ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Воздухоплавательный аппарат относится к технике воздухоплавания, содержащих газ легче воздуха, и может быть использован для подъема людей, грузов, а также радиоизмерительной, приемо-передающей и прочей электронной аппаратуры над поверхностью Земли при мониторинге наземных технологических процессов, а также при ретранслировании радиосигналов.
Известен привязной тепловой аэростат с подогревом по электрическому кабелю с Земли по патенту № RU 2632551 С1 (МПК В64В 1/50 (2006.01), В64В 1/62 (2006.01), опубл. 05.10.17), содержащий оболочку с теплоизолирующим слоем, нагреватель с вентилятором, электрически управляемый клапан сброса теплого воздуха в верхней части оболочки и систему электропитания.
Недостатками данного аэростата являются сложность его горизонтального перемещения вдоль поверхности Земли вследствие наличия электрического кабеля, а также значительные затраты энергии, необходимой для нагрева воздуха.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемой полезной модели является воздухоплавательный аппарат по патенту № RU 2643067 С1, (МПК В64В 1/40 (2006.01), В64В 1/62 (2006.01), опубл. 30.01.18), содержащий оболочку, заполненную газом легче воздуха, расположенный в полости оболочки электронагревательный прибор, прикрепленную снизу к оболочке гондолу с установленным в ней аккумулятором электрической энергии для подключения его к электронагревательному прибору, при этом электронагревательный прибор и аккумулятор соединены электрическим кабелем с возможностью разъединения.
Основными недостатком известного воздухоплавательного аппарата являются высокая инерционность управления, проявляющаяся в длительном вертикальном маневрировании, а также большие энергетические затраты на нагрев газа. Эти недостатки объясняются следующим образом.
В соответствии с законом Архимеда при заполнении внутреннего пространства оболочки газом, легче воздуха, на воздухоплавательный аппарат будет действовать подъемная сила:
в
3
где ρ - плотность воздуха, кг/м;
3
ρ - плотность газа, кг/м;
2
g - ускорение свободного падения, g=9,81 м/см;
3
V - объем газа, м.
При соответствующем выборе объема используемого газа для создания требуемой подъемной силы воздухоплавательный аппарат начнет подниматься над поверхностью Земли. Вследствие изменения плотности воздуха по мере набора высоты полета подъемная сила уменьшается, и движение воздухоплавательного аппарата в вертикальном направлении прекратится. К прекращению подъема или даже к снижению высоты полета может также привести утечка газа через разгерметизированную оболочку вследствие ее старения или механического повреждения. При необходимости продолжения подъема воздухоплавательного аппарата, а также при необходимости продолжения полета на набранной высоте или обеспечения снижения с допустимым ускорением, производят вертикальное маневрирование. Вертикальное маневрирование в известном изобретении достигается искусственным уменьшением плотности газа за счет повышения его температуры. При этом нагрев газа осуществляется локально, в точке подведения тепловой энергии, то есть в месте расположения электронагревательного прибора. Прогрев всего объема газа происходит за счет конвективного теплообмена нагретого и холодного газовых слоев, а также вследствие теплопроводности газа. Этот процесс является продолжительным и энергозатратным.
Повышенное потребление энергии сокращает продолжительность автономной работы воздухоплавательного аппарата от аккумулятора электрической энергии, снижает удобство эксплуатации и повышает затраты, обусловленные их заменой или зарядкой.
Имеющийся в известном устройстве отражатель тепловой энергии не обеспечивает равномерное распределение теплоты по всему объему нагреваемого газа, поскольку отраженный поток сконцентрирован только в одном направлении. Более того, предложенное в известном устройстве расположение отражателя препятствует распространению тепловой энергии в области, заключенной между пассивной стороной отражателя и оболочкой воздухоплавательного аппарата.
Кроме того, в известном техническом решении невозможна автоматическая стабилизация высоты полета, так как в нем не предусмотрен контроль за температурами внутри и снаружи воздухоплавательного аппарата, соотношение которых определяет величину возникающей подъемной силы.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является улучшение управляемости воздухоплавательного аппарата, в частности, снижения инерционности при вертикальном маневрировании, проявляющегося в сокращении продолжительности нагрева газа для увеличения подъемной силы, и уменьшения энергозатрат при его осуществлении, а также автоматическую стабилизацию высоты полета.
Технический результат достигается тем, что воздухоплавательный аппарат, содержащий оболочку, заполненную газом, легче воздуха, и размещенные внутри нее электронагревательный прибор и отражатель тепловой энергии, а снаружи - гондолу с аккумулятором электрической энергии, дополнительно оснащен блоком управления, расположенным в гондоле и имеющим первый, второй и третий информационные входы, задатчиком высоты полета, первым и вторым датчиками температуры и кронштейнами из диэлектрического термостойкого материала, размещенными внутри оболочки и прикрепленными к ее внутренней поверхности, при этом электронагревательный прибор выполнен в виде проволочной обмотки, заполняющей внутреннее пространство оболочки и закрепленной на кронштейнах, а витки обмотки не соприкасаются между собой и с оболочкой, аккумулятор электрической энергии через блок управления подсоединен к электронагревательному прибору, задатчик высоты полета установлен в гондоле и подключен к третьему информационному входу блока управления, первый датчик температуры расположен снаружи воздухоплавательного аппарата и подключен к первому информационному входу блока управления, второй датчик температуры установлен внутри воздухоплавательного аппарата и подключен ко второму информационному входу блока управления, при этом отражатель тепловой энергии выполнен в виде теплоотражающей пленки, нанесенной на внутреннюю поверхность оболочки.
На фиг. 1 представлена функциональная схема воздухоплавательного аппарата, на фиг. 2 - общий вид электронагревательного прибора.
Воздухоплавательный аппарат содержит газонепроницаемую оболочку 1, заполненную газом, легче воздуха, например, гелием, с размещенным внутри нее электронагревательным прибором 2. Электронагревательный прибор 2 представляет собой проволочную обмотку 3, выполненную из металлического или сплавного провода, например, нихрома, манганина, константана и др., с большим удельным сопротивлением. Обмотка 3 электронагревательного прибора 2 заполняет внутреннее пространство оболочки 1 и закреплена на кронштейнах 4, выполненных из легкого, диэлектрического термостойкого материала, например, текстолита. Кронштейны 4 прикреплены к внутренней поверхности оболочки 1. Витки обмотки 3 не соприкасаются между собой и с оболочкой 1 воздухоплавательного аппарата.
На внутренней поверхности газонепроницаемой оболочки 1 (возможно, на всей внутренней поверхности оболочки 1) размещен отражатель 5 тепловой энергии, выполненный в виде теплоотражающей пленки, например, из фольги, тонкослойной фольгированной базальтовой ваты, изолона и др.
Снаружи воздухоплавательного аппарата, в нижней его части, расположена гондола 6, в которой размещены аккумулятор 7 электрической энергии и блок 8 управления. В качестве блока 8 управления можно использовать процессор, полупроводниковую или релейно-контактную схему, а также типовой регулятор с дискретно-нелинейной статической характеристикой. При этом аккумулятор 7 электрической энергии через блок 8 управления соединен с электронагревательным прибором 2. Блок 8 управления имеет первый информационный вход 9, второй информационный вход 10 и третий информационный вход 11. Внутри гондолы 6 расположен задатчик 12 высоты полета, подключенный к третьему информационному входу 11 блока 8 управления. Задатчик 12 высоты полета представляет собой устройство, перестраиваемое вручную (например, переменный резистор, переменный конденсатор или катушку с переменной индуктивностью) или дистанционно, посредством радиосигнала (например, радиоприемный блок с управляемым сопротивлением, выполненным на основе полупроводниковых приборов).
Снаружи воздухоплавательного аппарата расположен первый датчик 13 температуры, соединенный с первым информационным входом 9 блока 8 управления. Внутри воздухоплавательного аппарата, непосредственно в газовой среде, расположен второй датчик 14 температуры, соединенный со вторым информационным входом 10 блока 8 управления. В качестве датчиков 13 и 14 температуры могут быть использованы, например, полупроводниковые терморезисторы или другие термочувствительные элементы.
Воздухоплавательный аппарат работает следующим образом.
Перед началом полета производится зарядка аккумулятора 7 электрической энергии и заполнение внутреннего пространства газонепроницаемой оболочки 1 газом. С помощью задатчика 12 высоты полета оператор вручную (внутри гондолы 6) или дистанционно (с Земли), с помощью радиоприемного блока, устанавливает требуемую высоту полета воздухоплавательного аппарата. При этом информация о требуемой высоте полета поступает с задатчика 12 высоты полета на третий информационный вход 11 блока 8 управления. Информация о температуре окружающей среды с первого датчика 13 температуры поступает на первый информационный вход 9 блока 8 управления. Одновременно информация о температуре газа внутри газонепроницаемой оболочки 1 подается со второго датчика 14 температуры на второй информационный вход 10 блока 8 управления.
В блоке 8 управления определяется разность температур газа внутри воздухоплавательного аппарата и окружающего воздуха, соответствующая разности сигналов на его втором информационном входе 10 и первом информационном входе 9. Далее, в блоке 8 управления, сформированная разность в виде электрического сигнала сравнивается с сигналом, поступающим на его третий информационный вход 9, и соответствующим требуемой высоте полета. Сравнение сигналов производится их вычитанием. При величине разности сравниваемых сигналов, превышающей установленный порог срабатывания, происходит переключение блока 8 управления, обеспечивающее подачу питания от аккумулятора 7 электрической энергии к электронагревательному прибору 2.
Электрический ток протекает по виткам проволочной обмотки 3 электронагревательного прибора 2, выделяя тепловую энергию и нагревая газ внутри газонепроницаемой оболочки 1. Благодаря креплению проволочной обмотки 3 на кронштейнах 4 электронагревательный прибор 2 может занимать любой объем (вплоть до полного) газонепроницаемой оболочки 2. Тепловая энергия, выделяемая при прохождении электрического тока по виткам проволочной обмотки 3, отражается отражателем 5 тепловой энергии. Поскольку отражатель 5 тепловой энергии размещен на значительной (вплоть до полной) внутренней поверхности газонепроницаемой оболочки 1, отражение тепловой энергии осуществляется практически со всех точек электронагревательного прибора 2. Это отражение происходит многократно, благодаря чему повышается эффективность нагрева газа. Таким образом, при включении электронагревательного прибора 2 газ нагревается быстро и равномерно. Нагрев газа приводит к уменьшению его плотности, что, в соответствии с зависимостью (1) увеличивает подъемную силу, и воздухоплавательный аппарат поднимается вверх.
При уменьшении сигнала, соответствующего отклонению разности температур газа и окружающей среды от величины сигнала, соответствующего требуемой высоте полета, подача электрической энергии к электронагревательному прибору 2 прекращается. Газ внутри газонепроницаемой оболочки 1 остывает, его плотность увеличивается, воздухоплавательный аппарат опускается вниз.
Таким образом, за счет изменения подъемной силы происходит быстрая стабилизация высоты полета воздухоплавательного аппарата. При необходимости осуществления вертикального маневрирования необходимо вручную или дистанционно воздействовать на задатчик 12 и изменить величину сигнала, поступающего на третий информационный вход 11 блока 8 управления.
Сокращение продолжительности вертикального маневрирования происходит за счет одновременного прогрева всего объема газа внутри оболочки 1. При этом исключается необходимость в затратах времени на конвективный прогрев или на теплообменные процессы газа во всех точках внутреннего пространства воздухоплавательного аппарата. Вследствие сокращения продолжительности нагрева газа снижается инерционность вертикального маневрирования, а также сокращаются тепловые потери за время работы электронагревательного прибора 2, что сокращает затраты электрической энергии. Кроме того, затраты электрической энергии уменьшает расположенный на внутренней поверхности оболочки 1 отражатель 5 тепловой энергии. Наличие задатчика 12 высоты полета и датчиков 13 и 14 температуры снаружи и внутри воздухоплавательного аппарата, подключенных к информационным входам блока 8 управления, позволяет автоматически учитывать разность температур газа и окружающей среды и корректировать высоту полета за счет управления подачей питания, на электронагревательный прибор 2.