ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ
TETHERED AEROSTAT

Изобретение относится к области радиосвязи с использованием летно-подъемных средств для расширения зоны приема радиотехнических средств связи, вещания, контроля и управления.
Известно устройство для обеспечения навигации привязных аэростатов, описанное в патенте (RU 2182544 С2, 20.05.2002). Известное устройство содержит узел привязи троса, содержащий молниеотвод, заземленный в нижней части, электросистему, расположенную на контейнере, подвешенному к нижней части аэростата.
Недостаток известного аэростата заключается в том, что большая часть электроэнергии поступает к нему от наземного устройства, что лишает аэростат автономности.
Более близким к настоящему изобретению, и, принятым за прототип, является устройство привязного воздушного аэростата, описанное в патенте (RU 21159199 С2, 20.11.2000), содержащее оболочку, заполненную легким газом и выполненную в форме двояковыпуклой линзы, снабженное контейнером и аппаратурой, тросовой разводкой и ветроэнергетической установкой, имеющей ветропривод и электрический генератор, питающий аппаратуру.
Недостаток прототипа также как и аналога заключается в том, что большая часть электроэнергии поступает от наземного устройства, что лишает аэростат автономности. Кроме того, при наличии ветровой нагрузки на аэростат, последний, в известном устройстве, изменяет свою высоту, что сказывается на качестве получаемой от него информации.
Задачей данного изобретения является обеспечение большей продолжительности полета и повышение его энергонасыщенности. Авторы ставят задачу обеспечения 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.
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 преобразователь энергии ветра в электрическую энергию для питания аппаратуры в контейнере. Он снабжен гибкой солнечной панелью, которая покрывает верхнюю поверхность упомянутой оболочки, при этом упомянутая оболочка выполнена из твердой пластмассы с формпридающим каркасом из продольных и поперечных обручей, упомянутый преобразователь включает несколько электрических генераторов с колебательным движением якоря, при этом каждый упомянутый генератор имеет статор и якорь, выполненный с возможностью совершать возвратно-поступательные движения относительно обмоток статора так, чтобы вызвать появление электрического напряжения, и прикреплен снаружи с помощью шарнира к одному из продольных обручей каркаса.
Преобразователи энергии ветра в электрическую энергию имеют ветропривод и электрические генераторы, питающие аппаратуру.
Аэростат может быть снабжен баллоном с нагнетателем воздуха, с устройством стравливания воздуха и электроподогревателем воздуха, при этом упомянутый баллон примыкает снизу к упомянутой оболочке с возможностью поддерживать высоту аэростата.
Упомянутая оболочка может быть выполнена из полиамида.
Изобретение иллюстрируется 11-ю фигурами.
На фиг. 1 изображен привязной аэростат с оболочкой и формопридающим каркасом.
На фиг. 2 имеется вид баллон с компрессором.
На фиг. 3 представлена вторая проекция емкости с компрессором.
На фиг. 4 представлен привязной аэростат в сборе, с наземной лебедкой.
Фиг. 5 демонстрирует электрический генератор с колебательным движением якоря.
Фиг. 6 дает представление о вентиляторе.
На фиг. 7 нарисована принципиальная схема управления.
На фиг. 8 представлена схема включения катушек реверсивных контакоров.
На фиг. 9 и 10 даны микропроцессорные схемы управления аэростатом по углу поворота.
Устройства, управляющие аэростатом выполнены следующим образом. Привязной аэростат содержит оболочку 1 изготовленную из легкого морозостойкого материала, например, полиамида (фиг. 1) имеющую вид двояковыпуклой линзы, заполненную легким газом. Верхняя поверхность оболочки аэростата покрыта гибкой солнечной панелью (на фиг. не показана).
Внутренняя полость оболочки снабжена формообразующим каркасом, состоящим из гибких продольных 2 и поперечных обручей 3, связанных между собой. Меридиальный поперечный обруч 4 выполнен достаточно жестким, чтобы не допустить его изгиба.
Следующим элементом системы является баллон с компрессором (фиг. 2), состоящим из электродвигателя 5 с лопатками 6, входного рукава 7, и выходного рукава 8. Входной рукав 7 имеет выход в наружную атмосферу, а входной рукав 8 подает сжатый воздух внутрь замкнутого баллона 9. Внутри баллона 9 располагается электрический подогреватель 10 и датчик температуры (на фиг. не показан). Подогреватель 10 фиксируется по центральной оси баллона 9 так, чтобы он не касался его стенок (фиг. 3). Для это подогреватель удерживается термостойкими креплениями 11, с другой стороны упирающимися в стенки баллона держателями 12 с ножками 13.
Замкнутый баллон 9 плотно примыкают снизу к оболочке 1 (фиг. 4). Ниже баллона 9 устанавливают контейнер 14 Контейнер в свою очередь снабжают тросовой развязкой 15. Нижний конец тросовой развязки сочленяют тросом 16 с лебедкой 17 (фиг. 4). В трос вставляют электропроводящую жилу, связывающую контейнер 13 с источником питания (на фиг. не показан), расположенным на земле и выполняющим функции громоотвода.
Корпус аэростата снабжен несколькими ветроэлектрогенераторами (фиг. 5).
Преобразователь энергии ветра в электрическую энергию содержит трубчатый корпус 18, выполненный из легкой пластмассы, крышка которого снаружи в верхней своей части крепиться шарнирно к меридиальному поперечному обручу 4 с помощью шарнира 19 с образованием непроницаемого для газа соединения. Внутренняя часть крышки имеет пружину 20, расположенную по оси трубчатого корпуса 18. Снизу к пружине присоединен якорь 21 электрического генератора с валами, которые проходят через подшипники скольжения 22 и 23. Подшипники сочленены с внутренней поверхностью трубчатого корпуса. Якорь 21 расположен внутри наружного статора 24, закрепленного в трубчатом корпусе 18. Нижний конец вала якоря 21 связан с помощью крепежного кольца 25 с емкостью 26. Емкость 26 выполнена несколько тяжелее воздуха и имеет аэродинамический профиль, состоящий из верхней сферической и плоской нижней поверхностей. Емкость 26 изнутри заполнена легкой пластмассой. Нижняя поверхность емкости 26 снабжена козырьком 27, выходящим за границы периметра верхней поверхности емкости 26, что придает емкости ассиметричную форму. Козырек 27 выполнен из легкого пластмассового материала и имеет небольшую толщину, причем его плоскость является продолжением нижней поверхности емкости 26. Кроме того, нижняя часть емкости имеет киль 28, стабилизирующий положение емкости по отношению к ветру. Киль выполнен из легкого материала, имеет небольшую толщину и проходит от центра нижней поверхности емкости 26 до ее периферии по оси симметрии. Общее число таких ветрогенераторов может достигать десяти - двенадцати и более штук.
Для компенсации вращательных движений, которые могут возникать при воздействии ветра на оболочку, использован вентилятор с электродвигателем 29 (фиг. 6), плоскости лопастей 30 которого параллельны центральной оси аэростата, и содержащего элементы крепления 31 к полу контейнера 14.
Принципиальная электрическая схема на фиг. 7 содержит силовые обмотки статоров 24а электрических генераторов, включенных в общую схему электропитания с помощью диодных двухполупериодных мостов (на схеме не обозначены).
На выходе схемы питания по параллельной схеме включены: якорь двигателя 29а вентилятора 29 и его обмотка возбуждения 32, нагреватель воздуха 10, солнечные батареи 33. В свою очередь, в цепи питания якоря 29а вентилятора имеется силовой контакт 34, в цепи нагреывателя воздуха имеется силовой контакт 35, а в цепи солнечных батарей имеется обратный диод 36. Последовательно с нагревателем 10 включено тепловое реле ТЗ. В то же время в цепи обмотки возбуждения 32 двигателя вентилятора 29а имеются силовые нормально разомкнутые реверсивные контакты 37 и 38. По параллельной схеме включен через силовой контакт 39 стравливающий клапан 39, а через контакт 40 включен двигатель 5 компрессора. Последовательно с нагревателем 10 установлен силовой контакт 41, а последовательно со стравливателем воздуха 39 установлен контакт 42
На схеме (фиг. 8) показано включение катушек управления одноименных контактов 37 и 38, в цепи которых включены блокконтакты 38' и 37', предупреждающие одновременное включение контакторов 37 и 38. Контакторы могут быть выполнены на основе транзисторов.
В системе управления предусмотрен микропроцессор 43 (фиг. 10), на вход которого поступают сигналы от датчика угла поворота 44 и опорный сигнал 45. Сигнал рассогласования поступает на микропроцессор, 43 который дает команду, в зависимости от результирующего знака сигнала, на включение соответствующей катушки контактора 37 или 38. Это приводит к включению якоря двигателя 29а вентилятора 29 и изменению направления тока в его обмотке возбуждения 32 и заставляет его вращаться в левую или в правую сторону до тех пор, пока сигнал рассогласования не станет равным нулю.
В случае, если датчик угла 4 смещается вправо, то он сравнивается с опорным сигналом 4 и при рассогласовании микропроцессор 41 дает команду на включение соответствующей катушки контакторов 36 или 37, что приводит к изменению направления тока в обмотке возбуждения и изменению направления вращения двигателя вентилятора 30 в другую сторону.
В варианте технического решения на вход микропроцессора 43 (фиг. 10) поступают сигналы рассогласования между требуемой высотой аэростата, определяемой датчиком 44 и датчиком 45 его истинного положения. При этом в микропроцессоре 41 заложена программа иерархического включения элементов схемы, включающей сначала двигатель 29а компрессора, или клапан 38, стравливающего воздух, затем катушку контактора 34 нагревателя воздуха внутри аэростата. При превышении температуры воздуха внутри оболочки 8 выше 150° срабатывает датчик температуры и нагреватель 9 выключается.
Привязной аэростат действует следующим образом. Оболочка 1 в виде двояковыпуклой линзы (фиг. 1, 2, 3), заполненная легким газом и снабженная к баллоном 11 с компрессором 8, контейнером с аппаратурой, тросовой разводкой, солнечной батареей и энергетическими установками, имеющими ветропривод и электрический генератор (фиг. 6), питающий аппаратуру, поднимается вверх, тяня за собой трос 11. С помощью лебедки 12 летательный аппарат поднимают на определенную высоту и стопорят лебедку. Предположительная высота подъема может достигать 20 км. На такой высоте солнце не закрывается облаками и гибкие солнечные батареи в дневное время с избытком обеспечивают энергией все потребности аэростатного оборудования. Помимо солнечных батарей свой вклад в энергоснабжение вносят и преобразователи энергии ветра (фиг. 6) в электрическую энергию, которые действует следующим образом. Ветер, как правило, постоянно дующий на высоте, воздействует на емкость 25. 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 17. Таким образом, на якорь 20 генератора действуют две силы, одна из которых стремится поднять его вверх, а вторая опустить вниз. Емкость 25 будет совершать колебательные движения вверх - вниз. Эти движения передаются на пружину 19 и приводят к ее попеременному сжатию и растяжению. Колебательные движения пружины заставляют якорь 20 также совершать возвратно-поступательные движения, которые вызывают появление электрического напряжения на обмотках статора 23 а, которое и используется для получения электрической энергии. При наличии козырька 26 (фиг. 6) во время движения под влиянием ветра корпуса вверх, на козырек будет действовать односторонняя сила воздушного сопротивления, направленная вертикально. Емкость 25 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 19, даже при постоянном воздушном потоке. Применении киля 27 способствует стабилизации корпуса ветрогенератора относительно ветра.
Под влиянием различных факторов (воздействие ветра, изменения 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 корпусе 8 (фиг. 2, 3) за счет работы компрессора 7. При его включении вес корпуса 8 повышается. В то же время при стравливании воздуха его вес снижается. При включении электроподогревателя, расположенного внутри корпуса 8 вес корпуса снижается. Поскольку корпус 8 плотно примыкает к оболочке аэростата, то частично нагревается и внутренность оболочки. Воздействуя, таким образом на корпус 8 можно компенсировать воздействие внешних факторов на аэростат, компенсируя изменения высоты, т.е. поддерживать ее на одном уровне.
Воздействие перечисленных внешних факторов может вызвать вращательное движение аэростата. Этот поворот компенсируют с помощью двигателя вентилятора 14. Если вентилятор вращается в одну сторону, то за счет реакции его опоры на аэростат будет действовать сила, стремящаяся повернуть его в противоположную сторону. В системе управления предусмотрен датчик 44 угла отклонения положения аэростата от заданного значения, определяемого опорным сигналом 45. Вентилятор будет вращаться до тех пор, пока сигналь рассогласования на станет равным 0.
Таким образом, за счет используемых мер удается повысить продолжительность полета аэростата и обеспечить его энергонасыщенность. При этом предполагаемая продолжительность непрерывного полета может доходить до 5 лет при высоте полета до 20 км.