ДИРИЖАБЛЬ
AIRSHIP

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов легче воздуха и может быть использовано для перемещения людей, грузов или радиоизмерительной, приемо-передающей и иной электронной аппаратуры при мониторинге наземных технологических процессов или ретранслирования радиосигналов.
Известен дирижабль, содержащий остов с полой оболочкой, имеющей в стенке клапаны для впуска и выпуска воздуха, гондолу с кабиной управления, стабилизатор, причальные приспособления и реактивный двигатель, при этом в стенку оболочки со стороны носовой и хвостовой частей встроены криволинейные пластины для горизонтальной прокладки в нижней части полости газохода с выходом его концов наружу, а двигатель установлен у конца газохода со стороны носовой части оболочки (см. патент РФ №2580385, опубл. 10.04.2016).
Основным недостатком такого дирижабля является зависимость подъемной силы от температуры центрального газохода, что делает зависимым вертикальное маневрирование от работы реактивного двигателя. Вторым недостатком известного дирижабля является недостаточная эффективность управления теплоотдачей центрального газохода посредством перемещения теплоизоляционных и теплопроводящих хомутов. При реализации такого управления изменяется только скорость нагрева воздуха и гелия (реализуется только в переходном режиме), в то время как количество отданной теплоты за продолжительный промежуток времени остается постоянным. Кроме того, в известном дирижабле отсутствует возможность быстрого управляемого вертикального снижения, что существенно усложняет или исключает точное приземление дирижабля на ограниченных площадях, например, на взлетно-посадочных полосах или стационарных вертолетных площадках, расположенных на крышах зданий и сооружений.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является термобалансируемый дирижабль, содержащий гондолу, движитель горизонтального перемещения, систему создания подъемной силы, оболочку, солнечные батареи и аккумулятор, (Патент РФ №2457149, опубл. 27.07.2012). Основными недостатками термобалансируемого дирижабля являются:
- большая масса из-за наличия в составе системы создания подъемной силы компрессора, детандера, трубопроводов, теплообменников, вентилей и коробки перемены передач;
- невысокая энергетическая эффективность вследствие слабого взаимодействия ветра с пропеллером, входящим в состав движителя горизонтального перемещения при его работе в режиме ветродвигателя; слабость воздействия ветра на пропеллер обусловлена тем, что возникновению вращающего момента на лопастях пропеллера препятствует горизонтальное перемещение дирижабля под действием того же ветра;
- невысокая надежность солнечных батарей вследствие возможного выхода их строя в результате перегрева при интенсивном и продолжительном воздействии солнечного излучения при большом потребляемом токе и возникающих при этом необратимых изменениях в полупроводниковой структуре, а также наличия в конструкции системы создания подъемной силы движущихся элементов: вентилей, компрессора и коробки перемены передач;
- невозможность снижения температуры гелия и воздуха для увеличения их плотности при необходимости снижения дирижабля с помощью входящего в состав системы создания подъемной силы теплового насоса;
- зависимость работоспособности системы создания подъемной силы от движителя горизонтального перемещения;
- высокая инерционность процесса создания подъемной силы вследствие локального нагрева внутреннего пространства дирижабля с помощью ресивера-теплообменника.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение массы системы создания подъемной силы, повышение энергетической эффективности дирижабля, повышение надежности солнечных батарей, обеспечение возможности вертикального маневрирования за счет энергосберегающего повышения и понижения температуры гелия, исключение зависимости работоспособности системы создания подъемной силы от движителя горизонтального перемещения, а также снижение инерционности процесса создания подъемной силы.
Такой технический результат достигается тем, что в дирижабле, включающем гондолу, движитель горизонтального перемещения, систему создания подъемной силы, оболочку, фотоэлектрические элементы и накопитель электрической энергии, оболочка выполнена в форме вытянутого эллипсоида вращения, фотоэлектрические элементы закреплены на ее внешней поверхности над экваториальной линией, система создания подъемной силы оснащена первым и вторым блоками термоэлектрических преобразователей Пельтье с первой и второй рабочими поверхностями, первым и вторым коммутационными устройствами, каждое из которых содержит информационный вход, силовой вход и выход, блоком управления, с информационным и питающим входами и с первым и вторым выходами, накопителем электрической энергии, контроллером и датчиком температуры, при этом первый блок термоэлектрических преобразователей Пельтье расположен на внутренней поверхности оболочки над экваториальной линией, второй блок термоэлектрических преобразователей Пельтье расположен на внутренней поверхности оболочки под экваториальной линией, датчик температуры размещен между оболочкой и фотоэлектрическими элементами, которые подсоединены к первому входу контроллера, накопитель электрической энергии подсоединен ко второму входу контроллера, а выход контроллера - к силовым входам коммутационных устройств и питающему входу блока управления, датчик температуры подключен к информационному входу блока управления, первый выход блока управления подключен к информационному входу первого коммутационного устройства, выход которого подсоединен к первому блоку термоэлектрических преобразователей Пельтье, второй выход блока управления подключен к информационному входу второго коммутационного устройства, выход которого подсоединен ко второму блоку термоэлектрических преобразователей Пельтье, первая рабочая поверхность термоэлектрических преобразователей Пельтье обращена к внутренней поверхности оболочки, а их вторая рабочая поверхность - к внутреннему пространству дирижабля, накопитель электрической энергии, контроллер, блок управления и коммутационные устройства размещены в гондоле.
На фиг. 1 представлена схема размещения основных элементов дирижабля, на фиг. 2 - размещение фотоэлектрических элементов, датчика температуры, блоков термоэлектрических преобразователей Пельтье и оболочки.
Дирижабль содержит гондолу 1, представляющую собой, например, капсулообразную кабину обтекаемой формы с низким коэффициентом лобового сопротивления в направлении основного движения дирижабля, в которой располагается экипаж, пассажиры, грузы или электронное и прочее оборудование, движитель 2 горизонтального перемещения, выполненный, например, в виде пропеллерных, реактивных или турбореактивных устройств, а также оболочку 3. Оболочка 3 имеет форму вытянутого эллипсоида вращения, характеризующегося экваториальной линией. В рабочем состоянии дирижабля большая ось вытянутого эллипсоида вращения параллельна поверхности Земли. Внутреннее пространство дирижабля, ограниченное оболочкой 3, заполнено газом, имеющим плотность, меньше плотности воздуха, например, гелием.
Гондола 1 прикреплена к нижней части оболочки 3 дирижабля, а движитель 2 горизонтального перемещения расположен в носовой и (или) хвостовой части. При использовании движителя 2 в виде двух и более тяговых устройств они могут быть расположены на боковых внешних поверхностях оболочки 3. На внешней поверхности оболочки 3, над экваториальной линией, укреплены фотоэлектрические элементы 4 (солнечные батареи). В качестве фотоэлектрических элементов 4 могут быть использованы генераторные устройства для прямого преобразования световой энергии в электрическую форму. Фотоэлектрические элементы 4 имеют форму пластин, объединенных в модули. Размещение фотоэлектрических элементов 4 на внешней поверхности оболочки 3 только над экваториальной линией объясняется значительно большей освещенностью верхней части дирижабля по сравнению с нижней.
Система 5 создания подъемной силы оснащена первым блоком 6 и вторым блоком 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье, первым коммутационным устройством 8 и вторым коммутационным устройством 9, блоком 10 управления, накопителем 11 электрической энергии контроллером 12 и датчиком 13 температуры. Первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье и второй блок 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье имеют первую рабочую поверхность 14 и вторую рабочую поверхность 15, образуемые спаями разнополярных термопар таким образом, что при подключении блоков термоэлектрических преобразователей Пельтье к источникам постоянного напряжения одни рабочие поверхность нагревается, а другие (противоположные) охлаждается. Первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье расположен на внутренней поверхности оболочки 3 над экваториальной линией. Второй блок 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье расположен на внутренней поверхности оболочки 4 под экваториальной линией.
Первое коммутационное устройство 8 содержит информационный вход 16, силовой вход 17 и выход 18. Второе коммутационное устройство 9 содержит информационный вход 19, силовой вход 20 и выход 21. В качестве коммутационных устройств 8 и 9 могут быть использованы силовые реле, магнитные пускатели и их бесконтактные аналоги, а также электронные ключи, обладающие дискретно-нелинейными статическими характеристиками. Первое коммутационное устройство 8 обеспечивает прохождение электрического тока между его силовым входом 17 и выходом 18 при подаче сигнала на информационный вход 16. Второе коммутационное устройство 9 обеспечивает прохождение электрического тока между его силовым входом 20 и выходом 21 при подаче сигнала на информационный вход 19. Первый выход 22 блока 10 управления подключен к информационному входу 16 первого коммутационного устройства 8, а второй выход 23 блока 10 управления - к информационному входу 19 второго коммутационного устройства 9. В качестве блока 10 управления может быть использован процессор или логическая управляющая схема на микросхемах или полупроводниках. Выход 18 первого коммутационного устройства 8 подсоединен к первому блоку 6 преобразователей Пельтье. Выход 21 второго коммутационного устройства 9 подсоединен ко второму блоку 7 преобразователей Пельтье.
Датчик 13 температуры установлен между оболочкой 3 и фотоэлектрическими элементами 4 и подключен к информационному входу 24 блока 10 управления. В качестве датчика температуры может быть использован параметрический первичный преобразователь температуры для работы в диапазоне температур от -35°С до +80°С, например, полупроводниковый терморезистор.
Фотоэлектрические преобразователи 4 подсоединены к первому входу 25 контроллера 12. Ко второму входу 26 контроллера 12 подключен накопитель 11 электрической энергии. Контроллер 12 реализует функции компаратора логического устройства и коммутационного прибора. В качестве накопителя 11 электрической энергии может быть использован химический аккумулятор или конденсатор сверхвысокой емкости (ионистор). Выход контроллера 12 подсоединен к силовому входу 17 первого коммутационного устройства 8, к силовому входу 20 второго коммутационного устройства 9 и к питающему входу 27 блока 10 управления.
Первая рабочая поверхность 14 первых блоков 6 и вторых блоков 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье обращена к внутренней поверхности оболочки 3. Вторая рабочая поверхность 15 первых блоков 6 и вторых блоков 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье обращена к внутреннему пространству дирижабля.
Накопитель 11 электрической энергии, контроллер 12, блок 10 управления и коммутационные устройства 8 и 9 размещены в гондоле 1.
Дирижабль работает следующим образом.
Перед взлетом внутреннее пространство дирижабля, ограниченное оболочкой 3, заполняется газом, плотность которого должна быть меньше плотности воздуха, например, гелием. В соответствии с законом Архимеда, в дирижабле создается подъемная сила, побуждающая его к взлету над Землей. Для обеспечения перемещения дирижабля по необходимой траектории используется движитель 2 горизонтального перемещения, управляемый пилотом или автоматическим устройством из гондолы 1. Система 5 создания подъемной силы обеспечивает вертикальное маневрирование дирижабля в зависимости от заданного режима полета блоком 10 управления с учетом температуры между фотоэлектрическими элементами 4 и первым блоком 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье. Фотоэлектрические элементы 4, находясь под действием солнечного света, преобразуют световую энергию в электрическую. Эта энергия поступает на первый вход 25 контроллера 12. На второй вход 26 контроллера 12 поступает электрическая энергия от накопителя 11 электрической энергии. По результатам сравнения приходящих энергетических потоков контроллер 12 направляет на питающий вход 27 блока 10 управления, на силовой вход 17 первого коммутационного устройства 8 и силовой вход 20 второго коммутационного устройства 9 либо энергию с фотоэлектрических элементов 4, либо энергию с накопителя 11 электрической энергии. Наиболее простым алгоритмом работы контроллера 12 может явиться, например, вычитание напряжения с выхода фотоэлектрических элементов 4 напряжения с накопителя 11 электрической энергии и по получении разности положительного знака коммутирование первого входа 25 контроллера 12 с его выходом. В случае получения разности отрицательного знака осуществляется коммутация второго входа 26 контроллера 12 с его выходом. При достаточно большом напряжении, характеризующим энергию, поступающую на первый вход 25 контроллера 12, последний коммутирует свои входы и выход таким образом, что энергия с фотоэлектрических элементов 11 одновременно направляется и на питающий вход 27 блока 10 управления, на силовой вход 17 первого коммутационного устройства 8 и силовой вход 20 второго коммутационного устройства 9, и на накопитель 11 электрической энергии. В таком случае электрическая энергия, полученная в результате преобразования световой энергии, расходуется и на потребление и на накопление.
Солнечная энергия, приходящаяся на поверхность оболочки дирижабля, помимо светового воздействия вызывает повышение ее температуры. Одновременно с нагревом оболочки 3 происходит повышение температуры фотоэлектрических элементов 4. Кроме того, фотоэлектрические элементы 4, будучи включенными в электрическую цепь, дополнительно прогреваются за счет протекания по ним электрического тока. С точки зрения эксплуатации фотоэлектрических элементов, такой нагрев является нежелательным, поскольку при ярком Солнце и большой электрической нагрузке возможен их перегрев, снижающий КПД фотоэлектрических элементов 4 или даже приводящий к выходу их из строя. Установленный на внутренней поверхности оболочки 3, над ее экваториальной линией, первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье при соответствующем включении обеспечивают отток тепловой энергии. Это происходит следующим образом.
Информация о температуре между фотоэлектрическими элементами 4 и первым блоком 6 термоэлектрических преобразователей поступает на информационный вход 24 блока 10 управления. При превышении измеряемой температуры заданного значения блок 10 управления срабатывает и формирует команду в виде электрического сигнала на своем первом выходе 22. Этот сигнал подается на информационный вход 16 первого коммутационного устройства 8. Первое коммутационное устройство 8 обеспечивает подачу электрической энергии от накопителя 11 электрической энергии через свой выход 18 к первому блоку 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье. Это сопровождается охлаждением первой рабочей поверхности 14 первого блока 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье и нагревом второй рабочей поверхности 15 первого блока 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье. В соответствии с принципом действия термопар под действием приложенного к ним электрического напряжения происходит перенос тепловой энергии. В нашем случае перенос тепловой энергии происходит из пространства между фотоэлектрическими элементами 4 и первым блоком 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье во внутреннее пространство дирижабля. За счет оттока тепловой энергии температура фотоэлектрических элементов 4 остается достаточно низкой.
При необходимости взлета дирижабля на первом выходе 22 и втором выходе 23 блока 10 управления появляются электрические сигналы, поступающие на информационный вход 16 первого коммутационного устройства 8 и на информационный вход 19 второго коммутационного устройства 9. Это приводит к подаче электрического напряжения на первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье и на второй 7 блок термоэлектрических преобразователей Пельтье.
Первая рабочая поверхность 14 первого блока 6 и второго блока 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье охлаждаются, а вторая рабочая поверхность 15 первого блока 6 и второго блока 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье нагреваются. Происходит перенос тепловой энергии из окружающей среды во внутреннее пространство дирижабля. Температура газа в пространстве дирижабля, ограниченного оболочкой 3 повышается, плотность газа уменьшается и подъемная сила увеличивается, что приводит к набору высоты. При необходимости менее интенсивного нагрева газа электрический сигнал появляется только на первом выходе 22 блока 10 управления. Этот сигнал поступает на информационный вход 16 первого коммутационного устройства 8 и вызывает подачу электрической энергии с его выхода 18 на первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье. В этом случае нагреваются только рабочие поверхности 15 первого блока 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье, от которых газ в пространстве дирижабля, ограниченного оболочкой 3, нагревается менее интенсивно.
При необходимости быстрого снижения высоты полета или посадки дирижабля на Землю полярность электрических сигналов, поступающих с первого выхода 22 и со второго выхода 23 блока 10 управления на информационный вход 16 первого коммутационного устройства 8 и на информационный вход 19 второго коммутационного устройства 9 соответственно меняется на противоположную. Изменяется полярность электрического напряжения, поступающего с выхода 18 первого коммутационного устройства 8 и с выхода 21 второго коммутационного устройства 9 на первый блок 6 и второй блок 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье соответственно. Первые рабочие поверхности 14 первого блока 6 и второго блока 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье нагреваются, вторые рабочие поверхности 15 первого блока 6 и второго блока 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье охлаждаются. Происходит перенос тепловой энергии из внутреннего пространства дирижабля, ограниченного оболочкой 3, в окружающую среду. Температура газа снижается, его плотность возрастает и подъемная сила уменьшается.
Аналогично при необходимости медленного уменьшения высоты полета дирижабля включаются только второй блок 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье, При этом первая рабочая поверхность 14 второго блока 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье нагревается, а вторая рабочая поверхность 15 охлаждается.
Таким образом, дирижабль имеет небольшую массу благодаря отсутствию в его конструкции компрессора, детандера, трубопроводов, теплообменников, вентилей, коробки перемены передач, а также других гидромеханических устройств. Система 5 создания подъемной силы осуществляет нагрев и охлаждение газа внутри пространства дирижабля, ограниченного оболочкой 3, за счет энергосберегающего переноса тепловой энергии из внешней среды во внутреннее пространство дирижабля, ограниченного оболочкой 3, или из этого пространства во внешнюю среду соответственно. Благодаря этому оказывается возможным как энергосберегающее увеличение, так и и уменьшение высоты полета дирижабля. Эффект энергосбережения при этом достигается благодаря тому, что затраты электроэнергии приходятся исключительно на обеспечение работоспособности первого и второго блоков 6 и 7 термоэлектрических преобразователей Пельтье. Преимуществом дирижабля также является отсутствие в нем зависимости работоспособности системы 5 создания подъемной силы от движителя 2 горизонтального перемещения, что обеспечивает возможность практически бесконечно продолжительного полета. Кроме того, первый блок 6 термоэлектрических преобразователей Пельтье обеспечивает отвод тепловой энергии от фотоэлектрических элементов 4, предотвращая их перегрев при ярком солнце и значительном потребляемом токе. Незначительное увеличение массы дирижабля и обусловленное им повышение расхода энергии на взлет при размещении фотоэлектрических элементов 4 на внешней поверхности оболочки 3 над экваториальной линией с запасом компенсируется существенным увеличением количеством электрической энергии, получаемой в результате преобразования солнечной энергии в электрическую форму. Благодаря размещению блоков термоэлектрических преобразователей 6 и 7 Пельтье на всей внутренней поверхности оболочки 3 снижается инерционность изменения температуры гелия, что сокращает продолжительность вертикального маневрирования дирижабля.