Летательный аппарат с электростатическим генератором
AIRCRAFT WITH AN ELECTROSTATIC GENERATOR

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к производству электрической энергии, и может применяться при создании электростатических генераторов, используемых для снабжения постоянным электрическим током летательных аппаратов.
Известен генератор постоянного тока, основным элементом которого является вращающаяся роторная система, называемая якорем, в магнитном поле постоянного магнита или, почти всегда, электромагнита, называемого индуктором, а в целом - статором. При этом механическая энергия якоря-ротора преобразуется под влиянием переменного магнитного поля, создаваемого статором, в электрическую энергию в последовательно соединенных замкнутых проводниках, называемых индукционными контурами или рамками, так как при повороте рамок изменяется напряженность магнитного поля, а следовательно, и магнитный поток, пронизывающий каждую из рамок. В рамках возникает индукционный ток, который через скользящие контактные кольца отводится потребителю. Большое число рамок дает возможность в генераторе получить постоянный ток. Постоянный ток в сфере деятельности человека необходим, но преимущественно в быту и на производстве используется переменный ток. Получение постоянного тока в генераторе оказывается более выгодным и удобным в сравнении с выпрямлением переменного тока. Устройство генераторов переменного тока достаточно сложное, так как индукционная обмотка устанавливается неподвижно, то есть, становится статором, а магниты, создающие магнитное поле, вращаются. Привод ротора генератора осуществляется с помощью паровой, газовой или гидравлической турбины, двигателя внутреннего сгорания и др. Определенный интерес представляют конструкции генераторов малой мощности, в которых в качестве индукторов применяют постоянные магниты, например, так называемые «магнето», используемые в некоторых типах двигателей внутреннего сгорания для зажигания горючей смеси [Элементарный учебник физики под редакцией Г.С. Ландсберга, том II. Электричество и магнетизм. М., 1969 г., 528 стр.].
В летательном аппарате электрический ток получают в индукционном генераторе постоянного тока, ротор которого приводится во вращательное движение от аккумулятора. Постоянный ток преобразуется в переменный, используемый в летательном аппарате для собственных нужд.
Недостатком генераторов постоянного и переменного электрического тока является невозможность использования конструкций этих машин в качестве электростатического генератора на летательном аппарате в условиях полетного режима.
Известен термоэлектрический генератор, в котором производство электрической энергии основано на использовании термоэлектрического эффекта Зеебека. Сущность эффекта состоит в следующем. Если спаять концы двух разнородных проводников или полупроводников и далее, если один из спаев нагреть, то при разности температур спаев в замкнутом контуре возникает разность потенциалов. Объясняется это тем, что при наличии перепада температур по длине проводника возникает направленное движение электронов от горячего спая к холодному. Следствием этого является образование избытка отрицательных зарядов у холодного спая и избытка положительных зарядов у горячего. В термоэлементе, замкнутая цепь которого состоит из двух электродов с разными концентрациями электронного газа и температурами спаев, возникает электрический ток. Термоэлектрический эффект Зеебека, таким образом, использован для производства электроэнергии в термоэлектрическом генераторе [Демидченко В.И. Физика. Учебник. В.И. Демидченко, И.В. Демидченко. - 6-е изд., перераб. и доп. - М. ИНФРА-М, 2020. - 581 с.].
Недостатком термоэлектрического генератора является низкий коэффициент полезного действия, равный 3-12%, трудность использования источников нагрева одного из спаев, в том числе энергетического потенциала радиоактивного изотопа; полная неясность конструктивного использования в термоэлектрическом генераторе высокой концентрации свободных электронов в потоке направленно движущихся по всей поверхности летательного аппарата к его хвостовой части.
Кроме описанных, механического и термоэлектрического источников электрической энергии, известны так же химический, фотоэлектрический, пьезоэлектрический и другие. Разработаны устройства для их использования. Но существует еще статический вид электрической энергии, возникающий при трении двух сред, что имеет место, например, при полете летательного аппарата в атмосфере Земли, когда происходит опасное накопление электрических зарядов на его корпусе. Этот процесс называют электризацией. В заявляемом изобретении наэлектризованный корпус летательного аппарата рассматривается в качестве энергетического источника.
Задачей изобретения является технологическая разработка электростатического генератора, способного к преобразованию статического электричества в виде потока свободных электронов на поверхности летательного аппарата, появляющихся при электризации трением от контакта обшивки летательного аппарата, находящегося в полете, с атмосферным воздухом, в постоянный электрический ток в электростатическом генераторе.
Техническим результатом является технологический проект конструкции электростатического генератора постоянного тока способного преобразовать энергетический потенциал потока свободных электронов, движущихся на всей поверхности вдоль продольной оси летательного аппарата, находящегося в полете, в направлении хвостовой части, в электрический ток, используемый для нужд летательного аппарата.
Технический результат достигается тем, что беспомеховое стекание свободных электронов с поверхности летательного аппарата в атмосферу не будет производиться через пассивные электростатические разрядники, установленные в местах с хорошим обдувом потоком воздуха и наибольшей поверхностной плотностью электронов, так как они заменены медными проводниками в изоляции, по которым электроны, потерявшие статус свободных и ставшие электронами проводимости, начнут поступать в электрическую цепь электростатического генератора постоянного тока.
Процесс электризации летательного аппарата обусловлен накоплением отрицательных электрических зарядов на корпусе и элементах конструкции при полете летательного аппарата в атмосфере. Причиной электризации является трение летательного аппарата о воздух и всевозможные механические частицы, находящиеся в атмосфере. Определенный вклад в электризацию поверхности самолета вносит термическая ионизация воздушной среды высокотемпературным потоком продуктов сгорания от его двигателей. Величина электрического заряда при электризации движущегося летательного аппарата зависит от физических характеристик атмосферы, конструкционного материала и состояния его поверхности, режимов полета и работы двигателя. Интенсивность электризации пропорциональна скорости самолета в третьей степени. Разность потенциалов между летательным аппаратом в полете и окружающей средой достигает 1-1,5 MB. При таких значениях разности потенциалов возникает искрение в местах с переменным электрическим контактом и в полых объемах. Разряды и искрения создают широкополосные помехи, затрудняющие работу радиосистем. Электризация летательного аппарата может явиться причиной поражения электрическим током людей, касающихся корпуса аппарата после полета до его заземления. По толщине металлического корпуса летательного аппарата, в равных количествах всегда находятся на наружной поверхности отрицательные электрические заряды, в центральной части корпуса - положительные. Положительные заряды сосредоточены в положительных ионах, отрицательные - в свободных и оторванных, при трении воздушного потока о поверхность летательного аппарата, электронах. У проводников электрический заряд располагается только по поверхности и при этом распределяется неравномерно в отличии от диэлектриков. В искривленных местах проводника плотность заряда стремится к максимуму. На остриях и кромках горизонтальной поверхности и хвостового оперения летательного аппарата плотность заряда становится настолько большой, что заряды начинают стекать в атмосферу - так называемый эффект острия. Этот процесс стимулируют тем, что в местах искривления летательного аппарата: на двух концевых кромках крыла, хвостового оперения, килевом гребне устанавливают в основном пассивные электростатические разрядники, заканчивающиеся пучком тонкой проволоки. Плотность электронов на проволоке становится такой, что они улетают в никуда и уносят при этом значительную энергию. В металлах подвижностью обладают только отрицательные заряды - электроны. Трение набегающего воздушного потока зависит от скорости летательного аппарата и возможно электроны не только от своей «любви» к неровностям поверхности, а и под влиянием скользящего турбулентного потока, бегут вдоль продольной оси летательного аппарата по всей поверхности к его хвостовой оконечности. Задача авторов состоит в организации перемещения электронов по окончанию их пути в направленное движение и, следовательно, в получении электрического тока.
На фиг. 1 изображен фрагмент крыла летательного аппарата, воображаемого в виде виртуальной металлоконструкции, с электростатическим генератором постоянного тока; на фиг. 2 представлена электрическая схема электростатического генератора постоянного тока.
Летательный аппарат, воображаемый в виде виртуальной металлоконструкции 1 с электростатическим генератором постоянного тока, который содержит токосъемники 2, установленные в местах с максимальной поверхностной плотностью электронов, например, на фрагментах левой и правой консолей крыла 3, проводники в изоляции 4 и диоды 5, объединяемые в узле 6 в единый проводник 7 генератора, конденсатор накопительный 8, конденсатор разделительный 9.
Летательный аппарат с электростатическим генератором постоянного тока функционирует следующим образом. В результате трения между поверхностью летательного аппарата и воздухом, происходит электризация поверхности, что сопровождается накоплением отрицательных электрических зарядов на корпусе и элементах конструкции при полете летательного аппарата. Стекание свободных электронов с поверхности летательного аппарата производится в местах с хорошим обдувом потоком воздуха и наибольшей поверхностной плотностью электронов: на килевом гребне, левой и правой консолях горизонтального хвостового оперения и крыла 3, на одном из которых, как показано на фиг. 1 и 2, происходит стекание электронов. Здесь начинается электрическая цепь электростатического генератора постоянного тока. Стекающие электроны, в виде потока, улавливаются токосъемниками 2, которых на конструкции летательного аппарата не менее пяти. Все токосъемники, с помощью проводников в изоляции 4, через диоды 5, объединены гальванически узлом 6 в единый проводник 7 с одним из выводов конденсатора накопительного 8. Электроны, уловленные токосъемниками, утрачивают статус свободных и становятся электронами проводимости. Организованное движение электронов является электрическим током, который проходит через диоды 5 и поступает на пластину накопительного конденсатора 8, на которой накапливается отрицательный заряд. Диоды в цепи каждого из токосъемников исключают перетекание электронов с одного токосъемника на другой, а так же ограничивают возможность разряда накопительного конденсатора 8 в сторону токосъемников, а так же возможность «перетоков» между токосъемниками. Заряд положительной пластины накопительного конденсатора 8 формируется через разделительный конденсатор 9 от металлоконструкций летательного аппарата, которые имеют надежную гальваническую связь между собой. Накопительный конденсатор 8 выполняет функцию аккумулятора электрической энергии и является источником электроснабжения постоянного тока, который востребован в военной и легкомоторной авиации, как дополнительный аварийный источник электрической энергии для наиболее ответственных потребителей в случаях отказов в системах электроснабжения летательных аппаратов. Разделительный конденсатор 9 предназначен для гальванической развязки положительного полюса электростатического генератора с металлоконструкциями (массой) летательного аппарата.