Привязной аэростат с автожирным винтом в узле привязи троса
TETHERED BALLOON WITH AN AUTOGYRO SCREW IN THE CABLE LASHING NODE

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: Аи-6М, М-18, Аи-8, Au-17 «Барс», «Ирбис», Око-55, Au-36). Построенные в США: Фирма ТСОМ (Аэростаты: 15М, 17М, АЗ-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).
По технической сущности указанная схема выбрана в качестве наиболее близкого прототипа. Основными недостатками прототипа являются:
- растущие потери полезной нагрузки с увеличением высоты стоянки аэростата;
- значительное снижение максимально возможной высоты стоянки аэростата;
- большой снос аэростата под действием скоростного напора воздушных потоков;
- превышение высоты статического потолка над высотой динамического потолка;
- невозможность управляемой стабилизации аэростата по высоте и дистанции сноса.
Задачей изобретения являются поиск технического решения, позволяющего компенсировать вес троса за счет дополнительного устройства, включаемого в аэростатный комплекс, а также устранение перечисленных недостатков прототипа.
Задача изобретения решается тем, что предложено использовать автожирный винт, рационально скомпонованный в узле привязи троса к аэростату и создающий подъемную силу, достаточную для полной компенсации веса троса, сданного от уровня лебедки.
Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
- в узле привязи троса, с целью компенсации его веса при подъеме аэростата, подвешен автожирный винт, ось вращения которого закреплена неподвижно относительно корпуса аэростата под углом, обеспечивающим возможность получения оптимального угла атаки диска винта относительно набегающего воздушного потока;
- ось вращения автожирного винта подвешена в узле привязи троса посредством взаимно перпендикулярных горизонтальных шарниров, создающих возможность управления положением оси вращения и, соответственно, плоскостью вращения винта по углу атаки и крену с целью изменения тяги винта и получения боковых сил, препятствующих уводу аэростата с заданного курса.
На Фиг. 1 показана схема привязного аэростата с автожирным винтом в узле привязи троса.
Устройство привязного аэростата по Фиг. 1 включает:
Корпус аэростата (1) с вертикальными (2) и боковыми (3) стабилизаторами в хвостовой части; узел привязи (5), в котором неподвижно или посредством взаимно перпендикулярных горизонтальных шарниров закреплена ось вращения автожирного винта (6) и подсоединен привязной трос (7). Узел привязи (5) связан с корпусом (1) стропами (4) и имеет расчетное положение относительно центра объема (ЦО). Центр тяжести (ЦТ) аэростата находится позади центра объема (ЦО). W - скорость воздушного потока, набегающего на аэростат и автожирный винт, α - угол дифферента аэростата, αв - угол атаки диска винта.
Устройство привязного аэростата с автожирным винтом в узле привязи троса работает следующим образом (Фиг. 1):
Основное назначение автожирного винта, скомпонованного в узле привязи, - компенсация веса троса на участке между высотой стоянки аэростата и лебедкой.
В первом варианте узел привязи позволяет зафиксировать ось вращения автожирного винта неподвижно относительно строительной линии аэростата, обеспечивая безопасный диапазон махового движения лопастей автожирного винта под воздействием набегающего воздушного потока.
Во втором варианте ось вращения автожирного винта подвешена в узле привязи троса посредством взаимно перпендикулярных горизонтальных шарниров, создающих возможность управления положением оси вращения и, соответственно, плоскостью вращения винта по углу атаки αв и крену с целью изменения тяги винта и получения боковых сил, препятствующих уводу аэростата с заданного курса.
Диаметр винта подбирается так, чтобы развиваемая им тяга в рабочем диапазоне скоростей набегающих потоков и углов атаки αв могла быть значительно больше компенсируемого веса троса. Тогда даже при колебаниях скорости ветровых потоков есть возможность в несколько раз поднять динамический потолок ПА или вес полезной нагрузки при заданной высоте динамического потолка.
При сдавании троса с лебедки на подъем аэростата и на высоте стоянки воздушный поток обтекает корпус аэростата, хвостовое оперение и автожирный винт со скоростью W. Угол дифферента аэростата α, который обычно находится в пределах α=5-10 градусов, принимает значения, близкие к расчетным. При этом в состоянии равновесия от действия всех сил и моментов тяга автожирного винта равна скомпенсированному весу троса на данной высоте стоянки, а угол атаки диска винта αв взаимосвязан с углом дифферента α.
В первом варианте с зафиксированным положением оси вращения винта при усилении воздушного потока тяга винта увеличивается и становится больше компенсируемого веса троса. Состояние равновесия нарушается и аэростат начинает подниматься на высоту нового равновесного состояния и наоборот. Это значит, что динамическая высота привязного аэростата в первом варианте будет переменной, причем всегда выше статического потолка. Одновременно с отмеченным процессом изменяется и снос аэростата. Увеличение высоты вызывает уменьшение сноса и наоборот. Величина бокового сноса в данном варианте неуправляема.
Во втором варианте с осью вращения, установленной посредством взаимно перпендикулярных горизонтальных шарниров, при помощи рулевых агрегатов винт управляется по углу атаки и по крену. Соответственно, при усилении воздушного потока и увеличении тяги винта система управления аэростатом автоматически уменьшит его угол атаки αв. Тяга винта при этом снизится, равновесие сил восстановится и аэростат останется на заданной высоте. Обратный процесс аналогичен. В случае же отклонения по курсу система управления аэростатом автоматически задает угол крена плоскости вращения винта в сторону, противоположную возникшему отклонению, и возвращает аэростат на заданный курс.
Использование автожирного винта, закрепленного в узле привязи аэростата, 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. Отсутствие срывных режимов обтекания диска при всех углах притекания воздушного потока, включая рабочие углы атаки α=0-90 градусов.
4. Отсутствие на корпусе аэростата неприемлемого реактивного момента.
5. Обладает низкой удельной массой.
6. Создает возможность превращения 5-7% потребляемой от воздушного потока мощности в электрическую мощность для подзарядки аккумулятора и питания бортового оборудования.
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 использован автожирный винт, позволило:
- исключить потери полезной нагрузки с увеличением высоты стоянки аэростата;
- более чем в два раза увеличить максимально возможную высоту стоянки аэростата на динамическом потолке;
- уменьшить снос аэростата под действием скоростного напора набегающих воздушных потоков;
- получить превышение высоты динамического потолка аэростата над высотой статического потолка;
- обеспечить управляемую стабилизацию аэростата по высоте и дистанции сноса;
- обеспечить возможность использования энергии ветра для получения электрической мощности автожирного винта.