АЭРОСТАТНАЯ АНТЕННА

Полезная модель относится к области радиотехники низкой частоты и может быть использована в аэростатных антеннах для бесперебойного электроснабжения бортового радиопередатчика низкочастотного диапазона.
Для излучения и приема радиоволн необходимы радиоантенны, габаритные размеры которых соизмеримы с длиной радиоволны, которые они излучают (принимают). Чем больше габаритные размеры радиоантенны, то тем больше требуется мощность электрического питания радиопередатчика. Длинные и, особенно сверхдлинные, радиоволны распространяясь в сферическом волноводе, границами которого является нижние слои ионосферы и поверхность Земли, огибают поверхность земного шара, обеспечивая надежную доставку информации объектам (получателям), находящимся на больших удалениях от передатчика и на глубине до 100 метров в земле и до 400 метров глубины водной поверхности. Для бесперебойной и длительной работы бортовых радиопередатчиков необходимы возобновляемые источники электрической энергии, какими могут быть ветровые электростанции и (или) солнечные батареи.
Известна установка автономного электроосвещения и наблюдения, содержащая аэростат, выполненный в виде усеченного конуса с фотоэлектрическими панелями на его поверхности, расположенными в местах наибольшего попадания солнечного излучения, под аэростатом расположен блок генерации, аккумулирования, преобразования электроэнергии и управления установкой с системами электроосвещения и телевизионного наблюдения, а также ветряной агрегат с лопастями в форме полуцилиндров, причем часть поверхности лопастей, которая воспринимает ветровой поток, закрыта защитным кожухом [1]. С помощью системы креплений с удерживающими тросами аэростатная установка поднимается до 100 метров над поверхностью земли для ее освещения и телевизионного наблюдения.
Недостаток известной установки заключается в том, что ее работоспособность в большой степени зависит от погодных условий, температуры воздуха и солнечного излучения, кроме того, зона телевизионного наблюдения мала и ограничена сферой с радиусом прямой видимости.
Наиболее близким известным техническим решением к предлагаемой полезной модели в качестве прототипа является аэростатная антенна, содержащая аэростат, изолятор, удерживающие тросы в количестве не менее трех, наземный радиопередатчик, провода-противовесы и антенна-кабель, нижний конец которой подключен к одной клемме наземного радиопередатчика, другая клемма которого связана с общей точкой соединения проводов-противовесов, верхний конец антенны-кабеля подсоединен с верхними концами всех удерживающих тросов к изолятору, который связан с нижней частью аэростата [2]. Нижние концы удерживающих тросов с помощью диэлектрических анкерных приспособлений подсоединены к земной поверхности, на которой в виде звезды разложены в радиальных направлениях от эпицентра аэростата провода-противовесы. Изолированные удерживающие тросы формируют емкостной зонтик, с помощью которого излучаются радиоволны сверх длинноволнового и длинноволнового диапазона, а также радиоволны средней длины при высоте 300 метров подъема аэростата с действующей высотой, равной действующей высоте антенны длиной 1000 метров.
2
2
2
Недостатки прототипа состоят в том, что при ее эксплуатации отторгается большая площадь земной поверхности размером не менее чем S=π·R=0,9≈3 км, где R - радиус зоны отторжения земной поверхности от эпицентра аэростата. Большой расход медного провода на токопроводящие удерживающие тросы, провода-противовесы и кабель-антенну. Металлические удерживающие тросы длиной более одного километра каждый трос имеют наклонное расположение по отношению к горизонту и потому подвержены разрыву, особенно при обледенении. Отторгаемая площадь земной поверхности для аэростатной антенны должна быть огорожена от невраждебного проникновения посторонних лиц, охраняемой по периметру, длина которого составляет не менее 6 км, и оборудована надежными подъездными путями.
Целью полезной модели (техническим результатом) является уменьшение эксплуатационных расходов аэростатной антенны путем ее подъема на высоту, превышающую облачный слой тропосферы, и оснащении ее возобновляемыми источниками энергии воздушных потоков для электрического питания бортового радиопередатчика низкой частоты и системы стабилизации высоты аэростата и его дистанционного управления.
Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: аэростата и токопроводящего кабеля-троса с возможностью выполнять им функцию симметричной вибраторной радиоантенны, предлагаемая аэростатная антенна содержит гондолу с бортовым радиопередатчиком, системой стабилизации высоты и дистанционным управлением аэростатом и электрогенератором, конусообразный полый флюгер, механический дифференциал, складную конусообразную вытяжную трубу с механизмом ее складывания, пару сдвоенных ветроколес с коаксиальным расположением и противоположным друг другу направлением вращения их осей с возможностью передачи вращающих моментов через механический дифференциал на вал электрогенератора, конусообразный полый флюгер расположен в нижней части гондолы, пара сдвоенных ветроколес установлена в узкой части конусообразного полого флюгера, в средней части которого выполнено отверстие для подсоединения к нему складной конусообразной вытяжной трубы с механизмом ее складывания, кабель-трос с помощью диэлектрических центраторов установлен внутри складной конусообразной вытяжной трубы, половина длины кабеля-троса выполнена с коаксиальной токопроводящей оплеткой, верхние концы кабеля-троса и коаксиальной токопроводящей оплетки подключены к выводам бортового радиопередатчика.
Новизна полезной модели заключается в том, что предлагаемая аэростатная антенна содержит гондолу с бортовым радиопередатчиком, системой стабилизации высоты и дистанционного управления аэростатом и электрогенератором, конусообразный полый флюгер, механический дифференциал, складную конусообразную вытяжную трубу с механизмом ее складывания, пару сдвоенных ветроколес с коаксиальным расположением и противоположным друг другу направлением вращения их осей и с возможностью передачи крутящих моментов через механический дифференциал на вал электрогенератора, конусообразный полый флюгер расположен в нижней части гондолы, пара сдвоенных ветроколес установлена в узкой части конусообразного полого флюгера, в средней части которого выполнено отверстие для подсоединения к нему основания складной конусообразной вытяжной трубы с механизмом ее складывания, кабель-трос с помощью диэлектрических центраторов установлен внутри складной конусообразной вытяжной трубы, половина длины кабеля-троса выполнена с коаксиальной токопроводящей оплеткой, верхние концы кабеля-троса и коаксиальной токопроводящей оплетки подключены к выводам бортового радиопередатчика, что обеспечивает уменьшение расходов на эксплуатацию аэростатной антенны.
Конструктивная схема аэростатной антенны изображена на чертеже, где обозначено:
1 - оболочка аэростата с газом, который легче воздуха;
2 - гондола;
3 - бортовой радиоприемник;
4 - оборудование системы стабилизации высоты полета аэростата и его дистанционного управления;
5 - электрогенератор;
6 - механический дифференциал;
7 и 8 - внешняя и внутренняя оси вращения ветроколес с коаксиальным (соосном) их взаимном расположении;
9 и 10 - ветроколеса;
11 - конусообразный полый флюгер;
12 - механизм складывания вытяжной трубы;
13 - вытяжное отверстие;
14 - токопроводящий кабель-трос;
15 - токопроводящая коаксиальная оплетка (оболочка);
16 - складная конусообразная вытяжная труба;
17 - диэлектрические центраторы.
В исходном положении (статика) оболочка 1 аэростата с газом соединена с гондолой 2, в которой размещен бортовой радиоприемник 3, оборудование 4 системы стабилизации высоты аэростата и электрогенератор 5, вал которого связан с выходным валом механического дифференциала 6. Внешняя 7 и внутренняя 8 оси вращения ветроколес 9 и 10 с коаксиальным (соосном) их взаимном расположении установлены внутри конусообразного полого флюгера 11. Механизм складывания вытяжной трубы 12 установлен под вытяжным отверстием 13 флюгера 11. Токопроводящий кабель-трос 14 покрыт токопроводящей коаксиальной оплеткой (оболочкой) 15 и установлен внутри складной конусообразной вытяжной трубы 16 с помощью диэлектрических центраторов 17.
Предлагаемая аэростатная антенна работает следующим образом.
При запуске аэростата 1 во время его полета запускаются в работу под действием ветра ветроколеса 9 и 10, коаксиальные оси вращения 8 и 7 которых с помощью конических зубчатых шестеренок механического дифференциала 6 передают крутящий момент на вал электрического генератора 5 [3]. Вращение ветроколес 9 и 10 происходит в противоположных друг другу направлениях, что обеспечивает взаимную компенсацию нежелательных кинетических моментов вращающихся ветроколес 9 и 10. Кинетический момент вращения ветроколеса подобно оси вращения гироскопа сохраняет неизменным свое направление в мировом пространстве, что приводит к разрушению подшипников оси вращения флюгера ветровой установки и затрудняет маневренные движения летательного аппарата. Механический дифференциал 6 гарантирует одинаковые скорости вращения ветроколес 9 и 10 в противоположных друг другу направлениях и полную взаимную компенсацию нежелательного кинетического момента вращающегося ветроколеса. Вырабатываемая электрогенератором 5 электрическая энергию поступает для подзаряда аккумуляторных батарей системы стабилизации высоты 4 и электрического питания бортового радиопередатчика 3. При средней скорости ветра и размере лопасти ветроколеса 5 метров вырабатывается электрическая энергия мощностью 14 Квт от возобновляемого источника энергии, каким является энергия ветра.
После подъема аэростата 1 на высоту, превышающую слой облаков тропосферы, открывается механизм 12 складывания конусообразной вытяжной трубы 16 и конусообразная вытяжная труба 16 вместе с тросом-кабелем 14 внутри нее опускается под действием своей силы тяжести вниз. Вытяжная труба 16 формирует вытяжной поток воздуха вертикального направления, который проходя через отверстие 13 полого конусообразного флюгера 11 изменяет свое вертикальное направление на горизонтальное направление и увлекает за собой потоки воздуха, формируемые в узкой части конусообразного флюгера 11, где установлены ветроколеса 9 и 10. Ветроколеса 9 и 10 приходят во вращение под действием энергии вытяжных потоков воздуха в вытяжной трубе 16 даже при полном отсутствии ветра (штиль), что обеспечивает гарантированное производство электрической энергии на борту аэростата 1 для надежного электрического питания бортового радиопередатчика 3 средней мощности и системы стабилизации высоты полета 4 и дистанционного управления аэростатом с возможностью его барражирования.
Токопроводящий трос-кабель 14 своим верхним концом связан с одним выводом бортового радиопередатчика 3, другой вывод которого подключен к токопроводящей коаксиальной оплетке 15, покрывающей половину длины троса-кабеля 14. Выступающая из-под оплетки половина токопроводящего троса-кабеля 14 и его оплетка 15 выполняют функцию симметричной вибраторной антенны низкочастотного диапазона. Находящийся под токопроводящей оплеткой 15 трос-кабель 14 выполняет роль удерживающего себя самого троса и не излучает как радиоантенна электромагнитные волны. Впервые в мировой практике продольная ось симметричной вибраторной антенны низкочастотного диапазона располагается вертикально, что существенным образом меняет механизм формирования радиоволн этого низкочастотного диапазона. Известные наземные вибраторные антенны низкочастотного диапазона имеют диаграмму направленности с продольной ее осью, устремленной вертикально в сторону ионосферы. Отражаясь и рассеиваясь в нижних слоях ионосферы D и Е радиоволны низкой частоты далее распространяются на большие расстояния по сферическому волноводу, сформированному нижними слоями ионосферы и поверхностью земли. На рассеивание и отражение радиоволн от нижних слоев ионосферы уходит 80…90% их энергии. В предлагаемой аэростатной симметричной вибраторной антенне низкочастотного диапазона вдоль ее продольной оси радиоволны в сторону ионосферы не распространяются, что выгодно ее отличает от известных наземных аналогичных вибраторных антенн низкочастотного диапазона и диапазона очень низкой частоты. Вся электромагнитная энергия, сформированная предлагаемой симметричной вибраторной аэростатной антенной низкочастотного диапазона, в соответствии ее диаграммой направленности эффективно отводится в горизонтальном направлении параллельно поверхности земли с удвоенной действующей высотой.
Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе разработана модель аэростатной антенны в 2012 году.
Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что сокращаются не менее чем на 30…40% эксплуатационные расходы по сравнению с прототипом путем подъема аэростата на высоту, превышающую облачный слой тропосферы, и оснащении его возобновляемыми источниками энергии воздушных вытяжных потоков воздуха и энергии ветра для электрического питания бортового радиопередатчика низкой частоты и системы стабилизации высоты аэростата и его дистанционного управления.
Источники информации
1. Патент RU 102743 на полезную модель «Установка автономного электроосвещения и наблюдения», МПК В64В 1/40, F21L 4/08, F21S 2/00, приоритет: 28.02.2010, авторы: Хайруллин И.Х. и др., патентообладатель ГОУ ВПО «Уфимский ГАТУ», (аналог).
2. Патент RU 2320058 на изобретение «Аэростатная антенна», МПК H01Q 1/36, H01Q 1/12, приоритет: 02.11.2005, авторы: Готовко В.И. и др., патентообладатель: ФГУ «ЦКБ Геофизика», (прототип).
3. Решение ФИПС от 08.10.2012 г. о выдаче патента на полезную модель «Устройство для преобразования энергии ветровых потоков в электрическую энергию» по заявке №2012135001, приоритет: 16.08.2012, патентообладатель: Межрегиональное общественное учреждение «Институт инженерной физики»