АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
AEROSTATIC AIRCRAFT

Изобретение относится к управляемым аэростатическим летательным аппаратам, в частности к дирижаблям, преимущественно к дирижаблям, снабженным автономными системами и установками энергообеспечения, использующими как различные виды топлива, так и возобновляемые источники энергии, например, энергию Солнца.
Известны дирижабли с энергоустановками, преобразующими первичную энергию в механическую энергию движителя или электроэнергию. Применяются также различные энергоустановки, преобразующие тепловую (солнечную или ядерную) энергию в электрическую энергию. Значительный потенциал имеют атомные энергоисточники, которые выгодно использовать при постоянной нагрузке, в то время как управляемым аэростатическим летательным аппаратам требуется нагрузка, переменная по стадиям полета и задачам. Помимо грузовых задач, особенно в районах, удаленных от транспортных магистралей, такие аппараты в основные сферы применения включают: патрулирование, специальный контроль линий электропередач и трубопроводов, фото- и видеосъемка, спасательные операции, а также элитный туризм. Как видно из приведенного перечисления особенностей работы энергогенерирующих систем для дирижаблей, существует задача использования и потребления энергии и для изменения несущей способности дирижаблей при их эксплуатации. Таким образом, возникает задача создания энергоустановок и систем, способных обеспечивать аэростатические летательные аппараты приводом движителя, различными видами бортовой энергии, а также несущей подъемной силой в требуемом по условиям потребления неравномерном режиме.
Энергетический потенциал атомных и возобновляемых источников энергии решит геополитические проблемы, связанные с неравномерностью размещения природных месторождений органического топлива, а также приведет к заметному восстановлению природного экологического потенциала и улучшению состояния окружающей среды, что привлекает эти энергоресурсы и для управляемых аэростатических летательных аппаратов.
В частности, предложен дирижабль, включающий корпус, воздушную камеру, автономную энергосистему для производства электроэнергии и нагревания воздуха воздушной камеры, а также ядерный жидкосолевой реактор с трехконтурной системой отвода тепла, состоящей из оборудования контура циркуляции расплава топливной солевой композиции, контура циркуляции расплава промежуточного солевого теплоносителя и контура циркуляции газообразного теплоносителя. По второму варианту дирижабль включает дополнительно теплообменник расплав топливной солевой композиции - расплав промежуточного солевого теплоносителя. По третьему варианту дирижабль включает дополнительно воздушную камеру в теплоизолированном корпусе. По четвертому варианту дирижабль включает дополнительно теплообменник и воздушную камеру в теплоизолированном корпусе (патент РФ на изобретение №2408496, дата публикации 2000.12.20). Недостатком данного решения является высокая стоимость и низкая эффективность энергоснабжения дирижабля, что связано с большими затратами на создание и эксплуатацию многоконтурной системы отвода тепла от жидкосолевого реактора (до 1500 дол. США/кВт).
Аналогом предлагаемого технического решения является также высотный дирижабль, предложенный в патенте на изобретение №2376687 (дата публикации: 20.12.2009), в котором используется регенеративная энергоустановка, предназначенная для перемещения дирижабля в окружающей среде, содержащая солнечную батарею, электрический привод винта с блоком управления, электрически соединенный с солнечной батареей, электролизер, электрически соединенный электролиниями с солнечной батареей, электрохимический генератор, электрически соединенный электролиниями с блоком управления электрического привода винта, блоки хранения и подачи водорода и кислорода, пневматически соединенные с электрохимическим генератором и электролизером, блок хранения и подачи воды, гидравлически соединенный с электрохимическим генератором и электролизером, насос, отличающаяся тем, что в нее введены камера смешивания, камера сгорания, турбина, на валу которой установлены компрессор и электрогенератор, регенеративный теплообменник и теплообменник-влагоотделитель, в котором установлен датчик уровня воды, соединенный каналами управления с насосом, при этом выход кислорода из электрохимического генератора соединен с первым входом в камеру смешивания, второй вход в камеру смешивания соединен с первым выходом регенеративного теплообменника, выход из камеры смешивания соединен с первым входом в камеру сгорания, второй вход в камеру сгорания соединен с выходом водорода из электрохимического генератора, выход из камеры сгорания соединен с входом в турбину, выход из турбины соединен с первым входом регенеративного теплообменника, второй вход в регенеративный теплообменник соединен с выходом воздуха из компрессора, второй выход регенеративного теплообменника соединен с входом газа теплообменника-влагоотделителя, выход воздуха из теплообменника-влагоотделителя соединен с входом воздуха в компрессор, выход воды из теплообменника-влагоотделителя соединен через насос с блоком хранения и подачи воды, а выход электрогенератора электрически соединен электролиниями с блоком управления электрического привода винта. Недостатки такого решения - низкий КПД и высокая стоимость установки.
Более экономичное решение предложено в патенте РФ на изобретение №2390466 (дата публикации 27.05.2010), прототип, в котором аэростатический летательный аппарат содержит корпус, оболочку для несущего газа и энергетическую установку, выполненную в виде атомного реактора. Аппарат снабжен системой охлаждения активной зоны реактора и системой регулирования температуры несущего газа. Система охлаждения активной зоны реактора содержит теплообменник, первый контур охлаждения с циркуляционным насосом и второй контур охлаждения, предназначенный для отбора тепла от охладителя первого контура и снабженный циркуляционным насосом. Система регулирования температуры несущего газа выполнена в виде магистралей, снабженных циркуляционным насосом, подсоединенных к оболочке для несущего газа и проходящих через теплообменник. Недостатками данного решения являются относительно низкий КПД установки, связанный с необходимостью передачи тепловой энергии при использовании топливного раствора, высокая стоимость и необходимость дополнительного энергоисточника для нужд полезной нагрузки дирижабля.
Задачей изобретения является повышение мощности аппарата, дальности и крейсерской высоты полета, его общей энерговооруженности, экологической безопасности аппарата, возможности наземного применения для энергоснабжения надежности его работы, снижение стоимости доставки полезного груза, возможность применения возобновляемых природных источников энергии.
Поставленная задача решается тем, что
в аэростатическом летательном аппарате, содержащем подъемный баллонет и энергетическую установку, включающую нагреватель, аэростатический летательный аппарат снабжен несущим баллонетом, подъемный баллонет заполнен рабочим телом энергетической установки, расположенной в энергогондоле, включающей компрессор, нагреватель, турбину, силовую нагрузку, магистралями рабочего тела соединенной с подъемным баллонетом;
- несущий баллонет секционирован и снабжен средством изменения его объема;
- в качестве нагревателя выбран ядерный реактор или тепловой аккумулятор;
- в качестве рабочего тела выбран воздух, или гелий, или смесь гелия с водородом;
- подъемный баллонет снабжен средствами изменения его объема и теплообменником, охлаждаемым наружным воздухом;
- в качестве силовой нагрузки, соединенной с турбиной, выбран электрогенератор или движитель;
- контур, образуемый компрессором, нагревателем и турбиной, снабжен байпасным регулируемым контуром;
- компрессор механически соединен с турбиной.
На чертеже дана схема аппарата, где 1 - несущий баллонет, 2 - подъемный баллонет, 3 - контур рабочего тела, 4 - энергогондола, 5 - компрессор, 6 - нагреватель, 7 - турбина, 8 - силовая нагрузка, 9 - байпасный контур, 10 - трубопровод подвода рабочего тела.
Аэростатический летательный аппарат (дирижабль) содержит несущий баллонет 1, соединенный с подъемным баллонетом 2, содержащим газообразное рабочее тело, поток которого 3 выводится из подъемного баллонета 2 в энергогондолу 4, в которой поток по контуру рабочего тела 3 направляется в компрессор 5, затем в сжатом виде нагревается в нагревателе 6 и поступает в турбину 7, которая служит приводом как компрессора, так и силовой нагрузки 8. После срабатывания на турбине 7 теплосодержания, полученного в нагревателе 6, поток рабочего тела возвращается трубопроводом подвода рабочего тела 10 в подъемный баллонет 2. Часть поток рабочего тела после турбины поступает в байпасный контур 9, который замыкается на вход в компрессор 5.
3
В зависимости от выбранного рабочего тела (воздух, или, гелий или смесь гелия с водородом) давление на входе рабочего тела в энергогондолу 4 выбирается близким к атмосферному, а плотность рабочего тела в компрессоре 5 может быть различной: от 0.1 кг/м (смесь гелия с водородом) до 0.8 (нагретый воздух), что может вызывать отличия в конструкции баллонетов 1 и 2 аппарата и его энергогондолы 4. В частности, для рабочего тела повышенной плотности может быть увеличен объем несущего баллонета 1, создающего основную подъемную силу аппарата. В качестве нагревателя 6 может быть выбран ядерный реактор или тепловой аккумулятор, заряжаемый, например, солнечными панелями на обшивке баллонетов 1 и 2 или сбросным теплом различных устройств на борту аппарата, для чего нагреватель может быть также снабжен узлом регенеративного теплообмена (не показан). Для отбора рабочего тела из подъемного баллонета 2, например в варианте выполнения его в виде двухстенной полости, в него могут быть введены подводные и отводные сильфонные трубки. Двустенная полость подъемного баллонета 2 может также быть секционирована и оборудована средствами изменения объема, также выполненными в виде сильфонов, снабженных, например, механическим, пневмо- или гидравлическим приводом, а также теплообменником, охлаждаемым наружным воздухом, что позволит ускорить изменение скорости спускания аппарата, а также уменьшить работу сжатия рабочего тела в компрессоре 5 в режиме съема накопленной энергии в нагревателе 6, например в варианте выполнения его в виде теплового аккумулятора, или при расхолаживании ядерного реактора, используемого в качестве нагревателя 6.
В свою очередь байпасный контур 9 позволяет изменять нагрузку нагревателя 6 и турбины 7 без изменения расхода и температуры рабочего тела, подаваемого в подъемный баллонет 2 через трубопровод подвода рабочего тела 10. Такое техническое решение позволит независимо менять скорость подъема аппарата и мощность силовой нагрузки 8.
Для снижения температуры рабочего тела и/или его конденсации трубопровод подвода рабочего тела 10 может быть соединен с охлаждающей стороны с аккумулятором холода (не показан), накопление холода в котором может осуществляться за счет низких температур окружающей среды или применения холодильных машин компрессионного или абсорбционного типа (не показаны). Рационально накапливать холод в виде бинарных ледяных смесей, так называемого «жидкого льда» (смесь воды, спирта и ингибирующей коррозию присадки).
Кроме того, вход в турбину 7 и выход из компрессора 5 снабжены регулируемыми клапанами.
Принимая во внимание возможную неравномерность подвода тепловой энергии, например при использовании возобновляемых источников, таких как солнечная энергия, нагреватель 6 может быть подключен к дополнительному аккумулятору тепла, который в свою очередь рационально выполнить в виде герметичной теплоизолированной емкости, заполненной теплоаккумулирующим веществом: жидким, например водой или маслом, или твердым, например солями и оксидами щелочных и щелочно-земельных металлов, а также минералами с высокой теплоемкостью.
Работает данный аэростатический летательный аппарат (дирижабль) следующим образом на трех основных режимах: подъем, крейсерский и спуск. При нахождении аппарата на земле, в период наземной подготовки, производят заправку баллонетов 1 и 2 газовой средой, в частности подавая в подъемный баллонет 2 рабочее тело, например смесь гелия и водорода, хранящуюся в аккумуляторе рабочего тела, например, в изотермической типовой емкости при температуре -35°C и давлении 12 МПа, подачу ведут с нагревом до температуры окружающей среды в магистраль подвода рабочего тела 10 с предварительным дросселированием рабочего тела до окружающего давления. Перед подъемом поток рабочего тела 3 подают на вход компрессора 5, где сжимают, например, до давления 0.35 МПа, а затем в нагреватель 6, в котором при температуре, например, до 300°C нагревают, например, за счет аккумулированной тепловой энергии.
В режиме подъема нагретый поток рабочего тела 3 подают из нагревателя 6 на вход турбины 7, где рабочее тело расширяют до давления 0.1 МПа и температуры 70°C, после чего подают в магистраль подвода рабочего тела 10. Нагретое рабочее тело низкой плотности заполняет подъемный баллонет 2, что совместно с несущим баллонетом 1 позволяет обеспечить подъем дирижабля на крейсерскую высоту, где аппарат переходит в крейсерский режим, при котором энергия нагревателя 6, срабатываемая рабочим телом в турбине 7, используется в основном для привода силовой нагрузки 8, расходуемой на преодоление аэродинамического сопротивления воздуха (привод движителя, например винта) и обеспечение собственных нужд аппарата и его полезной нагрузки. В качестве силовой нагрузки 8 может использоваться электрогенератор, винт аппарата, маховик.
Изменяя температуру рабочего тела, регулируют подъемную силу, создаваемую подъемным баллонетом 2, тем самым управляя положением аппарата по высоте, что позволяет в широких пределах менять крейсерские режимы и обходиться без балласта.
При спуске аппарата включается байпасный контур и байпасный поток 9 возвращает поток рабочего тела на вход в компрессор, минуя подвод рабочего тела 10.
В этом режиме могут использоваться как охлаждение рабочего тела окружающим аппарат воздухом в подъемном баллонете 2, например продувая воздух между стенками оболочки, так и механизм уменьшения объема подъемного баллонета 2, при котором механическим приводом сжимают оболочку подъемного баллонета 2, что позволяет за счет уменьшения объема рабочего тела уменьшить и подъемную силу, чему способствует одновременное увеличение давления рабочего тела и его плотности.
Тактико-технические характеристики аппарата можно оценить исходя из следующих показателей, приведенных в Таблице.
Объем оболочки
10000 м<sup>3</sup>
Масса конструкции дирижабля
6500 кг
Масса полезной нагрузки
3000 кг
Максимально допустимый взлетный вес
9700 кг
Максимальная динамическая подъемная сила
1000 кг
Минимальная скорость управления
0 км/ч
Крейсерская скорость
0…100 км/ч
Максимальная скорость
130 км/ч
Мощность маршевого двигателя
2×350 кВт
Продолжительность полета при:
- крейсерской скорости 70 км/ч
24 ч
- максимальной скорости
5 ч
Дальность полета
неограничена
Перегоночная дальность полета
до 6000 км
Практический потолок
3000 м
Рабочая высота полета
до 1500 м
Экипаж
2 чел.
Стартовая команда
6-8 чел.
Предложенный аэростатический летательный аппарат (дирижабль) по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- повышается мощность аппарата, дальность и крейсерская высота полета, его общая энерговооруженность, поскольку аппарат не требует энергии, подводимой в пиковом режиме от стороннего энергоисточника, принятой в прототипном техническом решении;
- повышается надежность работы установки и снижается стоимость доставки полезного груза и выполнения полетных заданий за счет резкого (на несколько порядков) снижения объема рабочего тела вне оболочки баллонета;
- обеспечивается полная экологическая безопасность аппарата, поскольку рабочее тело не выбрасывается в окружающую среду;
- с помощью тепловых аккумуляторов установки запасается любое требуемое количество энергии, достаточное для обеспечения стабильной бесперебойной работы аппарата даже в периоды перерыва в подводе тепловой энергии от возобновляемого источника;
- обеспечивается возможность применения данного аппарата для выработки электроэнергии и снабжения различных объектов тепловой энергией в режиме разуплотненного графика их потребления в районах базирования аппарата;
- технически просто и надежно обеспечивается возможность изменения выработки энергии независимо от режима движения аппарата;
- обеспечивается возможность эффективной утилизации сбросного тепла различных тепловых двигателей, а также расширяется возможность применения возобновляемых природных источников энергии, обладающих значительным ресурсным потенциалом и в то же время высокой неравномерностью поступления их энергии, а также дополнительного повышения эффективности установки в холодные климатические периоды;
- повышается надежность работы и снижается стоимость изготовления аппарата за счет умеренных по температуре и давлению параметров рабочего тела.
Дополнительным положительным свойством данного аппарата является возможность использования уже существующих материалов, технических решений и оборудования, необходимых для ее создания.