Использование второй газовой полости троса-шланга расширяет возможности.
Режим циркуляции несущего газа между наземными газораспределительными устройствами через аэростат туда и обратно позволяет менять состав несущего газа на разных этапах полета аэростата (например, тяжелый/легкий или дорогой/дешевый). Наземные газораспределительные устройства могут разделять и очищать компоненты несущего газа для повторного использования. Для подачи на аэростат газа энергоносителя может использоваться только одна газовая полость троса-шланга аналогичным образом, как для несущего газа.
Использование двигателя для противодействия ветровому напору на аэростат и удержания его в заданной рабочей точке позволяет существенно уменьшить силовую нагрузку на трос-шланг со стороны аэростата. Материал с высокой удельной прочностью, а также подъемная сила, частично компенсирующая вес троса-шланга, наполненного более легкими, чем воздух, газами, позволяют увеличить длину троса-шланга без обрыва его под действием собственного веса.