ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ
TETHERED AEROSTAT

Устройство применяется в воздухоплавании для подъема и удержания на заданной высоте специального оборудования различного назначения.
Изобретение касается внешней поверхности газовой оболочки аэростатов, зависающих в воздухе и связанных с помощью привязных тросов с наземной причальной тумбой.
Чаще всего привязные аэростаты используются для ведения с высоты видео наблюдений и фотосъемки, получения метеорологических данных о состоянии приземной атмосферы, размещения ретрансляционного и пр. оборудования. За последнее время возникло перспективное направление практического применения аэростатной техники в ветроэнергетике воздушного базирования, при которой ветросиловые турбины и генераторы доставляются на высоту скоростных ветров и производят из возобновляемого энергетического источника электроэнергию промышленных мощностей, которых невозможно достигнуть устройствами наземного базирования на территориях слабо продуваемых низовыми ветрами за пределами морских побережий и шельфов.
При использовании в практикуемых и планируемых целях, как правило, является обязательным условием стабильное зависание аэростата на заданной высоте при незначительных отклонениях его в стороны от наземной причальной тумбы. Однако из-за парусности аэростатов, в большей мере с оболочками в виде шара (патент RU 2046734 С1, 13.06.1991) и в меньшей степени для аппаратов с сигарообразными оболочками (патенты US 2009/0152391 А1, 18.06.2009, фиг. 4; KR 2012/0013682 А, 15.02.2012, фиг. 2) это условие исполнимо лишь в случаях полного безветрия. При ветряной погоде напор воздуха на аэростаты принуждает их терять высоту, отдаляться в сторону от наземной причальной тумбы на расстояния, равные длине привязных тросов, а при сильном ветре их напор способен прибить аппарат к земной поверхности.
Известно, что в в целях устранения упомянутого недостатка привязных аэростатов их оболочки заполняются легким газом в объеме существенно превышающим объем, необходимый для подъема в воздух самого аэростата и подвешенного к нему оборудования, что во много раз удорожает стоимость воздухоплавательной установки любого назначения. Для более рационального решения рассматриваемой проблемы применяются сторонние средства, в привязном аэростате (патент RU 2622314 С2, 14.06.2017) этим средством является автожирный винт в узле привязи троса, который однако может перерубить гибкие соединительные стропы и повредить обшивку аэростата. Более безопасные и эффективные средства становятся возможны в аппаратах, из состава которых исключены гибкие стропы и воздухоплавательные модули выполнены за одно целое, включая воздушно-винтовые электрические авиадвигатели переменной тяги, направленной против ветра. В аэростате ветроэнергетическом (патент RU 2662101 С1, 23.07.2018) авиадвигатели расположены на подветренной стороне шаровидной газовой оболочки, в аэроэнергостате (патент RU 2703863 С1, 22.10.2019) они размещаются в кормовой части воздухоплавательного модуля с газовой оболочкой сигарообразной формы. На работу автожирного винта расходуется энергия от стороннего источника, а авиадвигатели потребляют часть энергии, вырабатываемой собственным ветросиловым блоком. При этом за счет лучшей обтекаемости и меньшей парусности высотного модуля затраты энергии на работу авиадвигателей в аэроэнергостате снижены в 5-6 раз, ликвидируются смещения модуля при нормативных скоростях ветра от наземной причальной тумбы, непосредственно над которой модуль устойчиво зависает, опасность потери им высоты и удара об землю полностью устраняется. Между тем минимизация текущих издержек, включая материальные и энергетические затраты, для аэростатной техники сохраняет свою актуальность.
В составе информационного поиска решения задачи устранения смещений аэростатов и потери ими высоты под ветровым напором были рассмотрены изобретения в части, касающейся состава и структуры обшивки газовых оболочек, прежде всего со стороны их внешних поверхностей, аэродинамические свойства которых могли бы быть соответствующим образом изменены. Однако установлено, что упомянутые поверхности подвергались изменением исключительно в иных целях. Так приспособление к дирижаблю (патент SU 14625, 31.03.1930) было направлено на борьбу с обледенением газовой оболочки, металлизированная баллонная материя (патент SU 47177 А1, 31.05.1936) способствует уменьшению утечки газа из аэростата, а оболочка дирижабля (патент SU 171738, 26.05.1965) служит увеличению ее жесткости и более равномерному распределению нагрузки.
В следствии итогов приведенного поиска среди техногенных решений, он был распространен на живую природу, в которой известно, что гидродинамические свойства наружного покрова большинства рыб повышаются за счет ее чешуйчатости, образуемой костными пластинами. Чешуя, при всем разнообразии костной конфигурации, всегда действует одинаково, а именно, улучшает обтекаемость тел в направлении их движения и ухудшает обтекаемость с противоположной стороны. Благодаря этому затраты энергии экономятся как при преодолении рыбами встречных течений, так и при плавании по течению. Данный позитивные эффекты достигаются тем, что передняя кромка каждой чешуи плотно прижата к телу рыбы, а задняя кромка приподнята, образуя шероховатость.
Сущность технического решения состоит в том, что на подветренном участка внешней поверхности сигарообразной газовой оболочки аэростата с помощью легких и гибких пластин имитируется чешуйчатое покрытие. Пластины состоят из неподвижной и подвижной частей, разделенных по линии сгиба в виде канавки. Неподвижная часть пластин обращены к носу аэростата, плотно прижата и склеена с внешней поверхностью газовой оболочки. Подвижная часть пластин обращена к корме аэростата, приподнята над поверхностью оболочки под изначально фиксированным острым углом, который увеличивается по мере возрастания силы ветра и сопротивления воздушной среды за кормой аэростата. Таким образом поверхность аэростатной оболочки со стороны ветра является хорошо обтекаемой, а с противоположной стороны обтекаемость ухудшена, при чем это ухудшение становится все большим с возрастанием скорости смещения аэростата в атмосфере, создавая усиливающееся сопротивление воздушной среды этому смещению.
Целью изобретения является уменьшение текущих издержек, материальных и энергетических, по преодолению нежелательных для привязных аэростатов с сигарообразными оболочками смещений от наземных причальных тумб, потерь аппаратами заданной высоты и столкновений с землей.
Поставленная цель достигается тем, что на подветренной стороне внешней поверхности аэростатной оболочки (для сигарообразных оболочек это участок от их поперечного сечения с максимальной площадью и до кормы аппарата), она в шахматном или ином оптимальном порядке покрыта легкими гибкими пластинами. Пластины имеют линию сгиба в виде канавки, направленной поперечно оси симметрии сигарообразной оболочки. До линии сгиба пластины сращены с оболочкой в неразъемные соединения, а за той же линией пластины не соприкасаются с оболочкой, выгнуты от оболочки так, что их подветренные кромки приподняты над поверхностью все той же оболочки с зазором. Минимальный размер этого зазора установлен высотой отбортовок на концах упомянутых кромок и первоначально зафиксирован рессорно-пружинными полосами, одним концом закрепленными на пластинах до линии их сгиба и надавливающих на пластины вторым свои концом за этой линией.
На фиг. 1 показан общий вид привязного аэростата с сигарообразной газовой оболочкой; на фиг. 2 - вид сверху на пластину чешуйчатого покрытия внешней поверхности газовой оболочки; на фиг. 3 - вид сбоку на ту же пластину при неподвижном зависании аэростата в воздухе; на фиг. 4 - вид сбоку на ту же пластину при смещении аэростата под действием ветрового напора.
Аэростат содержит сигарообразную газовую оболочку 1, связанную с наземной причальной тумбой 2 привязными тросами 3 и гибкими стропами 4. Чешуйчатое покрытие внешней поверхности сигарообразной газовой оболочки состоит из легких и гибких пластины 5, имеющих поперечную линию сгиба в виде канавок 6. Неразъемное соединение пластин с оболочкой осуществлено на участке пластин до линии сгиба. После этой линии пластины не сращены с оболочкой, а выгнуты от нее так, что их подветренные кромки благодаря концевым отбортовкам 7 образуют с оболочкой зазор минимально возможной высоты. Прижатие отбортовок к оболочке осуществляется рессорно-пружинными полосами 8, установленными сверху пластинах за одно целое до линии их сгиба
Чешуйчатое покрытие внешней поверхности сигарообразной газовой оболочки привязного аэростата работает следующим образом. При номинальной скорости ветра, когда аэростат неподвижно зависает в воздухе покрытие пластинами газовой оболочки с ее внешней стороны не оказывает существенного влияния на обтекаемость и парусность привязного аэростата. Нарастание скорости ветра выше нормативного значения создает напор на аэростат, который начинает смещаться по ветру в сторону от наземной причальной тумбы. Этому смещению приходится преодолевать сопротивление чешуйчатого покрытия на подветренной стороне аэростата, которое уже изначально существенно выше, чем имеет гладкая наветренная поверхность оболочки. По мере роста скорости ветра происходит дальнейшее ухудшение обтекаемости чешуйчатого покрытия, так как давление на подветренную часть пластин увеличивается и их подвижные кромки все более отходят от поверхности оболочки, все более наращивая шероховатость и ухудшая аэродинамику кормы аэростата. Рессорно-пружинные полосы в составе пластин служат для начальной фиксации подвижных частей чешуйчатого покрытия в положении минимального зазора к поверхности оболочки и для возврата к этой фиксации после уменьшения скорости ветра и ветрового напора до нормативных значений.
Таком образом настоящее чешуйчатое покрытие позволяет не увеличивая объем газонаполнения аэростатной оболочки сместить в большую сторону критические скорости ветра, при которых привязные аэростаты существенно смещаются от наземных причальных тумб и теряют высоту. При комплектации привязных аппаратов легче воздуха специальными авиадвигателями, поддерживающими их зависание над наземными причальными узлами, работа воздушно-винтовых машин потребует меньше энергии, текущие издержки на это сократятся.