АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ (ВАРИАНТЫ)
AEROSTATIC AIRBORNE VEHICLE (VERSIONS)

Изобретение относится к авиации, в частности к летательным аппаратам легче воздуха.
Известен летательный аппарат легче воздуха - аэростат и его управляемая разновидность - дирижабль (Большой энциклопедический словарь. - М., Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2002, с.88, статья «Аэростат»).
Известный летательный аппарат - дирижабль имеет оболочку, наполненную легким газом, и может поднимать в воздух и переносить(транспортировать) грузы, вес которых в соответствии с Законом Архимеда определяется объемом оболочки и разностью удельных весов окружающего воздуха и наполняющего оболочку легкого газа.
Конкретный дирижабль рассчитывается и изготавливается для подъема определенного максимального груза и не может поднять груз больше расчетного. Для большего груза нужен другой дирижабль, а для транспортировки меньшего груза на борт дирижабля берется балласт (бесполезный груз) или сбрасывается в определенных пределах легкий газ. Транспортировка малого груза дирижаблем большой грузоподъемности экономически не выгодна.
Груз при транспортировке дирижаблем размещается в грузовом отсеке или на внешней подвеске под дирижаблем. Для перевозки крупногабаритных грузов используется сложная система внешней подвески на многометровых тросах под дирижаблем. Управление движением системы «дирижабль - груз» в этом случае чрезвычайно осложнено разного рода возмущающими факторами.
Спуск и причаливание дирижабля для погрузки-разгрузки связаны с противодействием присущей ему подъемной силе. Это противодействие невелико пока подъемная сила уравновешена грузом. Удержание же порожнего дирижабля в процессе погрузки-выгрузки большая техническая проблема, ее можно решать, причаливая дирижабль к наземным конструкциям, замещая снятый груз балластом или сбрасывая часть легкого газа, что разорительно.
В предлагаемом аэростатическом летательном аппарате-трансформере (далее - ЛА) указанные проблемы не возникают в силу его принципиальных отличий от известных конструкций. Эти отличия изложены в пяти независимых пунктах формулы изобретения, связанных единым замыслом.
Аналоги изобретения:
1. Патент KR 20040091795 «Система управления плавучестью воздушного судна посредством контроля давления в баллоне несущего газа и использования теплоты выхлопа бортового двигателя внутреннего сгорания для его поддержания»;
2. Патент US 3801044 «Крылатый летательный аппарат, приспособленный к взлету и посадке с большим углом тангажа посредством использования аэростатической структуры…»;
3. Патент RU 2070136 «Полужесткий управляемый аэростатический летательный аппарат с корпусом изменяемой формы»
4. Патент DE 3633143.0 «(Ökologisches Lufttransportsistem - ÖLTS» (Экологическая воздушная транспортная система).
В первом аналоге изобретения предлагается, в частности, управление плавучестью воздушного судна посредством контроля давления в баллоне несущего газа и использования теплоты выхлопа бортового двигателя внутреннего сгорания для его поддержания.
В нашем случае не принципиально, каким образом поддерживается плавучесть аппарата и каким способом нагревается несущий газ, важно то, что коммерческий груз несут тепловые аэростаты, вентилируемые горячим воздухом, изменяя параметры вентиляции которых можно осуществлять широкий маневр по высоте, значительно изменять грузоподъемность сцепки, например, при частичной разгрузке в промежуточных пунктах на маршруте. При полной разгрузке порожний полет не требует тепловых аэростатов и их оболочки складываются (всасываются в промежуток между газовыми аэростатами посредством реверса системы вентиляции) для уменьшения миделя и парусности ЛА.
Посадка порожнего ЛА происходит путем преодоления вертикальной тягой повернутых воздушных винтов небольшого избытка сплавной силы газовых аэростатов над весом ЛА.
Во втором аналоге изобретения аэростатная составляющая служит для обеспечения крутой траектории самолета при взлете и посадке, что не используется в конструкции предлагаемого нами ЛА.
Третий аналог изобретения использует принцип термического балластирования аэростатических ЛА. Оболочка теплового аэростата находится внутри оболочки газового аэростата и наполнение ее горячим воздухом может обеспечивать подъем коммерческого груза частично или в полном объеме, но это не является предметом нашего изобретения.
В четвертом, наиболее близком аналоге изобретения предлагается, в частности, вариант совместного использования моторизованных аэростатов (дирижаблей) и аэростатов без двигателей для подъема и транспортировки тяжелых грузов путем пакетирования аэростатов вокруг транспортируемого груза, т.е. путем использования груза в качестве базовой конструкции пакета.
В другом варианте повышение общей грузоподъемности системы предлагается путем буксировки безмоторного аэростата на тросовой сцепке.
В третьем варианте предлагается строить транспортные дирижабли из большего или меньшего числа стандартных секций с общим воздушным тоннелем, в котором расположены двигатели и пропеллеры.
Все это вполне реализуемые варианты транспортной аэростатной системы, однако каждый из них имеет серьезные недостатки, принципиально исключенные в предлагаемом нами изобретении. Основные из них:
- в первом варианте для транспортировки каждого варианта общего груза требуется специфическая такелажная система, распределяющая нагрузку между несущими аэростатами;
- во втором варианте исключается буксировка при ветре, не совпадающим с курсом «каравана», и исключена транспортировка общего одинарного груза;
- в третьем варианте для каждого диапазона грузов, хотя и из стандартных блоков, строится специальный дирижабль, соответствующей грузу только по сплавной силе без учета его геометрии.
Во всех вариантах посадка, погрузка и разгрузка - отдельная сложная техническая проблема, связанная с удержанием рвущегося в небо летательного аппарата.
Все варианты включают аэростаты с жестким каркасом, изготовление которого требует грандиозных заводских стапелей, более грандиозных, чем на морских верфях.
Для сцепки аэростатов в пакет используются крепежные узлы на шпангоутах, нарушающие целостность оболочек и требующие специальной герметизации, чтобы исключить утечку гелия через постоянно раскачиваемый переменными нагрузками узел.
В нашем Аэростатическом летательном аппарате-трансформере (ЛА) требуемая грузоподъемность достигается набором стандартных модулей нужной суммарной грузоподъемности, модули соединяются посредством стыковки их силовых платформ в жесткую конструкцию, воспринимающую вес общего груза на внешней подвеске и распределяющую его на все элементы конструкции.
Стыковочные средства позволяют адаптировать ЛА к грузу, собирая модули в «колодец» для транспортировки груза большого вертикального габарита внутри этого «колодца», в «каре» охватывающее протяженный груз (корабль, мостовой пролет и т.д.) и другие конфигурации. При этом для подъема сверхтяжелого груза модули могут соединяться в многоярусные конструкции.
Моторные модули могут располагаться по концам ЛА, обеспечивая управляемость при любом направлении ветра, могут располагаться крестом относительно транспортируемого сверхтяжелого груза для парирования смещений при его монтаже на технологическое посадочное место.
Цельнотянутые методом экструзии трехкамерные полуцилиндрические интегральные оболочки, целостность которых не нарушается по технологическим причинам, т.к. применена бескаркасная конструкция аэростатов с внешними силовыми платформами модулей, сохраняют свой поперечный габарит и форму сечения для любого стандартного ряда их грузоподъемности, т.к. она является функцией только длины модуля.
Технический результат от использования предлагаемого аэростатического летательного аппарата-трансформера заключается в возможности малозатратного создания универсальной транспортной системы, состоящей из ЛА, способных изменять свою грузоподъемность в широких пределах в зависимости от веса предназначенного для транспортировки груза, адаптировать свою конфигурацию к транспортируемому на внешней подвеске грузу, садиться на грунт для загрузки-разгрузки или зависать на высоте, удобной для фиксации груза на внешней подвеске, с большой точностью устанавливать доставленные строительные блоки и технологическое оборудование на предназначенные для них посадочные места, осуществлять смену экипажей и моторных модулей в ходе полета по регулярному протяженному маршруту, не прибегая для этого к промежуточным посадкам для дозаправки и отдыха экипажа.
Указанный технический результат достигается тем, что для создания ЛА используются уже существующие технологии, двигатели и бортовое оборудование, применяются бескаркасные аэростаты в интегральных оболочках и отдельные от аэростатов силовые платформы, что позволяет изготавливать их на разных специализированных производствах и объединять лишь на заключительных этапах сборки, можно использовать передовую экструзионную технологию при производстве интегральных оболочек одного диаметра и сечения для модулей различной грузоподъемности, меняя только длину заготовки.
Указанный технический результат достигается также тем, что ЛА имеет модульную структуру, т.е. составляется из стандартных модулей: моторных и грузовых, число которых и конфигурация сцепки определяются конкретной транспортной задачей.
Указанный технический результат достигается также тем, что введены средства взаимного поиска, сближения и жесткой стыковки модулей в единую механическую систему - летательный аппарат, позволяющие собирать модули на земле и в воздухе в сцепки различных конфигураций, адаптируя ЛА к перемещаемому на внешней подвеске грузу.
Указанный технический результат достигается также тем, что каждый моторный и каждый грузовой модуль ЛА состоят из трех расположенных параллельно аэростатов, заключенных в общую интегральную оболочку, имеющую форму цилиндрического сектора (полуцилиндра), разделенного, в свою очередь, на три сектора (фиг.5). Два крайних, наполненные легким газом (газовые аэростаты), компенсируют вес конструкции модуля, третий - тепловой аэростат, размещенный между ними, при заполнении горячим воздухом обеспечивает подъем полезного груза. Использование интегральной оболочки дает дополнительные технические результаты: улучшение аэродинамики ЛА, уменьшение площади поверхности и веса аэростатных оболочек, уменьшение теплопотерь через поверхность.
Указанный технический результат достигается также тем, что тепловые аэростаты вентилируются горячим воздухом, циркулирующим через теплообменники, утилизирующие тепло выхлопных газов двигателей, и/или нагреваемым иными способами, а управление параметрами вентиляции позволяет осуществлять широкий маневр по высоте, контролировать распределение нагрузки на объединенную силовую платформу ЛА, складывать тепловые аэростаты (всасывать в промежуток между газовыми аэростатами, реверсируя вентиляцию) при порожнем полете для уменьшения миделя и парусности ЛА (фиг.6).
На фиг.1 изображен предлагаемый ЛА. ЛА содержит моторный модуль 1 (подробно на фиг.2 и 3) и грузовые модули 2 (подробно на фиг.4). На фиг.2-6 условно обозначены также стыковочные узлы: фронтальные 7 и боковые 8 (моторные модули оборудованы только фронтальными) а также газовые 3 и тепловые 4 аэростаты, входящие в состав всех модулей в виде секторов интегральной оболочки 6. Адаптация ЛА к грузу показана на фиг.7-9.
На фиг.10 дана блок-схема системы вентиляции тепловых аэростатов, где обозначены: вентилятор - 16, распределитель воздушного потока - 17, теплообменник выхлопных газов двигателя с вентилируемым воздухом - 18, нагреватель вентилируемого воздуха - 19, радиатор охлаждения вентилируемого воздуха - 20, оболочка теплового аэростата - 21, блок температурных датчиков - 22, блок управления тепловым режимом - 23, блок кингстонов - 24.
Использование аэростатического летательного аппарата-трансформера
В зависимости от стоящей транспортной задачи определяется облик ЛА: число и тип модулей, включаемых в ЛА, и конфигурация их сцепки.
При транспортировке обычных грузов в грузовых отсеках модулей может применяться простая сцепка - продольный ряд модулей (фиг.1) или сдвоенная параллельная сцепка рядов (фиг.7).
При выполнении сложных транспортных операций, например перевозка мостовой фермы, морского или речного судна или газгольдера со сжиженным газом 13, - раздвинутая сцепка рядов (фиг.7).
При перевозке буровых, ретрансляционных вышек и других вертикальных конструкций - сцепка «колодец» одно- или двухярусная (фиг.8).
Для управляемости и лучшей динамики моторные модули в сцепках размещаются в голове и хвосте ЛА. При операциях, включающих монтаж доставленного груза на технологическое место, может понадобиться сцепка с четырьмя моторными модулями «крест» (фиг.9), которые управляются компьютером по сигналам ГЛОНАС или GPS и высокочувствительных акселерометров, т.к. точный монтаж сверхтяжелых конструкций (турбогенераторы ГЭС, реакторы АЭС и т.д.) требует большой располагаемой мощности для мгновенного парирования возникающих возмущений.
На фиг.2 и 3 показана компоновка моторного модуля: силовая платформа модуля 5 - базовый элемент сборного ЛА, присущий всем модулям, движители ЛА 9 - блоки соосных воздушных винтов встречного вращения в кольцевых насадках, которые могут поворачиваться вокруг трех взаимно перпендикулярных осей (управление вектором тяги); интегральная оболочка аэростатный комплекса моторного модуля 6; фронтальные стыковочные узлы 7.
Аэростатные комплексы грузовых модулей также состоят из трех аэростатов в интегральных оболочках (фиг.6). При порожнем полете сегмент интегральной оболочки, принадлежащий тепловому аэростату 6”, можно полностью сложить между газовыми аэростатами (всосать реверсом вентиляции).
ЛА, модули которого «обезвешены» газовыми аэростатами, собирается вручную или при помощи самоходных манипуляторов у земли, загружается и по мере наполнения тепловых аэростатов горячим воздухом «всплывает» и освобождается для свободного полета как обычный дирижабль. Возможна сборка/разборка ЛА в воздухе и даже в полете при помощи поисково-стыковочных систем модулей. На дальних постоянных маршрутах (аэролиниях) целесообразно применять «плечевую» систему дозаправки горючим и смены экипажей вместе с моторными модулями (как принято на железных дорогах) без посадки всего ЛА.
Для посадки достаточно прекратить продувку теплого воздуха через оболочки тепловых аэростатов, а для ускорения спуска охладить воздух, пропустив через радиатор или сбросить теплый воздух через кингстоны (фиг.10). Управляя температурным режимом тепловых аэростатов и подрабатывая воздушными винтами, можно управлять вертикальным движением ЛА вплоть до зависания на заданной высоте и обеспечивать точное позиционирование груза при его установке на технологические посадочные места.