ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ

Полезная модель относится к области воздухоплавания и может быть использована при создании перспективных привязных аэростатов, предназначенных, в частности, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту и ведения наблюдения за земной поверхностью.
Известен привязной аэростат, содержащий корпус, образованный эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха (Заманов М.Б. Основы расчета и конструирования аэростатов. М.: Русское воздухоплавательное общество, 2000).
Известен привязной аэростат (прототип), содержащий, как и заявленный, корпус, образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха (RU 2214346 С2, 20.10.2003). В известном аэростате корпус выполнен шарообразной формы. Такой аэростат имеет плохие аэродинамические характеристики, а именно большой коэффициент лобового сопротивления и, следовательно, при наличии ветра большой угол сноса относительно вертикали. Причем характерным является практически прямая зависимость угла сноса от скорости ветра (чем больше скорость ветра, тем больше угол сноса). Для уменьшения угла сноса необходимо увеличивать вертикальную составляющую в схеме распределения сил, действующих на аэростат. Для аэростатов шарообразной формы, увеличить вертикальную составляющую сил можно только за счет увеличения геометрических размеров корпуса. Но при этом возрастает сила лобового сопротивления, что снижает эффект от увеличения вертикальной составляющей. Кроме того, большие геометрические размеры корпуса усложняют конструкцию удерживающей
(привязной) системы и эксплуатацию аэростата в целом, а также уменьшают его надежность и устойчивость особенно при достижении скорости ветра, близкой к штормовым и ураганным значениям (20-60 м/с).
Задача полезной модели заключалась в разработке конструкции привязного аэростата, которая обеспечивает улучшение аэродинамических и эксплуатационных характеристик, включая повышение устойчивости и надежности, путем уменьшения зависимости угла сноса от скорости ветра без увеличения объема аэростата.
Указанный технический результат достигается тем, что привязной аэростат, содержащий корпус, образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, согласно полезной модели, снабжен по меньшей мере одним вертикальным хвостовым оперением. Корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла. Причем крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку.
Кроме того, крыло может иметь двояковыпуклый симметричный профиль с положительной кривизной или двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, или плосковыпуклый профиль, или S-образный профиль. Целесообразно, чтобы S-образный профиль был выполнен с относительной толщиной 20%.
Рекомендуется, чтобы величина угла атаки крыла находилась в пределах от 1 до 10 градусов.
Предусмотрено, что крыло в плане может иметь прямоугольную форму или стреловидную форму, или трапециевидную форму, или треугольную форму, или овальную форму.
Предусмотрено также, что аэростат может быть снабжен по меньшей мере двумя хвостовыми оперениями, разнесенными относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закрепленными на задней кромке крыла.
На фиг.1 приведен схематичный чертеж привязного аэростата и показана система сил, действующих на аэростат.
На фиг.2 показана зависимость коэффициента лобового сопротивления и подъемной силы от угла атаки для аэростата с корпусом в форме крыла.
На фиг.3 показана зависимость угла сноса от скорости ветра для аэростатов одинакового объема с корпусом в форме шара и с корпусом в форме крыла.
Привязной аэростат содержит корпус (1), образованный эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, по меньшей мере одним хвостовым оперением (2) и удерживающим устройством (3). Удерживающее устройство, состоит в основном из лебедки и привязного троса (фала), закрепленного одним концом на барабане лебедки, а другим на корпусе аэростата. Корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла. Крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку. Крыло может иметь двояковыпуклый симметричный профиль с положительной кривизной или двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, или плосковыпуклый профиль, или S-образный профиль. Для увеличения подъемной силы целесообразно, чтобы в качестве S-образного профиля был использован профиль серии TF 66-S-196 с относительной толщиной 20% (Атлас профилей. ЦАГИ, 1968). С этой же целью рекомендуется,
чтобы величина угла атаки крыла находилась в пределах от 1 до 10 градусов. Крыло в плане может иметь прямоугольную форму или стреловидную форму, или трапециевидную форму, или треугольную форму, или овальную форму.
Предусмотрено, что, для улучшения ориентации по ветру и повышения устойчивости, аэростат может быть снабжен двумя хвостовыми оперениями, которые разнесены относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закреплены на его задней кромке.
На аэростат действуют следующие силы:
G - масса груза (с учетом массы оболочки и привязного фала);
Y - всплывающая сила аэростата, которая прямо пропорциональна его объему;
кр
Y - подъемная сила крыла, которая рассчитывается по следующей формуле:
где  - производная от коэффициента подъемной силы профиля крыла;
α - угол атаки крыла;
н
ρ - атмосферное давление на высоте Н;
V - скорость ветра;
кр
S - площадь крыла.
кр
Как видно из этой формулы, возникающая подъемная сила прямо пропорциональна производной коэффициента подъемной силы профиля крыла , в определенных пределах углу атаки а, квадрату скорости ветра и его площади S.
кр
Х - сила лобового сопротивления крыла, которая рассчитывается по следующей формуле:
где  - коэффициент лобового сопротивления профиля крыла;
н
ρ - атмосферное давление на высоте Н;
V - скорость ветра;
кр
S - площадь крыла.
кр
кр
хкр
Как видно из этой формулы величина лобового сопротивления Х зависит от тех же переменных, что и подъемная сила Y, но учитывая то, что профиль крыла является удобообтекаемым телом и коэффициент его лобового сопротивления С крайне мал (см. фиг.2), то и величина лобового сопротивления пренебрежимо мала по сравнению с величиной подъемной силы при прочих равных условиях. Привязной аэростат работает следующим образом.
Аэростат предложенной конструкции всплывает в воздушной среде за счет аэростатической всплывающей силы, обусловленной наполнением внутренней полости корпуса (газонепроницаемой оболочки) газом легче воздуха, а также за счет подъемной силы корпуса (1), выполненного в форме крыла с аэродинамическим высоконесущим профилем. Упомянутые силы расходуются на подъем массы аэростата и полезной нагрузки. Аэростат поднимается на заданную высоту и фиксируется удерживающим (привязным) устройством (3). При наличии ветра аэростат ориентируется по ветру за счет вертикального хвостового оперения (2), а корпус крыльевого профиля создает дополнительную подъемную силу, которая и позволяет уменьшить угол сноса, причем, чем больше скорость ветра, тем меньше угол сноса.
кр
Как показывают полученные заявителем результаты математического моделирования, которые подтверждены экспериментально, угол сноса аэростата предлагаемой формы θ при малых скоростях ветра V (до 5 м/с) соизмерим, хотя и меньше, чем угол сноса аэростата обычной формы такого же объема, и существенно меньше при больших скоростях ветра (20-30 м/с), причем, чем больше скорость ветра, тем меньше угол сноса (см. фиг.3). Установка крыла с небольшим углом атаки (до +10 градусов) относительно набегающего потока еще больше усиливает полученный эффект уменьшения угла сноса.
Таким образом, улучшение аэродинамических и эксплуатационных характеристик привязного аэростата обусловлено его конструктивными особенностями, в частности, выполнением корпуса в форме надувного крыла с аэродинамическим высоконесущим профилем, а также установкой крыла под углом атаки к набегающему потоку.