Привязной аэростат с автожирным винтом стабилизатором
TETHERED BALLOON WITH THE AUTOGYRO SCREW STABILISER

Изобретение относится к авиации, в частности к воздухоплаванию, а именно к устройству привязных аэростатов.
Привязной аэростат использует аэростатическую силу подъемного газа (гелий, водород) и предназначен для подъема полезной нагрузки с удержанием ее при помощи привязного троса на заданной высоте стоянки расчетное время. Привязной трос одним концом закреплен в узле привязи аэростата, а другим - на барабане лебедки, установленной на земле. Аэростат включает корпус мягкой конструкции, узел привязи троса, такелаж и хвостовое оперение в виде боковых и вертикальных стабилизаторов, которые чаще всего выполняются воздухонаполненными с толстым профилем сечения. Хвостовое оперение придает аэростату устойчивость в набегающем воздушном потоке и включено в систему его стабилизации по углу дифферента таким образом, что при всех эксплуатационных значениях скорости набегающего потока угол дифферента изменяется незначительно.
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, АЗ-55, МАРК-VII) и др.
По конструкции планы оперения привязных аэростатов выполняются с жестким каркасом (каркасные) или мягкими воздухонаполненными. Большинство привязных аэростатов проектируются с воздухонаполненным оперением, несмотря на повышенное аэродинамическое сопротивление, которое оно оказывает набегающему потоку. Характеристикам оперений аэростатов, в том числе боковых стабилизаторов, в разные годы был посвящен ряд исследований, проведенных в ЦАГИ (например, Халепский Б.И. «Аэродинамические характеристики новых схем оперения». Отчет ЦАГИ, 1949 г., Халепский Б.И. «Характеристики аэростатов новых аэродинамических схем». Отчет ЦАГИ, 1949 г., Засолов Р.А. «Аэродинамические характеристики модели аэростата с несколькими вариантами хвостового оперения». Отчет ЦАГИ 1981 г. и др.)
В качестве прототипа выбран привязной аэростат с боковыми воздухонаполненными стабилизаторами (Халепский Б.И. «Аэродинамические характеристики новых схем оперения». Отчет ЦАГИ, 1949 г. Стр. 25. Фиг. 4). Прототип имеет ряд недостатков, основными из которых являются:
- большие поперечные габариты аэростата;
- затрудненность операций укладки и транспортировки;
- повышенное аэродинамическое сопротивление набегающему потоку;
- повышенные риски повреждений на земле при обслуживании;
- дополнительные затраты при изготовлении;
- излишняя масса.
Задачей изобретения является создание конструкции горизонтального стабилизатора хвостового оперения, в которой устраняются перечисленные недостатки или уменьшаются последствия их проявления.
Задача изобретения решается тем, что предложено использовать рационально скомпонованный на привязном аэростате автожирный винт, создающий относительно его центра тяжести такие же стабилизирующие моменты, какие у известных привязных аэростатов создаются неподвижными боковыми стабилизаторами.
Полученный технический результат характеризуется следующими существенными признаками:
- привязной аэростат снабжен автожирным винтом, создающим стабилизирующие моменты в вертикальной плоскости, при этом ось вращения упомянутого винта закреплена на вершине вертикального стабилизатора;
- ось вращения автожирного винта закреплена на вершине вертикального стабилизатора с возможностью регулировки положения оси в вертикальной плоскости с целью изменения угла атаки ометаемой плоскости винта по отношению к набегающему потоку.
На Фиг. 1 показана схема привязного аэростата с автожирным винтом, выполняющим функции боковых стабилизаторов.
Устройство привязного аэростата по Фиг. 1 включает:
Корпус аэростата (1), в хвостовой части которого расположен вертикальный стабилизатор (2). В вершину вертикального стабилизатора (2) под углом установки встроена ось (3), на которую смонтирован узел вращения втулки автожирного винта (4). Линия тяги (ЛТ) автожирного винта отстоит от центра тяжести (ЦТ) аэростата на расстоянии плеча (L2). По сравнению с плечом (L1) центра давления (ЦД) замененных боковых стабилизаторов (6) плечо (L2) больше на 35-45% в зависимости от конструктивного исполнения. В узле привязи (5) закреплен привязной трос. Узел привязи (5) связан с корпусом (1) системой строп и имеет расчетное положение относительно центра объема (ЦО). W - скорость воздушного потока, набегающего на аэростат и автожирный винт. α - угол дифферента аэростата. αв - угол атаки ометаемой плоскости винта по отношению к набегающему потоку.
Устройство привязного аэростата с автожирным винтом вместо неподвижных боковых стабилизаторов работает следующим образом (Фиг. 1).
При сдавании троса с лебедки на подъем и на высоте стоянки воздушный поток обтекает корпус аэростата и хвостовое оперение 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 угол атаки ометаемой площади винта αв может быть равен углу дифферента α или иметь значение несколько больше, с учетом угла установки оси вращения и угла завала конуса винта. При нарушении равновесия, т.е. при изменении угла дифферента под воздействием внешних возмущений, изменяются угол атаки ометаемой площади винта αв и его тяга в направлении парирования этих возмущений на плече L2. Таким образом, автожирный винт функционально работает точно так же, как неподвижные боковые стабилизирующие поверхности у известных привязных аэростатов, причем для получения необходимых стабилизирующих сил и моментов достаточно использовать двухлопастный автожирный винт с качающейся втулкой на общем горизонтальном шарнире. Это позволяет получить очень легкую и простую конструкцию винта, не требующую организации специального управления. Поперечные габариты привязного аэростата с автожирным стабилизатором уменьшаются до диаметра миделевого сечения корпуса (1). Облегчается его укладка и упаковка в транспортный контейнер. Благодаря меньшему весу автожирного модуля, на 7-10% уменьшается взлетный вес аэростата и на столько же увеличивается его статический потолок.
Использование автожирного винта в составе горизонтального оперения привязного аэростата имеет ряд преимуществ. К ним относятся:
1. Хорошее аэродинамическое качество (К=5,5-7).
2. Меньший примерно на 45% объемный коэффициент лобового сопротивления.
3. Способность быстро гасить дестабилизирующие моменты от порывов ветра на корпусе дирижабля (пониженная чувствительность автожирного винта к болтанке).
4. Отсутствие срывных режимов обтекания диска при всех углах притекания воздушного потока, включая рабочие углы атаки α=0-90 градусов.
5. Отсутствие на корпусе аэростата реактивного момента (трение качения в подшипниках на учитывается).
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 влияют на аэродинамические характеристики всего винта.
3. В конструкцию узла вращения необходимо встраивать муфту блокировки обратного хода, предотвращающую обратную раскрутку винта.
4. Затрудненный доступ к высокорасположенному винту при обслуживании, если нет возможности наклонять корпус аэростата в боковом направлении.
Предложенное устройство привязного аэростата, в котором для решения задачи изобретения использован автожирный винт, позволило:
- уменьшить поперечные габариты аэростата до диаметра миделевого сечения;
- упростить операции укладки и транспортировки;
- примерно на 45% уменьшить объемный коэффициент лобового сопротивления бокового оперения;
- уменьшить риски повреждений на земле при обслуживании;
- исключить затраты на проектирование и изготовление неподвижных боковых стабилизаторов;
- уменьшить на 7-10% взлетную массу и настолько же увеличить статический потолок аэростата.