ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО НА ВЫСОКОЙ ВОЗДУШНОЙ ПОДУШКЕ

Полезная модель относится к наземным транспортным средствам, которые могут преодолевать высокие препятствия, и может быть использована преимущественно в условиях плохих дорог и бездорожья, в частности в качестве средства передвижения для сборщиков дикоросов, рыбаков, охотников, геологов, энергетиков, обслуживающих линии высоковольтных электропередач, и т.д.
Из уровня техники известно много конструкций транспортных средств на воздушной подушке, в том числе транспортных средств высокой проходимости для эксплуатации в труднодоступных местах.
Известно маломерное амфибийное транспортное средство по патенту РФ на изобретение №2344951, МПК B60V 1/16, опубл. 2009.01.27. Оно имеет днище, по контуру которого закреплена эластичная «юбка». «Юбка» образована куполообразными сегментами из прочной водостойкой и воздухонепроницаемой ткани. У сегментов на кормовом участке транспортного средства выполнены отверстия в нижней части купола. Наполненные воздухом сегменты приподнимают транспортное средство над поверхностью. Одновременно струя воздуха направляется сегментами в подкорпусное пространство, где образуется повышенное давление воздушной подушки, создающей дополнительную подъемную силу. Устройство имеет простую конструкцию и обладает эластичностью для движения по неровной поверхности. Однако сегменты подлежат износу и, как следствие, вынужденной замене изношенных сегментов в процессе эксплуатации. Кроме того, высота подъема такого транспортного средства невысока, она ограничивается высотой сегментов.
Известно транспортное средство на воздушной подушке, которое имеет высокую проходимость и увеличенную высоту подъема (патент РФ на изобретение №2280574, МПК B60V 1/04, опубл. 2006.07.27). Транспортное средство имеет платформу в виде ресивера воздушных масс, накачиваемых машинной установкой с вентилятором. При вращении вентилятора воздух попадает в ресивер сверху. По периметру ресивера выполнена профилированная щель. По всей длине щели размещен носок крыла авиационного профиля, образующего вокруг ресивера замкнутое в плане крыло с управляемыми закрылками. К закрылкам прикреплено периферийное гибкое ограждение, оконтуривающее область воздушной подушки. Между краями профилированной щели и носком крыла имеются верхний и нижний зазоры. Воздушный поток, обтекающий аэродинамический профиль крыла с закрылком, создает подъемную силу и поставляет массы воздуха в область воздушной подушки. Такое использование энергии нагнетаемого воздуха улучшает характеристики вездеходности транспортного средства: высоту подъема и проходимость. Транспортное средство имеет также ограждение крыла с закрылком от набегающего потока воздуха при движении транспортного средства. К недостаткам следует отнести сложность изготовления известного устройства: выполнение в ресивере профилированной щели, выполнение аэродинамического профиля крыла, обеспечивающего достаточную подъемную силу, его установка в профилированной щели с необходимыми зазорами. Кроме этого, хотя высота воздушной подушки на периферии транспортного средства сравнительно большая, в центре высота подъема дна недостаточно высокая.
За прототип заявляемой полезной модели принят транспорт высокой проходимости (аэроджип) по патенту РФ на полезную модель №63759, МПК B60V 1/00, B60V 3/00, опубл. 2007.06.10. Аэроджип содержит корпус, который является основным несущим элементом конструкции. Корпус состоит из палубы с кокпитом и днища. В кокпите размещены сиденья для водителя и пассажиров и элементы управления. За сиденьями установлен двигатель под защитным кожухом. В задней части корпуса вертикально установлен лопастной агрегат - воздушный пропеллер в аэродинамическом корпусе. Воздушный пропеллер соединен с двигателем посредством ременной трансмиссии и обеспечивает тягу для поступательного движения и создания давления воздушной подушки в подкорпусном пространстве. Пространство воздушной подушки образовано днищем корпуса и эластичными сегментами, закрепленными по контуру днища. Создание давления воздушной подушки обеспечивается отводом части воздушной струи от пропеллера через заборное отверстие в воздуховод. Воздуховодом служит внутрикорпусное пространство и сегменты. Давление воздушной подушки приподнимает аэроджип и снижает до минимума контактное трение с опорной поверхностью. Направление движения обеспечивается с помощью воздушных рулей поворота, направляющих поток воздуха пропеллера вбок. Аэроджип имеет малые габариты и простую конструкцию, высокую маневренность, что позволяет его эксплуатировать для рыбалки, охоты, туризма, разведки и т.п. Однако, эластичные сегменты подвержены износу в процессе эксплуатации за счет трения по поверхности движения, что снижает срок службы устройства по прототипу. Для работы двигателя необходимо топливо. Недостатком прототипа является также то, что при работе аэроджипа происходит образование грунтовой или водяной пыли. К тому же высота подъема аэроджипа сравнительно невысока.
Задача полезной модели направлена на создание транспортного средства с бестопливным двигателем, с повышенным сроком службы и расширенными функциональными возможностями, одновременно с этим на увеличение высоты подъема транспортного средства и исключение образования грунтовой или водяной пыли при работе устройства.
Технический результат при реализации заявляемой полезной модели заключается в создании искусственного вакуума внутри двигателя и сверхзвуковой воздушной струи, которые за счет создаваемой разности давлений обеспечивают засасывание атмосферного воздуха снизу двигателя и за счет создания пониженного давления сверху транспортного средства повышают подъемную силу устройства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, достигается следующим образом.
Как и прототип, заявляемая полезная модель содержит основной несущий элемент, места для размещения пассажиров и водителя, элементы управления и поворота, двигатель и лопастной агрегат.
В отличие от прототипа полезная модель снабжена кабиной управления для размещения мест пассажиров и водителя и элементов управления. Двигатель выполнен вакуумно-вихревым. Он установлен в центре кабины управления и выполнен в виде изолированного снаружи полого металлического цилиндра, высота которого больше высоты кабины, а внутри с зазором с помощью диэлектрических шайб, выполненных со сквозными отверстиями, неподвижно установлены два сопла Лаваля, направленные друг к другу расширяющимися выходными отверстиями и жестко состыкованные через короткий цилиндрический патрубок. Критическое сечение верхнего, выходного, сопла Лаваля больше критического сечения нижнего, входного, сопла Лаваля. Вход и выход двигателя снабжены быстродействующими мембранными клапанами. Каждый из них может быть выполнен из двух цилиндрических патрубков, внешнего - металлического, изолированного от корпуса двигателя, и внутреннего - резинового. Патрубки вставлены друг в друга плотно и одновременно с возможностью заполнения межстенного пространства сжатым воздухом. В центре мембранного клапана имеется герметизирующий стержень. Лопастной агрегат заявляемого транспортного средства установлен горизонтально внутри двигателя перед критическим сечением входного сопла Лаваля и выполнен в виде турбовентилятора, включающего вентилятор, совмещенный с воздушной турбиной. Лопасти вентилятора имеют по всей длине сквозные воздушные каналы и снабжены струйно-вакуумными соплами-форсунками, установленными касательно по отношению к окружности вращения лопастей. Основной несущий элемент расположен сверху двигателя, жестко с ним соединен и выполнен в виде круглой металлической тарелки, установленной симметрично вертикальной оси транспортного средства, и имеющей плоское дно с центральным сквозным отверстием, предназначенным для соединения внутреннего пространства тарелки с воздушным пространством двигателя, и отогнутый наружу борт. Над двигателем в центре тарелки с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в пределах высоты борта тарелки вершиной вниз установлен отражательный конус. Угол конусности отражательного конуса равен 90°, диаметр основания конуса равен диаметру выходного отверстия двигателя, а высота - высоте борта тарелки. На нижней стороне дна тарелки выполнены четыре радиальных воздушных канала с управляемыми клапанами в их началах и на концах, являющихся элементами управления и поворота. Кроме этого, на внутренней поверхности борта тарелки и в критических сечениях сопел Лаваля выполнены многозаходные винтовые направляющие.
Турбовентилятор изолирован от корпуса вакуумно-вихревого двигателя. Борт тарелки отогнут на угол не более 45°. Дно тарелки снабжено снизу радиальными ребрами жесткости, соединенными с корпусом двигателя.
На внешней стороне сопел-форсунок и на внутренней стороне нижней части входного сопла Лаваля в плоскости вращения турбовентилятора равномерно по окружности и через равные угловые промежутки могут быть выполнены конические выступы для концентрации электрических зарядов. Оболочка выходного сопла Лаваля может быть выполнена с полостью для размещения жидкого теплоносителя. В качестве привода для отражательного конуса использован гидропривод, при этом корпус гидроцилиндра одновременно является герметизирующим стержнем для верхнего мембранного клапана. Герметизирующим стержнем для нижнего мембранного клапана является вал воздушной турбины.
Транспортное средство может дополнительно содержать цилиндрический конденсатор большой емкости, установленный параллельно полому металлическому цилиндру вакуумно-вихревого двигателя.
В частном случае изолированный снаружи полый металлический цилиндр вакуумно-вихревого двигателя может быть выполнен с расширенной входной частью, а турбовентилятор установлен внутри этой расширенной части вакуумно-вихревого двигателя. Внутренняя стенка расширенной части вакуумно-вихревого двигателя снабжена электрически изолированным металлическим кольцом, установленным в плоскости вращения турбовентилятора и выполненным с иглоподобными выступами, расположенными через равные угловые промежутки, а на валу турбовентилятора установлен коллектор с регулируемыми электрическими щетками для периодического подключения и отключения металлического кольца к минусовой обкладке конденсатора, образованного наружной металлической поверхностью вакуумно-вихревого двигателя, внешней цилиндрической поверхностью сопел Лаваля и воздушной прослойкой между ними.
Предложенное в качестве полезной модели транспортное средство на высокой воздушной подушке является новым, поскольку в известных источниках информации не обнаружено транспортного средства в той совокупности существенных признаков, которыми характеризуется предложенная полезная модель.
Полезная модель поясняется чертежами.
На фиг.1 схематично изображено транспортное средство на высокой воздушной подушке с вакуумно-вихревым двигателем, выполненным с расширенной входной частью. На фиг.2 показано выполнение вакуумно-вихревого двигателя транспортного средства без расширенной входной части. На фиг.3 - то же, что на фиг.2, с установленным отражательным конусом. На фиг.4 представлен объемно общий вид транспортного средства на высокой воздушной подушке. На фиг.5 представлен в объеме общий вид транспортного средства на высокой воздушной подушке с поднятым грузом.
Транспортное средство на высокой воздушной подушке (фиг.1) содержит вакуумно-вихревой двигатель 1, кабину управления 2, основной несущий элемент 3, установленный сверху двигателя 1.
Вакуумно-вихревой двигатель 1 установлен в центре кабины управления 2 и представляет собой (фиг.1, 2, 3) полый металлический цилиндр 4, с наружной электрической изоляцией 5, внутри которого с помощью диэлектрических шайб 6 со сквозными отверстиями для пропуска воздуха неподвижно установлены два сопла Лаваля 7, 8, с помощью цилиндрического патрубка 9. Диаметр диэлектрических шайб 6 выбирается из расчета обеспечения возможности существования между оболочками 4 и сопел Лаваля 7, 8 квазитлеющего высоковольтного коронного разряда при естественной электризации воздуха трением. В критических сечениях сопел Лаваля 7, 8 выполнены винтовые многозаходные направляющие 10 для придания проходящей воздушной струе вращательного движения. На входе и выходе двигателя установлены пусковые мембранные клапаны 11, 12, как показано на фиг.2 и фиг.3 (на фиг.1 не показан выходной клапан, он расположен под воздушными каналами). Каждый из клапанов 11, 12 выполнен из двух цилиндрических патрубков: внешнего - металлического, изолированного от корпуса двигателя, и внутреннего 13 - резинового (на фиг.1, 2 показано для верхнего клапана 11). Патрубки вставлены друг в друга плотно и одновременно с возможностью заполнения межстенного пространства сжатым воздухом. Мембранные клапаны 11, 12 разделены с корпусом двигателя 1 слоем диэлектрика 14, в котором имеются каналы 15 с автоматическими клапанами для обеспечения естественной циркуляции воздуха. В центре каждого мембранного клапана имеется герметизирующий стержень 16 (см. клапан 12), обеспечивающий надежную герметизацию мембранного клапана в центре.
Перед критическим сечением сопла Лаваля 8 установлен вентилятор 17, совмещенный с воздушной турбиной 18 (фиг.1, 2, 3). Вал воздушной турбины 18 одновременно является герметизирующим стержнем 16 для мембранного клапана 12. Лопасти вентилятора 17 имеют по всей длине сквозные воздушные каналы 19 для пропуска воздуха от расположенного на валу вращения воздушной турбины воздухозаборника до сопел-форсунок, установленных на концах лопастей касательно по отношению к окружности их вращения. Сопла-форсунки имеют конические (иглоподобные) выступы 20 для концентрации электрических зарядов. Такими же выступами через равные угловые промежутки снабжена внутренняя нижняя часть сопла Лаваля 8 (фиг.2, 3). Оболочка выходного сопла Лаваля 7 для обогрева кабины экипажа и пассажирского салона может быть выполнена с полостью 21 для жидкого теплоносителя, например воды или масла.
Основной несущий элемент 3 жестко соединен с двигателем и выполнен в виде цельнометаллической круглой тарелки с отогнутым наружу бортом 22 под углом не более 45°, и плоским дном, усиленным радиальными ребрами жесткости 23 (фиг.1). Дно тарелки имеет в центре сквозное отверстие для соединения внутреннего пространства тарелки с воздушным пространством двигателя. Над двигателем в центре тарелки установлен отражательный конус 24 (фиг.1). Конус 24 направлен вершиной вниз и установлен с возможностью перемещения в вертикальной плоскости в пределах высоты борта 22 тарелки 3. Диаметр основания конуса 24 равен диаметру выходного отверстия двигателя 1, а его высота высоте борта 22 тарелки 3. Корпус гидроцилиндра 26 (фиг.2, 3) привода конуса 24 одновременно является герметизирующим стержнем для мембранного клапана 11. В расширенной части двигателя установлено металлическое кольцо 25 с иглоподобными выступами (фиг.1). На нижней стороне дна тарелки 3 выполнены четыре радиальных воздушных канала 27 с управляемыми пилотом клапанами 28 и клапанами 29 в конце воздушных каналов 27.
Транспортное средство может быть многократно реализовано с достижением указанного технического результата. Это подтверждает соответствие полезной модели критерию «промышленная применимость».
Транспортное средство работает следующим образом.
Перед запуском двигателя подают сжатый воздух в межстенные пространства мембранных клапанов 11, 12. При подаче сжатого воздуха их резиновые оболочки 13 растягиваются в пределах упругой деформации в направлении, перпендикулярном центральной оси двигателя, плотно охватывают герметизирующие стержни 16, 26 и герметизируют таким образом внутренние полости сопел Лаваля 7, 8. При открытии входного клапана 30 (фиг.1, 2, 3) по воздушному каналу внутри вала воздушной турбины 18, одновременно являющимся герметизирующим стержнем 16 для мембранного клапана 12, внутрь двигателя подается сжатый воздух того же давления. При этом клапаны канала 15 автоматически закрываются, не допуская выхода сжатого воздуха в атмосферу. Затем из межстенных пространств мембранных клапанов 11, 12 выпускают предварительно закачанный воздух. Мгновенно открывается верхний мембранный клапан 11, и через несколько микросекунд - нижний 12. Сжатый воздух с большой скоростью устремляется вверх, увлекая за собой атмосферный воздух, который через отверстия воздухозаборника на валу воздушной турбины 18, одновременно ускоряясь за счет возникающей центробежной силы, подается на входы сопел-форсунок. Сюда же поступает набегающий поток воздуха. Вместе с воздушной турбиной 18 начинает раскручиваться вентилятор 17, который далее обеспечивает непрерывную подачу атмосферного воздуха внутрь двигателя и создает необходимые условия для работы воздушной турбины 18. После прохождения критического сечения в расширяющейся части входного сопла Лаваля 8 давление воздуха начнет уменьшаться и, когда соотношение выходного и входного давлений составит 0,542, скорость воздуха внутри сопла 8 может стать сверхзвуковой. Но давление в образовавшейся струе еще выше атмосферного, поэтому в расширяющемся пространстве сопла 8 сверхзвуковая воздушная струя продолжает расширяться, уменьшая внутреннее давление. Когда давление в воздушной струе сравняется с атмосферным, она, не имея возможности дальше расширяться, отрывается от стенки сопла Лаваля 8, сохраняя прямолинейное движение. В пространстве между стенкой сопла 8 и воздушной струей мгновенно образуется вакуум, в который эжектируется входящий атмосферный воздух, разгоняющийся до сверхзвуковой скорости. При этом скорость воздушной струи на выходе двигателя может превышать скорость звука в несколько раз. Однако скорость звука на входе до критического сечения не может превышать звуковой барьер, поэтому вентилятор 17 и воздушная турбина 18 всегда работают в нормальном дозвуковом режиме. Благодаря наличию винтовых направляющих 10 в обоих критических сечениях сопел Лаваля 7, 8, дополнительно происходит образование двух вращающихся вакуумных воронок, эжектирующих усиленно воздушную струю на выход двигателя. Сформированная устойчивая сверхзвуковая воздушная струя попадает на отражательный конус 24, отражаясь от него, устремляется в строго горизонтальном направлении (поскольку угол конусности конуса 24 равен 90°) к борту 22 тарелки, закручивается по винтовым направляющим борта тарелки и, отражаясь от борта под углом, создает вращающуюся вихревую вакуумную воронку 31 над тарелкой (фиг.1). Равномерно растекающийся радиально по плоскому дну тарелки с большой скоростью воздух обеспечивает образование на дне так называемого в авиации «пограничного слоя» пониженного давления, а вращающаяся воронка - дополнительно зону пониженного давления над всей тарелкой, как бы всасывая ее в себя. Возникающая разность давлений над и под тарелкой не только отрывает транспортное средство от опорной поверхности, но и создает двигателю дополнительные благоприятные условия для всасывания атмосферного воздуха, исключая образование пыли вокруг транспортного средства. Часть высокоскоростной струи с помощью клапанов 28 (фиг.1), управляемых пилотом, направляется по каналам 27 в атмосферу, обеспечивая поворот и поступательное в горизонтальном направлении движение поднятого в воздух транспортного средства в любом желаемом направлении. С помощью выходных управляемых клапанов 29 обеспечивается компенсация реактивного момента от действия вращающейся над транспортным средством вихревой вакуумной воронки 31. Высота подъема транспортного средства над опорной поверхностью регулируется перемещением конуса 24 с помощью гидроцилиндра 26 и масляного насоса 32 в вертикальной плоскости в пределах высоты борта тарелки. Чем ниже положение конуса 24, тем выше высота подъема транспортного средства. Двигатель при этом работает в постоянном режиме. По расчетам автора, при диаметре тарелки 4 метра и давлении воздуха над тарелкой 0,99 атмосфер подъемная сила транспортного средства составляет 1256 кг. Заявляемое транспортное средство осуществляет вертикальный подъем и вертикальную посадку, а также имеет возможность зависать в воздухе на любой желаемой высоте без потребления топлива. Взлет, посадка и зависание в воздухе осуществляется регулировкой величины вертикальной тяги, зависящей от перемещения отражательного конуса 24 вниз-вверх. К тому же транспортное средство обладает широкими функциональными возможностями. Высокоскоростная воздушная струя сильно разогревает сужающуюся часть выходного сопла Лаваля 7. И при наличии полости 21, заполненной водой, во-первых, обеспечивается водяное охлаждение двигателя, а во-вторых, осуществляется обогрев кабины экипажа и пассажирского салона. Кроме этого, из-за трения воздуха металлическая поверхность сопел Лаваля 7, 8 сильно электризуется (до потенциала в несколько десятков киловольт). Благодаря наличию диэлектрика в виде воздушной прослойки между наружным металлическим цилиндром 4 и внешней цилиндрической поверхностью сопел Лаваля на поверхности металлического цилиндра 4 возникает потенциал противоположного знака. Корпус двигателя, таким образом, представляет собой цилиндрический электрический конденсатор относительно малой емкости из-за сравнительно небольшой площади его обкладок и относительно большого расстояния между ними. Это обстоятельство позволяет использовать получившийся конденсатор одновременно в качестве так называемой безвакуумной ионной лампы квазитлеющего разряда для быстрого заряда конденсатора и в качестве места для непосредственного осуществления силового кулоновского взаимодействия электрических зарядов для увеличения вращающего момента турбовентилятора и скорости его вращения. Поскольку полученный конденсатор (корпус двигателя) не способен накапливать больших зарядов предусмотрен конденсатор большой емкости 33, подключенный к клеммам 34, 35, и вспомогательный, выполненный в виде узкого металлического кольца 25 с иглоподобными выступами, периодически подключаемого с помощью коллектора 36 к общей минусовой обкладке и заряда которого достаточно для дополнительного подталкивания турбовентилятора. Подача электрического заряда одного знака с минусовой обкладкой на иглоподобные выступы металлического кольца 25 препятствует искрообразованию и радиопомехам. Поскольку по наружной периферийной поверхности турбовентилятора предусмотрены короткие иглоподобные выступы 20, то, когда эти выступы находятся относительно выступов на металлическом кольце 25 в положении, благоприятном для отталкивания сконцентрированных на них зарядов, то есть сдвинуты на несколько градусов вперед по ходу вращения от оси совпадения с выступами кольца 25, вращающийся коллектор 36 подает на короткий промежуток времени на кольцо 25 с выступами заряд того же знака, что и на внутренней поверхности сопел Лаваля. Заряд через мгновение с кольца 25 тем же коллектором 36 снимается, а турбовентилятор, получив дополнительный мощный толчок, продолжает вращение по инерции до следующего конического выступа на кольце 25 входного сопла Лаваля. В течение этого промежутка времени ионная лампа компенсирует конденсатору 33 заряд, отданный турбовентилятору. Помимо всего перечисленного, заявляемое транспортное средство, взмывая в воздух, имеет возможность поднимать в воздух груз, как показано на фиг.5.