Привязной аэростат с автожирными винтами, распределенными по длине троса
TETHERED BALLOON WITH AN AUTOGYRO SCREW DISTRIBUTED ALONG THE CABLE LENGTH

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству привязных аэростатов.
Привязные аэростаты включают корпус мягкой конструкции, узел привязи троса, такелаж и хвостовое оперение. Значительную часть аэростатической подъемной силы привязные аэростаты расходуют на подъем растущего с увеличением высоты веса привязного троса. В результате ограничиваются вес поднимаемой полезной нагрузки и высота стоянки аэростата. Привязной трос, закрепленный одним концом в узле привязи аэростата, а другим в барабане лебедки, является важным силовым элементом, удерживающим аэростат на заданной высоте стоянки в течение расчетного времени. Он позволяет также опускать аэростат на землю для транспортировки, обслуживания оборудования и пополнения бортовых запасов топлива, электроэнергии, расходных материалов. Чтобы снизить потери подъемной силы от веса троса, частично можно решить проблему, применяя в конструкции тросов новые более прочные и легкие материалы с высокой удельной прочностью. Другой путь - изыскание технических возможностей для компенсации веса троса за счет дополнительных устройств, используемых в аэростатном комплексе.
Известны привязные аэростаты, спроектированные и построенные в России: ОАО «ДКБА» (Аэростаты: ПА-80, ПА-100, ПА-160, ПА-850, ПА-1850, ПА-3000 и др.), ЗАО «Авгуръ-Аэростатные Системы» (Аэростаты: Au-6М, М-18, Au-8, Au-17 «Барс», «Ирбис», Око-55, Au-36). Построенные в США: Фирма ТСОМ (Аэростаты: 15М, 17М, А3-55, МАРК-VII и др.). Все названные привязные аэростаты выполнены по одинаковой схеме (Е.И. Победоносцев. «Механика привязных аэростатов», 1983 г., Стр. 43., Рис. 1.1). В схеме растущий с высотой подъема вес троса компенсируется исключительно за счет расходования аэростатической силы подъемного газа (гелий, водород).
Известен привязной аэростат для поднятия на рабочую высоту ветровой энергоустановки (Герман Оберт. «Энергетическая установка на воздушном змее», 1977 г.), у которого по длине троса установлены крыльевые поверхности, предназначенные для создания подъемных сил, компенсирующих вес примыкающих участков троса.
По технической сущности указанная схема выбрана в качестве наиболее близкого прототипа. Основными недостатками прототипа являются:
- отсутствие элементов конструкции, ориентирующих крыльевые поверхности по направлению потока и углу атаки;
- возможность попадания крыльевых поверхностей в срывные режимы обтекания с потерей подъемной силы;
- неустойчивое положение крыльевой поверхности на тросе, сопровождающееся самовозбуждающимися колебаниями в поперечной плоскости.
Задачей изобретения является поиск технического решения, позволяющего компенсировать вес троса привязного аэростата, а также устранение или ослабление перечисленных недостатков прототипа.
Задача изобретения решается тем, что предложено использовать закрепленные на привязном тросе аэростата и распределенные по его длине автожирные винты, создающие подъемную силу, достаточную для полной компенсации веса примыкающих к ним участков троса.
Полученный результат характеризуется следующими существенными признаками.
С целью компенсации веса привязного троса при подъеме аэростата по его длине распределены и закреплены автожирные винты, причем возможность синхронного управления углом атаки диска винтов обеспечена способностью линии провисания троса изменять свой профиль и, соответственно, значения углов наклона примыкающих к винтам участков по мере изменения высоты подъема аэростата.
На Фиг. 1 показана схема привязного аэростата с автожирными винтами, установленными на тросе и распределенными по его длине.
Устройство привязного аэростата по Фиг. 1 включает:
1
2
3
Аэростат (1) с узлом привязи троса (2) и собственно тросом (3) с длиной между узлом привязи (2) и лебедкой (4). На тросе распределены и закреплены автожирные винты (5). Количество винтов (5) может быть любым. В соответствии с профилем линии провисания троса, каждый винт (5) имеет свой угол атаки α>α>α.
1
2
3
Для лучшего понимания, от каждого винта (5) перпендикулярно его плоскости проведены воображаемые вертикали В, В, В.
1
2
3
W>W>W - распределение ветра по высоте подъема аэростата. ΔΗ – изменение высоты подъема. ΔS - изменение сноса аэростата.
Устройство привязного аэростата с автожирными винтами, закрепленными на тросе и распределенными по его длине, работает следующим образом (Фиг. 1):
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Распределенные по длине троса автожирные винты под воздействием ветряных потоков W, W, W на углах атаки α, α, α создают силы тяги, которые, действуя на плече между касательной к барабану лебедки и вертикалями B, В, B, уменьшают провисание троса и снос, стремясь довести его до положения, обозначенного на Фиг. 1 пунктирной линией. При этом увеличение динамического потолка происходит до тех пор, пока суммарная средняя тяга всех автожирных винтов не сравняется с весом сданной длины троса (с учетом веса винтов).
1
2
3
1
2
3
Несмотря на имеющие место случайные колебания троса по высоте, углы атаки автожирных винтов достаточно эффективно управляются автоматически путем одновременного изменения углов наклона участков профильной линии провисания троса во время подъема или снижения аэростата. При равномерном изменении градиента ветровой нагрузки (W<W<W) и отсутствии резких порывов воздушного потока по высоте подъема углы атаки плоскости вращения винтов все время остаются взаимосвязанными с профилем линии провисания троса. Поэтому α>α>α.
Чем интенсивнее ветровые воздушные потоки по высоте подъема аэростата, тем больше тяга винтов, выше динамический потолок (увеличение на ΔΗ) и меньше снос (уменьшение на ΔS).
Использование в привязном аэростате автожирных винтов, закрепленных на тросе и распределенных по его длине, имеет ряд преимуществ. К ним относятся:
1. Хорошее аэродинамическое качество (К=5,5-7).
2. Способность быстро гасить дестабилизирующие моменты от порывов ветра на корпусе дирижабля (пониженная чувствительность автожирного винта к болтанке).
3. Способность принимать ветровой воздушный поток с любого направления.
4. Отсутствие срывных режимов обтекания диска при всех углах притекания воздушного потока, включая рабочие углы атаки α=0-90 градусов.
5. Отсутствие на тросе неприемлемого реактивного момента.
6. Обладает низкой удельной массой.
К недостаткам использования автожирного винта следует отнести:
1. Отсутствие защиты лопастей от обледенения.
2. Загрязнения и налипания посторонних частиц, осаждение инея существенно ухудшают аэродинамические характеристики всего винта.
3. В конструкцию узла вращения необходимо встраивать муфту блокировки обратного хода, предотвращающую обратную раскрутку винта.
Предложенное устройство привязного аэростата, в котором для решения задачи изобретения использованы закрепленные на тросе автожирные винты, позволило:
- исключить потери полезной нагрузки с увеличением высоты стоянки аэростата;
- обеспечить создание подъемной силы, компенсирующей вес троса, при притекании воздушного потока с любого направления;
- исключить срывные режимы обтекания;
- обеспечить устойчивое положение автожирных винтов на тросе без дополнительных стабилизирующих элементов конструкции;
- получить превышение высоты динамического потолка над статическим потолком;
- увеличить максимально возможную высоту стоянки аэростата вплоть до стратосферы;
- обеспечить уменьшение относительной дистанции сноса с ростом высоты подъема.