Причальная магнитная система для дирижабля

Причальная магнитная система относится к воздухоплавательной технике и предназначена для причаливания, длительной стоянки и отчаливания дирижабля без участия наземной команды, а только по управляющим действиям пилота. Система может быть установлена на любом типе дирижабля и на любой причальной мачте постоянной или переменной высоты в любом регионе земли.
Причаливание ранее строившихся и современных дирижаблей к наземным якорным устройствам и мачтовым сооружениям требует присутствия большой наземной команды для принятия дирижабля на руки или сброшенного с зависшего дирижабля троса и соединения его с тросом, конец которого спущен с барабана лебедки причальной мачты. Лебедкой дирижабль подтягивается к причальному устройству наверху мачты и фиксируется в нем (патент Великобритании №2737, 02.02.1911). Подобные механизмы неудобны, опасны для обслуживающего персонала, причаливание дирижабля к мачте занимает длительное время.
С развитием техники наземных транспортных средств дирижабль для совершения причаливания с мачтой стал сопровождаться буксирами на колесном или гусеничном ходу, снабженных лебедками (патент США №5176341,244/116, 1993). Такие системы громоздки, требуют тщательной согласованности движения всех наземных транспортных средств, особенно при транспортировании крупных дирижаблей, их эксплуатация не экономична, так как большую часть времени они простаивают в ожидании дирижабля. Известны патенты, в которых предлагалось привязывать дирижабль к деревьям или к большим камням (патент Германии №451700, кл. 62а, 40; 1927),что практически неосуществимо в ветреную погоду и опасно для конструкции дирижабля при его колебаниях и рывках.
Предпринимались попытки создания устройств с целью быстрой, надежной швартовки дирижаблей без помощи наземной команды (патент Франции №2581962, кл. В64В 1/00, 1985), где дирижабль при снижении специальным крюком цеплялся за тросовую систему, выполненную на земле, и подтягивался с ее помощью бортовой движительной установкой к стационарному якорю, с которым автоматически стыковался. Недостатками этого технического решения являются: приближаясь к земле при посадке на малой скорости дирижабль, обладающий большой парусностью, чрезвычайно чувствителен к вертикальным и горизонтальным порывам ветра, при этом пилоту надо поддерживать курс перпендикулярно расположенному на земле тросу, чтобы зацепиться за него своим крюком. В темное время суток и при атмосферных осадках в виде снега, сильного дождя или тумана это практически неосуществимо.
Известен аналог(патент США №1567703,244/115, 1925), в котором предлагалось техническое решение для взаимодействия бортового магнита с наземным причальным устройством, где из гондолы дирижабля на тросе опускался анкерный узел, снабженный в нижней части электромагнитами, питаемыми электроэнергией по кабелю, опущенному также с борта дирижабля. При соприкосновении с установленным предварительно металлическим анкером на земле электромагниты фиксируют дирижабль в воздухе, и бортовой лебедкой он подтягивается к земле. Недостатками этого технического решения являются затрудненность прицельного соединения магнитов, опускаемых с борта дирижабля, с металлическим анкером на земле в ветреную погоду и отклонения дирижабля относительно зафиксированных анкеров, что приведет к значительному снижению магнитного взаимодействия между ними. Также при этом происходит перехлест троса с электрическим кабелем.
Применение постоянных и электромагнитов в промышленности и строительно-монтажных устройствах открывает возможности создания новых систем причальных устройств для дирижаблей эффективных, простых и быстрого действия. Широко известны неодимовые постоянные магниты типа Nd-Fe-B в конструкциях грузозахватных устройств - удерживающих магнитных устройствах. Их преимущества: не требуется электропитание, осуществляют надежный захват грузов, высокое отношение массы удерживаемого груза к массе удерживающего магнитного устройства, полное отсутствие магнитного поля в выключенном состоянии. Но включение их в работу и выключение осуществляется вручную, при этом человек, осуществляющий эти операции, вынужден находиться в зоне высокой напряженности магнитного поля, что при определенных его значениях опасно для организма человека.
Известен аналог - прототип причальной магнитной системы для дирижабля (патент США №4238095,244/115, 1980), выполненной в виде отдельных рядом стоящих постоянных магнитов в гондоле дирижабля, взаимодействующих под управлением пилота с металлическим причальным устройством, закрепленным шарнирно на верхней части причальной мачты, обеспечивая при этом плотное касание плоских поверхностей магнитного устройства с намагничивающимся металлическим устройством на причальной мачте и дальнейшей их механической фиксации. Для осуществления взлета пилот с помощью механизма, включающего рычаг ручного управления и шторку из немагнитного материала, перекрывает часть магнитов, уменьшая магнитный поток до значения, при котором бортовое гидравлическое устройство отсоединяет магнитную муфту от еще создающих магнитный поток постоянных магнитов, дирижабль освобождается от причала и начинает полет под действием бортовых движителей, обеспечивающих вертикальные как спуск, так и взлет дирижабля без помощи наземной команды.
Недостатками прототипа являются:
- на причальных магнитных устройствах не предусмотрено никаких амортизирующих механизмов, воспринимающих неизбежные толчки, возникающие в момент их касания дирижаблем, что потребует дополнительного усиления элементов конструкций как самого причального устройства, так и причальной мачты;
- размещение магнита в носовой части корпуса дирижабля или под его гондолой лишает пилота визуального контакта с причальными устройствами, что требует привлечения дополнительно другого члена экипажа для помощи пилоту;
- при льдообразовании на сопрягаемых поверхностях магнита и верхних частях мачты уменьшается магнитный поток между ними и, следовательно, тяговое усилие во время причаливания или стоянки дирижабля и при возникновении резких и быстрых отклонений ветровых потоков, обтекающих дирижабль, удерживающие магнитные устройства смещаются друг относительно друга, при этом магнитное поле ослабеет настолько, что возможен отрыв дирижабля от причальной мачты.
Целью данного технического решения является устранение указанных недостатков, осуществление причаливания или отчаливания дирижабля без помощи наземной команды в любое время суток, сокращение времени осуществления этих процессов и надежного крепления дирижабля к причальной магнитной системе, снижение физической и эмоциональной нагрузок на пилота дирижабля. Указанная цель достигается тем, что удерживающие магнитные устройства выполнены как на борту дирижабля, так и на причальном устройстве мачты, причем магнитное устройство на мачте размещено внутри пространства, ограниченного с четырех сторон немагнитными управляемыми створками, отклонения которых осуществляются соответствующими электромеханизмами, на внешних поверхностях створок помещены приемники и передатчики систем радиолокации и лазерной локации, панели солнечных батарей, проблесковые огни; на поворотном основании верхней части мачты выполнены кривошипный механизм, приводимый во вращение электродвигателем; ветрогенератор (на фигурах условно не показан), торсионный амортизатор, вал которого выполнен из легированной стали 45ХНМФА и соединенный неподвижно с рычагом и поворотным основанием (сваркой), воспринимает крутящий момент от толчка дирижабля при его касании удерживающего магнитного устройства причальной мачты и предохраняя при этом кривошипный механизм от разрушения; корпус, к которому шарнирно присоединены упомянутые кривошипный механизм, торсионный амортизатор, а также удерживающее магнитное устройство с выполненным внутри него постоянным неодимовым магнитом Md-Fe-В, управление магнетизацией и демагнетизацией которого осуществляет электромеханизм с цепной реверсивной передачей. При отсутствии ветра причальная магнитная система стационарной обслуживаемой мачты настраивается навстречу приближающемуся дирижаблю электромеханизмом, кинематически связанным с подшипником поворотного основания. Если причальная мачта не обслуживается наземной командой, то подобный разворот причального магнитного устройства осуществляется по радиокомандам с борта дирижабля.
Конструкция причальной магнитной системы обеспечивает автоматическую ее установку по ветру, навстречу приближающемуся дирижаблю, который всегда приближается к причальной мачте против ветра.
Причальное устройство дирижабля содержит удерживающее магнитное устройство, аналогичное установленному на причальной мачте, пружину и жидкостно-газовый амортизатор для демпфирования толчков во время причаливания дирижабля, а также снабжено передатчиками и приемниками системы радиолокации и слаборасходящегося лазерного луча, которыми снабжена и причальная мачта.
Видеокамеры, выполненные вблизи расположения удерживающих магнитных устройств, передают пилоту изображения выполнения операций причаливания, фиксирования на мачте и отчаливания дирижабля, формируют сигнал на закрытие створок в момент окончания причаливания или отчаливания дирижабля, который поступает на электромеханизм, приводящий цепную реверсивную передачу к осуществлению перемещения для включения в работу постоянного магнита, создающего магнитные силовые линии.
На фиг. 1 показана в продольном разрезе (сечение Б-Б фиг. 2) причальная магнитная система для дирижабля, где обозначено: 1 - кривошипный механизм; 2 - ось торсиона; 3 - рычаг торсиона; 4 - корпус; 5 - рычажный механизм открытия и закрытия створок; 6 - шарнир; 7 - удерживающее магнитное устройство мачты; 8 - удерживающее магнитное устройство дирижабля; 9 - пружина; 10 - створка; 11 - приемники и передатчики радио- и лазерной локации; 12 - захват; 13 - носовая часть дирижабля; 14 - жидкостно-газовый амортизатор; 15 - цепная реверсивная передача; 16-рычажный механизм открытия и закрытия створок; 17, 18 - червячные электромеханизмы; 19 - вал торсиона. На фиг. 2 показан поперечный разрез причальной магнитной системы (сечение А-А фиг. 1) для дирижабля (условно не показаны пружина 9 и жидкостно-газовый амортизатор 14), где обозначено: 20 - верхняя часть причальной мачты; 21 - подшипник; 22 - поворотное основание. На фиг. 3 показаны варианты размещения удерживающих магнитных устройств, где обозначено: 23 - стационарная причальная мачта; 24 - мобильная причальная мачта; 25 - дирижабль.
Причальная магнитная система для дирижабля работает следующим образом. При подлете к обслуживаемой причальной мачте пилот дирижабля, используя бортовое радиолокационное оборудование в виде приемников и передатчиков радио -и лазерной локаци, осматривает внешнее состояние мачты - раскрыты ли створки, повернута ли навстречу дирижаблю причальная магнитная система, горят ли проблесковые огни. Эту подготовку и включение оборудования осуществляет оператор с наземного пункта управления. При подлете к необслуживаемой причальной мачте, расположенной в безлюдной местности, пилот дирижабля определяет ее точное местоположение с помощью радио- и лазерной локации, включает помощью кодового радиосигнала в рабочее состояние все ее оборудование, необходимое для осуществления причаливания. Кривошипный механизм 1, поддерживаемый осью 2 торсиона и его рычагом 3, отклоняет в вертикальной плоскости корпус 4, обеспечивая дирижаблю кратчайший путь к причальной мачте. В особых случаях полета - при неконтролируемой утечке несущего газа из носового или кормового газовых отсеков, нарушение центровки из-за смещения груза-угол продольной оси дирижабля может быть отклонен по отношению к горизонту как на кабрирование, так и на пикирование, отличаясь от реальной глиссады полета. При этом дирижабль подойдет к причальной мачте с поднятой или опущенной носовой частью. И в этом случае причальная магнитная система обеспечит причаливание дирижабля к причальной мачте. Во время длительной стоянке дирижабля на причальной мачте кривошипный механизм разъединяется от приводящего его в движение электромеханизма, чтобы торсион не влиял на его работу. Боковые створки 10 открываются, отклоняясь в шарнирах 6 рычажными механизмами 5, 16, перемещаемыми червячными механизмами 17, 18. Удерживающее магнитное устройство 7 мачты приводится в рабочее состояние с помощью цепной реверсивной передачи 15, вращаемой соответствующим электромеханизмом. Удерживающее магнитное устройство 8 дирижабля, выполненное в его носовой части, контролируется пилотом дирижабля во время подлета к причальной мачте, причем магнитное поле одного из двух удерживающих магнитных устройств включается автоматически за 2-3 секунды до момента касания удерживающих магнитных устройств дирижабля и причальной мачты, учитывая время перемещения цепных передач. Это способствует плавному причаливанию дирижабля, без резких толчков. Пружина 9 и жидкостно-газовый амортизатор 14 демпфируют толчок при касании удерживающих магнитных устройств друг с другом. Этому же способствует и торсион, вал 19 которого жестко закреплен на корпусе 4. Приемники и передатчики радио- и лазерной локации в момент касания и соединения обоих удерживающих магнитных устройств автоматически отключаются. Створки 10 отклоняются к продольной оси системы, и захваты 12 фиксируют носовую часть 13 причаленного дирижабля. Для предотвращения самопроизвольного отключения магнитов электромеханизмы цепных реверсивных передач 15 автоматически блокируются. Подшипник 21 обеспечивает вращение в горизонтальной плоскости поворотного основания 22, удерживающего всю причальную магнитную систему и связанного кинематически с электромеханизмом (на фигурах условно не показан), обеспечивающим его перемещение вместе с подшипником. Удерживающие магнитные устройства выполнены по аналогии с широко известной системой магнитных грузозахватов, в которых замыкание и размыкание магнитных силовых линий постоянного магнита типа неодим Nd-Fe-B происходит путем поворота ротора с магнитами на 90 градусов относительно магнитов статора, в качестве которого используется корпус грузозахвата.
Цепные реверсивные передачи 15 осуществляют повороты упомянутого ротора, приводя к магнетизации или демагнетизации стыкуемых между собой постоянных магнитов причальной мачты и дирижабля.
Необслуживаемая стационарная причальная мачта с выполненными внутри нее аккумуляторами, а снаружи панелями солнечных батарей, постоянно заряжающих аккумуляторы, как и ветрогенератор, обеспечивают питание электроэнергией всех электромеханизмов, аппаратуры связи и освещения, необходимых для автономного причаливания дирижабля и кратковременной стоянки на мачте, как в дневное, так и в темное время суток. Дирижабль, причаленный к подобной мачте, может осуществить и подзарядку ее аккумуляторов, оставляя причальное устройство в работоспособном состоянии.
На фиг. 1 штриховыми линиями показано положение удерживающих магнитных устройств в режиме ожидания дирижабля. Закрытые створки предохраняют удерживающие магнитные устройства от атмосферных осадков.
Расчеты, выполненные автором, показывают, что для дирижабля объемом 30000 кубических метров достаточно иметь один неодимовый магнит с площадью контакта 0,2 квадратного метра, чтобы удержать причаленный дирижабль на мачте при ветре скоростью 130 км/ч и запасе прочности силовых узлов конструкции причальной магнитной системы, равным 3.
Современные системы замера околонулевых скоростей, согласованные с работой бортовых движителей дирижабля, обеспечат касание дирижабля к причальному устройству со скоростью не более 0,1 м/с.
Технический результат полезной модели заключается в том, что:
- выполнение удерживающих магнитных устройств в пространстве, ограниченном с четырех сторон немагнитными управляемыми створками, защищает их от воздействия метеоосадков, увеличивает прочность сцепления, препятствуя их перемещению друг относительно друга в виде скольжения;
- работа бортовых движителей дирижабля согласована с системой замера околонулевых скоростей дирижабля, что обеспечит плавное касание дирижабля к причальной мачте;
- отклонения причальной магнитной системы в вертикальной плоскости для подстраивания ее под глиссаду причаливающего дирижабля осуществляется с помощью кривошипного механизма, приводимого в движение электромеханизмом, управляемым или с земли обслуживающим персоналом или автоматически по радиокомандам пилота дирижабля;
- выполнение в причальной магнитной системе торсиона, пружины и жидкостно-газового амортизатора способствует более плавному восприятию нагрузок, действующих на элементы конструкции причальной магнитной системы, что не приводит к дополнительному их усилению;
- при отказе одного удерживающего магнитного устройства либо на борту дирижабля, либо на причальной мачте, гарантируется причаливание дирижабля к причальной мачте, так как магнитное поле одного работающего удерживающего магнитного устройства достаточно для удержания дирижабля при ветрах скоростью 130 км/ч;
- причальная магнитная система снабжена электроконтактным устройством для подключения электропитания от электрической сети дирижабля в электрическую сеть причальной мачты в случае отказа ее аккумуляторов или для их подзарядки, это повысит надежность функционирования необслуживаемых причальных мачт, установленных в удаленных регионах.
Таким образом, патентуемое техническое решение на полезную модель отвечает критериям «новизна» и «промышленная применимость».