УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ В АТМОСФЕРУ
DEVICE FOR GENERATING ELECTRIC CHARGES IN THE ATMOSPHERE

Изобретение относится к области техники, предназначенной для электрического воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории (сельскохозяйственные угодья, аэродромы, скоростные автодороги, открытые площадки для проведения различных спортивных и зрелищных мероприятий и т.д.).
Целый ряд технических решений по формированию в атмосфере объемного электрического заряда основан на заряжании атмосферного воздуха системой коронирующих электродов, установленных на земной поверхности. Значительная часть технических решений, реализующих данный метод, предусматривает установку систем генерации электрического заряда на земле в расчете на то, что генерируемый заряд будет доставлен в верхние слои атмосферы восходящими воздушными потоками. Путем подвеса коронирующих электродов изолированно с зазором относительно заземленной поверхности, генерируется коронный разряд. Генерируемые коронным разрядом электрические заряды заряжают воздух окружающего пространства и восходящими потоками выносятся в верхние слои атмосферы.
Известны устройства генерации электрических зарядов в атмосферу, основанные на обдуве воздушным потоком коронирующих электродов, установленных у поверхности земли. Описание таких технических средств представлено в авторском свидетельстве СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованном в 1948 г.под названием «Способ вызывания дождя», а также в устройстве для разрушения тумана (см. опубликованную заявку ФРГ №4005304, МПК Ε01Η 13/00).
Известен способ генерации электрических зарядов в атмосферу путем подключения к источнику высокого напряжения коронирующих проводов, закрепленных через изоляторы на опорах у поверхности земли, (см. «Журнал геофизических исследований», Кембридж, Массачусетс, март 1962 г., т. 67, стр. 1073-1082). Сведения об этом способе отражены и в отечественной технической литературе (см. Л.Г. Качурин «Физические основы воздействия на атмосферные образования», Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293).
Известно устройство генерации в атмосферу электрического заряда, представленное в описании патента РФ №2124288 С1, кл. Е01Н 13/00, 19.12.1997 г, опубликованном 10.01.1999 г, бюл. №1. Устройство содержит подсоединенные к источнику высокого напряжения провода с малым радиусом кривизны поверхности, закрепленные на изоляторах опор параллельно электропроводной сетке, смонтированной в вертикальной плоскости, проходящей через оси симметрии смежных опор. Генерируемый коронирующими проводами коронный разряд создает ионный ветер, который направлен от коронирующих проводов к заземленной сетке. Ветровой поток (естественного ветра и образуемый ионным ветром), проходя через область коронного разряда, получает электрический заряд и ионным ветром, а также внешним ветровым потоком, направляется в атмосферу. Эффективность работы известного технического устройства определяется устойчивостью горения коронного разряда, которая может быть обеспечена в условиях высокой точности зазора разрядного промежутка по всей площади устройства, что является сложной технологической задачей и требует значительных финансовых затрат. Более совершенной конструкцией, обеспечивающей устойчивое горение разряда, является техническое решение, представленное в патенте №2516988 Ru. Данное устройство дополнительно снабжено установленными с зазором относительно коронирующих электродов на раме поверх заземленной электропроводной сетки электропроводными стержнями параллельно коронирующим электродам с шагом вдоль поверхности сетки кратным шагу коронирующих электродов.
Вынос электрически заряженных воздушных потоков в верхние слои атмосферы в описанных известных устройствах предусматривается за счет естественных, либо искусственно сформированных восходящих потоков. Вместе с тем, эффективность электрического воздействия на атмосферные процессы в значительной степени определяется точностью и своевременностью доставки электрических зарядов в определенную область атмосферы. В этой связи, устройства генерации электрических зарядов, установленные на поверхности земли, не всегда приемлемы вследствие своей стационарности и неопределенности естественных воздушных потоков.
Известны устройства генерации в атмосферу электрических зарядов, основанные на доставке в облака коронирующих проводов, которые соединены с источником высокого напряжения. См., например, авторское свидетельство СССР №71260, МПК A01G 15/00, опубликованное 31.07.1948 г., и патент США №3456880, МПК A01G 15/00, опубликованный 22.07.1969 г. Основным недостатком описываемого способа и известных устройств является сложность осуществления подъема коронирующих проводов на высоту расположения облака, что приведет к большим затратам ресурсов и не всегда осуществимо по погодным условиям.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является устройство генерации электрического заряда в атмосферу, представленное в статье авторов Harrison at all. Demonstration of a Remotely Piloted Atmospheric Measurement and Charge Release Platform for Geoengineering. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 38, 1, p.63-75 (DOI: 10.1175/JTECH-D-20-0092.1).
Известное устройство включает в себя приводимый в движение с помощью воздушного винта беспилотный летательный аппарат, на обоих крыльях которого электрически изолированно от корпуса установлены электрически соединенные с высоковольтным источником питания постоянного тока коронирующие электроды. Коронирующий электрод на одном из крыльев соединен с источником питания положительной полярности, на другом, соответственно, коронирующий электрод соединен с источником питания отрицательной полярности. Высоковольтные источники питания и поверхности крыльев «заземлены» на корпус беспилотного летательного аппарата. Для того, чтобы исключить электрическое заряжание корпуса, беспилотный летательный аппарат снабжен системой контроля токов коронного разряда и системой дистанционного регулирования напряжения питания каждого высоковольтного источника питания. Что позволяет обеспечить равенство токов положительной и отрицательной полярности.
Известное устройство генерирует в атмосферу одновременно электрические заряды положительного, и отрицательного знака, которые способствуют активизации процессов конденсации паров воды, и коагуляции капель, что в значительной мере позволяет активизировать процессы модификации погодных условий. Вместе с тем, одновременная генерация положительных и отрицательных зарядов не позволяет сформировать в атмосфере искусственные электрические поля, что ограничивает эффективность воздействия известного устройства на атмосферные процессы.
Ионы, образуемые в процессе генерации коронного разряда между коронирующими электродами и поверхностью крыльев, находятся под действием сил электрического поля, образуемого вследствие разности потенциалов между коронирующими электродами и заземленной поверхностью крыльев, а также сил аэродинамического на них воздействия от воздушного потока, обтекающего поверхность крыльев. В процессе своего движения ионы сталкиваются с молекулами воздуха и укрупняются, превращаясь в тяжелые ионы. Кроме того, генерация коронного разряда способствует процессу конверсии газов в частицы (так называемый процесс «new particle formation), в результате которого в области коронного разряда формируются электрически заряженные аэрозольные частицы, способные вследствие своего большого размера по сравнению с ионами более эффективно выносить электрический заряд из области генерации коронного разряда. Чем меньше размер электрически заряженных частиц в области действия электрического поля коронного разряда, тем выше скорость их движения к заземленной поверхности, тем меньше значение действующих на них сил аэродинамического воздействия, тем меньше вероятность их выноса в атмосферу. В атмосферу выносятся только лишь ионы или электрически заряженные частицы, которые за время своего движения по силовым линиям электрического поля не успевают достичь заземленной поверхности крыльев. Ионы же, или электрически заряженные частицы, которые за время своего движения по силовым линиям электрического поля успевают достичь поверхности крыльев, безвозвратно уходят в электрическую цепь коронного разряда и не участвуют в формировании электрического заряда в атмосфере. Количество образуемых аэрозольных частиц вследствие конверсии газ-частица в известном устройстве ограничено не всегда достаточной концентрацией конверсионных газовых составляющих, входящих в состав атмосферы в области проведения работ по модификации погодных условий, где осуществляет полет беспилотный летательный аппарат. Ограничена также и скорость полета беспилотного летательного аппарата, а, следовательно, и скорость ветрового потока, обеспечивающего вынос электрических зарядов из области коронного разряда. Ее скорость определяется лишь скоростью встречного потока ветра и практически равна скорости полета беспилотного летательного аппарата. Таким образом, в известном устройстве значительная часть генерируемых коронным разрядом электрических зарядов не выносится в атмосферу, а по силовым линиям электрического поля доходит до заземленной поверхности крыльев и безвозвратно уходит обратно в электрическую цепь, что снижает эффективность генерации электрических зарядов в атмосферу.
Необходимость исключения электрического заряжания корпуса в известном устройстве вынуждает снабжать беспилотный летательный аппарат системой контроля токов коронного разряда и системой дистанционного регулирования напряжения питания каждого высоковольтного источника питания. Это усложняет конструкцию и приводит к повышению затрат на ее изготовление.
Цель изобретения - повышение эффективности генерации электрического заряда, упрощение конструкции и снижение затрат на ее изготовление.
Для достижения заданной цели в известном устройстве генерации электрических зарядов в атмосферу, содержащем закрепленную на приводящемся в движение с помощью воздушного винта беспилотном летательном аппарате систему генерации коронного разряда с электрически соединенным с высоковольтным источником питания коронирующим электродом, установленным с зазором относительно соединенного с корпусом беспилотного летательного аппарата осадительного электрода, осадительный электрод установлен параллельно оси беспилотного летательного аппарата и выполнен в виде окружающей коронирующий электрод цилиндрической полости с открытыми торцевыми поверхностями, проекция поперечного сечения которой на плоскость, нормальную к оси беспилотного летательного аппарата, пересекает площадь вращения его воздушного винта;
электрическое соединение осадительного электрода с корпусом беспилотного летательного аппарата осуществляется через конденсатор;
снабжено системой впрыска в область генерации коронного разряда газов, способствующих повышению вероятности инициирования процессов конверсии газов в частицы.
Технический результат в предлагаемом техническом решении достигается за счет того, что выполнение осадительного электрода в виде окружающей коронирующий электрод цилиндрической полости позволяет формировать неоднородное электрическое поле по всей поверхности коронирующего электрода и повысить эффективность генерации ионов. Расположение цилиндрической полости осадительного электрода вдоль оси беспилотного летательного аппарата обеспечивает прохождение всего набегающего на него встречного воздушного потока через область генерации коронного разряда. Выполнение цилиндрической полости таким образом, что проекция ее поперечного сечения на плоскость, нормальную к оси беспилотного летательного аппарата (плоскость, установленную под прямым углом к оси), пересекает площадь вращения воздушного винта, обеспечивает проход через область генерации коронного разряда струи воздушного винта. Скорость движения струи значительно выше скорости движения беспилотного летательного аппарата. Повышается скорость воздушного потока, проходящего через область генерации коронного разряда. Чем выше скорость воздушного потока, проходящего через область коронного разряда, тем больший объем воздуха задействован в сборе образуемых в области коронного разряда электрически заряженных частиц, тем меньше времени электрические заряды будут находиться под действием сил электрического поля, осаждающего их на цилиндрическую полость осадительного электрода, и большая часть зарядов будет выноситься в атмосферу. Мощная воздушная струя, предназначенная для создания тяги беспилотного летательного аппарата в предлагаемом техническом решении, используется дополнительно и для выполнения поставленной перед изобретением задачи повышает эффективность выноса электрического заряда в атмосферу. При этом, никакого существенного влияния на тяговые свойства воздушного винта не оказывается.
Повышение объема выносимого в атмосферу электрического заряда обеспечивается также путем снабжения предлагаемого устройства системой впрыска в область генерации коронного разряда газов, способствующих повышению вероятности инициирования процессов конверсии газов в частицы. Добавление в область коронного разряда конверсионных газов обеспечивает повышение концентрации образуемых аэрозольных частиц (см. Патенты 2595015 Ru, 2647276 Ru, 2647278 Ru). Образуемые в результате конверсии газ-частица аэрозольные частицы, проходя в области коронного разряда, электрически заряжаются генерируемыми коронным разрядом ионами. Так как подвижность аэрозольных частиц очень мала по сравнению с подвижностью ионов, а площадь их поверхности велика, то повышение численной концентрации образуемых в результате конверсии газ-частицы аэрозольные частицы повышают вероятность сбора и выноса генерируемых электрических зарядов из области генерации коронного разряда в атмосферу.
Компенсация электрического заряда, выносимого с беспилотного летательного аппарата в атмосферу в предлагаемом техническом решении, осуществляется за счет накопления электрического заряда на обкладках конденсатора. Осадительный электрод соединен с корпусом через конденсатор. Конденсатор, обладающий большой электрической емкостью, аккумулирует электрический заряд на своих обкладках и компенсирует выносимый в атмосферу электрический заряд. Обеспечивается тем самым замыкание электрической цепи, генерирующей в атмосферу электрический заряд одного знака полярности без накопления электрического заряда на корпусе беспилотного летательного аппарата. Это позволяет формировать в атмосфере объемный электрический заряд одного знака полярности и расширить возможности искусственного воздействия на атмосферные процессы, используя искусственно формируемые электрические поля. При необходимости одновременного формирования в атмосфере электрических зарядов различного знака полярности, можно использовать несколько беспилотных летательных аппаратов, каждый из которых может формировать электрические заряды в атмосфере того знака, который сможет обеспечить более эффективное воздействие на атмосферу в сложившихся в атмосфере естественных погодных условиях.
На рис. 1 представлен общий вид устройства генерации электрического заряда. На рис. 2 представлена электрическая схема устройства генерации электрических зарядов.
Устройство генерации электрического заряда включает в себя осадительный электрод, выполненный в виде электропроводной открытой с обоих торцов трубчатой конструкции 1, электрически соединенной с заземлительным выходом высоковольтного источника питания 2 и заземлительным контуром 3, который электрически изолирован с помощью изоляторов 4 от корпуса беспилотного летательного аппарата 5. По оси трубчатой конструкции 1, электрически изолированно, на высоковольтных изоляторах 6 установлен коронирующий электрод 7, соединенный с высоковольтным выходом источника питания 2. Параметры электропроводной трубчатой конструкции 1, коронирующего электрода 7, высоковольтных изоляторов 6 и значение напряжения, подаваемого от высоковольтного источника питания 2, выбираются из условия обеспечения устойчивого коронного разряда без электрического пробоя в условиях 100% влажности окружающей среды.
Для компенсации электрического заряда, сбрасываемого в атмосферу устройством, заземлительный контур 3 электрически соединен с конденсатором 8, который другой клеммой соединен с корпусом беспилотного летательного аппарата 5. Для предотвращения электрического пробоя конденсатора 8, параллельно конденсатору 8 заземлительный контур 3 электрически соединен с корпусом беспилотного летательного аппарата 5 через предохранительное реле 9. Чем больше емкость конденсатора, тем больше заряда беспилотный летательный аппарат может сгенерировать в атмосферу без увеличения электрического потенциала на его корпусе. Конкретные технические параметры конденсатора определяются в процессе экспериментальных лабораторных исследований. Рекомендуемое значение емкости конденсатора - не менее 0,1 Ф. В качестве конденсатора большой емкости могут быть использованы ионисторы (https://ru.wikipedia.org/wiki/Ионистор). У открытого торца трубчатой конструкции 1, обращенного в сторону полета беспилотного летательного аппарата смонтирована система впрыска в область генерации коронного разряда газов, способствующих повышению вероятности инициирования процессов конверсии газов в частицы 10.
Для обеспечения того, чтобы воздушный поток от воздушного винта 11 формируемый для создания тяги беспилотного летательного аппарата 12 попадал в область генерации коронного разряда цилиндрическая полость осадительного электрода 1 смонтирована таким образом, что проекция ее поперечного сечения 13 на плоскость, нормальную к оси беспилотного летательного аппарата 12, пересекает площадь вращения воздушного винта 11.
Генерация электрического заряда в атмосферу предлагаемым устройством происходит следующим образом. Система генерации коронного разряда устанавливается на беспилотном летательном аппарате 12 параллельно направлению его полета таким образом, чтобы воздушный поток от воздушного винта 11, формируемый для создания тяги беспилотного летательного аппарата 12, попадал в область ее трубчатой конструкции 1. Во время пролета беспилотного летательного аппарата для генерации электрического заряда на коронирующий электрод 7 подается высокое напряжение и зажигается коронный разряд. Включается система впрыска в область генерации коронного разряда газов, способствующих повышению вероятности инициирования процессов конверсии газов в частицы 10. Впрыскиваться могут, например:
6
9
3
- молекулы серной кислоты или сернистого газа из расчета повышения концентрации молекул серной кислоты в проходящем воздушном потоке в диапазоне значений (от 10 до 10) 1/см (молекулы сернистого газа в области коронного разряда в результате химических реакций с содержащимися в воздухе составляющими превращаются в молекулы серной кислоты);
6
9
3
- пары аммиака в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в проходящем воздушном потоке в области коронного разряда в диапазоне значений (от 10 до 10) 1/см;
6
9
3
- пары аммиака и диметиламина в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в проходящем воздушном потоке в области коронного разряда в диапазоне значений (от 10 до 10) 1/см;
- пары скипидара, а также прочие малые газовые составляющие атмосферного воздуха, инициирующие процессы конверсии газ-частица в условиях коронного разряда.
Конкретный состав и концентрация газов, включаемых в систему впрыска в область генерации коронного разряда, определяется на стадии проектирования путем экспериментального моделирования процессов конверсии газ - частица в конкретных условиях коронного разряда, реализуемого в устанавливаемой на беспилотном летательном аппарате системе. Конструктивное выполнение системы, обеспечивающей впрыск конверсионных газов, может быть осуществлено по аналогии с известными конструктивными схемами, реализующими технологический процесс впрыска газов с помощью форсунки в заданную полость. См., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/Инжекторная система подачи топлива.
8
9
3
При генерации коронного разряда внутри трубчатой конструкции 1 формируется объемный электрический заряд из ионов, движущихся от коронирующего электрода 7 к внутренней поверхности трубчатой конструкции 1. Воздушный поток с содержащимися в нем аэрозольными частицами и капельками воды через передний открытый торец входит внутрь трубчатой конструкции 1 устройства генерации электрического заряда и движется вдоль ее оси. Впрыскиваемые системой впрыска 10 конверсионные газы в области генерации коронного разряда вовлекаются в плазменно-химические процессы конверсии газ-частица и в проходящем через трубчатую конструкцию воздухе образуют дополнительные аэрозольные частицы, так называемые «вторичные аэрозоли». См., например, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JD029356. Продвижение воздушного потока внутри трубчатой конструкции осуществляется не только за счет набегающего на беспилотный летательный аппарат воздушного потока со скоростью его полета, но и за счет заходящей внутрь ее струи от воздушного винта 11, обеспечивающей тягу беспилотного летательного аппарата. Так как торцевые поверхности полости трубчатой конструкции 1 открыты, проход струи внутри нее не окажет существенного влияния на тяговые свойства воздушного винта 11. Ионы, движущиеся от коронирующего электрода 7 к внутренней поверхности трубчатой конструкции 1, сталкиваются на своем пути с пролетающими вдоль оси конструкции (перпендикулярном направлении относительно направления движения ионов) содержащимися в воздухе модекулами воздуха, аэрозольными частицами, каплями воды, вторичными аэрозолями, образуемыми в результате конверсии газ-частица из содержащихся в воздушном потоке конверсионных газов и газов, которые впрыскиваются в область генерации короного разряда с помощью системы впрыска 10, и осаждаются на их поверхности. Так как в области генерации коронного разряда численная концентрация ионов достигает значений порядка (от 10 до 10) 1/см, то за короткое время ~0,01 сек, практически все аэрозольные частицы, капли воды и значительная часть молекул воздуха успевают получить практически максимально возможный электрический заряд (~90% от максимально возможного значения). Получившие электрический заряд молекулы воздуха превращаются в так называемые тяжелые ионы, которые по своим характеристикам значительно отличаются от легких ионов, которые не успели столкнуться с молекулами воздуха и осесть на их поверхности. Аэрозольные частицы и капли воды в области коронного разряда электрически заряжаются и превращаются в электрически заряженные частицы. Как известно, скорость движения электрически заряженных частиц и ионов под действием электрического поля существенно зависит от массы частиц. Чем больше масса, тем меньше скорость передвижения частиц и ионов. Коэффициентом пропорциональности между скоростью электрически заряженной частицы и значением действующего на нее электрического поля определяется подвижностью. Разница в подвижности между легкими и тяжелыми ионами составляет четыре порядка. И, если капли воды и аэрозольные частицы за время своего движения внутри трубчатой конструкции, которое составляет порядка ~0,01 сек, успевают получить электрический заряд, то путь перемещения капель и аэрозольных частиц по направлению действующего на них сил электрического поля (поперек относительно продвигающего ее воздушного потока) будет измеряться микронами. За время, в течение которого электрически заряженные капли воды, аэрозольные частицы и значительная часть тяжелых ионов движутся внутри трубчатой конструкции, действующие на них силы электрического поля не успевают отклонить их от линий тока воздушного потока до такой степени, чтобы они подошли к поверхности трубчатой конструкции, электрически соединенной с заземлительным выходом высоковольтного источника питания. Электрическая цепь не замыкается, потому, что значительная часть электрического заряда, который генерируется коронным разрядом, собирается проходящими в области генерируемого коронного разряда каплями воды, аэрозольными частицами, молекулами воздуха, и выносятся с собой через открытый задний торец трубчатой конструкции наружу, в окружающее пространство. Генерация электрических зарядов в атмосферу осуществляется путем отбора электрических зарядов высоковольтным источником питания от трубчатой конструкции 1 и передачи их в области генерации коронного разряда проходящему воздушному потоку. Чтобы исключить накопление электрического заряда по знаку, противоположного знаку генерируемого в атмосферу электрического заряда, корпус трубчатой конструкции 1 соединяется через заземлительный контур 3 с конденсатором 8. Конденсатор 8, обладающий достаточно большой электрической емкостью, аккумулирует электрический заряд, компенсирующий электрический заряд, выносимый каплями в атмосферу, и обеспечивает замыкание электрической цепи, образуемой высоковольтным источником питания. При превышении напряжения на обкладках конденсатора допустимой разности потенциала, переполнении накопленного в конденсаторе электрического заряда допустимого проектной емкостью конденсатора, срабатывает предохранительное реле 9, замыкающее обкладки конденсатора, и накопленный заряд нейтрализуется.
Предложенное техническое решение благодаря новым, ранее неизвестным признакам в сочетании с известными признаками, позволяет получить следующие положительные качества по сравнению с известным техническим решением:
- повышается эффективность генерации ионов в коронном разряде;
- повышается объем воздушного потока, проходящего в единицу времени в области генерации коронного разряда, что повышает вероятность сбора и выноса из разрядного промежутка генерируемых электрических зарядов, снижает вероятность беспрепятственного прохода генерируемых коронным разрядом зарядов к осадительному электроду и увеличивает интенсивность их выноса в атмосферу;
- уменьшается время нахождения электрически заряженных частиц под действием сил электрического поля коронного разряда, перемещающего электрические заряды к осадительному электроду, что снижает вероятность их осаждения на заземленной поверхности;
- повышается концентрация аэрозольных частиц в воздушном потоке, проходящем в области генерации коронного разряда и увеличивается вероятность выноса электрического заряда в атмосферу;
- обеспечивается формирование в атмосфере искусственных электрических полей;
- упрощается конструкция устройства генерации электрического заряда в атмосферу и снижаются затраты на ее изготовление.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет повысить эффективность генерации электрического заряда, упростить конструкцию устройства, снизить затраты на ее изготовление и достичь цели предполагаемого изобретения.