ТРАНСПОРТНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
TRANSPORT AND ENERGY SYSTEM

Изобретение относится к транспортной технике и энергетике. Транспортно-энергетическая система состоит из монорельса, установленной на монорельсе подвижной тележки с агрегатами и электромоторами-генераторами, к которой посредством тросовой управляемой системы прикреплен дирижабль с силовыми установками и транспортным модулем, и демпфера. Транспортно-энергетическая система предназначена для перевозки полезной нагрузки и выработки электроэнергии в сложных климатогеографических условиях, например, на Крайнем Севере, в пустынной, малонаселенной местности со слаборазвитой транспортной и энергетической инфраструктурой.
Основой автомобильных и железных дорог является земляная насыпь, которая требует больших затрат при строительстве. Под действием природных факторов и нагрузки от транспортных средств насыпи и несущие полотна разрушаются. Особенно ярко эта проблема выражена в районах вечной мерзлоты и в болотистой местности. Зимой эти дороги заметаются снегом, подвержены обледенению, затапливаются в половодье. Это снижает безопасность движения и повышает энергетические затраты в пути, а также требует больших затрат на поддержание дорог в рабочем состоянии.
Кроме того, автомобильный и железнодорожный транспорт отрицательно влияет на окружающую среду. Железнодорожные и автомагистрали пересекают пути миграции животных, что приводит к авариям и гибели животных и людей.
Известны различные конструкции дирижаблей, предназначенные для перевозки грузов и пассажиров, которые имеют энергетические установки и винтомоторы, которые позволяют им перемещаться против ветра. Совершенствование их направлено на улучшение аэродинамических свойств, упрощение конструкции и повышение надежности (патент RU 2155143, опубликован 27.08.2000 г.). Их радиус действия ограничен запасом топлива на борту.
Известно транспортное средство (патент RU 2158683, опубликован 10.11.2000 г.), основой которого является преобразователь энергии воздушных потоков, состоящий из нескольких ободочков и каналов между ними, в электроэнергию для обеспечения привода движителя транспортного средства. Такое транспортное средство предлагается использовать в наземном и воздухоплавательном вариантах. Анализ конструкции и принципа действия данного транспортного средства, в котором не используется топливо, доказывает, что, в соответствии с законом сохранения энергии, оно практически не работоспособно.
Известен дирижабль и якорь дирижабля (варианты) (патент RU 2174481, опубликован 10.10.2001 г.), оснащенный причальными привязными канатами с концевыми замками для их быстрого закрепления на заданной площадке и кабиной для одного или нескольких человек. Для установки якорей для закрепления канатов на неподготовленной к причаливанию дирижабля земной поверхности дирижабль оснащен якорной машиной, спускаемой с дирижабля на тросах, имеющей двигательную установку и способную перемещаться в пространстве независимо от дирижабля на небольшие расстояния. Для доставки пассажиров и грузов на заданную площадку, к которой дирижабль привязан канатами, используется кабина, спускаемая с дирижабля вдоль привязного каната, связанная с этим привязным канатом и использующая его как направляющий элемент. Подъем на борт дирижабля якорной машины, спускаемой кабины, привязных канатов осуществляется с помощью подъемника, находящегося на борту дирижабля.
Недостатками известной конструкции являются:
- якорная машина, подвешенная на тросе, не имеет аэродинамических рулей управления и будет неуправляемо раскачиваться, что исключает ее перемещение в горизонтальной плоскости в заданном направлении и, тем более, причаливание к другому дирижаблю;
- технология установки якорей затратная и ненадежная ввиду своей естественной зависимости от структуры грунта, сама якорная машина снижает полезную нагрузку дирижабля;
- кабина, спускаемая вдоль причального каната, имеет тенденцию увеличения амплитуды колебаний по мере спуска, что опасно при приземлении.
Известна транспортная система «Транспорт-монорельс-тетраэдр» (патент RU 2374102, опубликован 27.11.2009 г.), состоящая из опорного монорельса и транспортного модуля, в которой опорный монорельс равномерно-прямолинейно опирается через модули-тетраэдры на сваи-шпалы в грунте, и имеет стартовые горки и финишные противоуклоны. Транспортный модуль представляет собой платформу с двумя кабинами на четырех центральных двухребордных колесах и четырех боковых поддерживающих роликах, с автоцентрирующими маховиками-гироскопами, с возможностью установки кузова-салона, цистерны, контейнера, бортовой платформы, платформы со стойками для перевозки различных грузов.
Недостатками такой транспортной системы являются: на монорельс стопроцентно переносится нагрузка от транспортного модуля, что требует соответствующей большой прочности монорельса; при движении возникают колебания, которые могут вызвать резонанс; боковая ветровая нагрузка на транспортный модуль вызывает скручивание монорельса, что в свою очередь требует обеспечения необходимой жесткости и прочности конструкции, что приводит к увеличению массы конструкции и не может быть обеспечено канатными конструкциями.
Оба известные изделия и дирижабль (патент RU 2174481) и транспортная система (патент RU 2374102) не используют энергию от природных источников, поэтому должны нести запас топлива на своем борту, электропоезд должен использовать внешний источник электроэнергии.
Задачей изобретения является создание транспортно-энергетической системы для перевозки полезной нагрузки в сложных климатогеографических условиях, использующей энергию ветра для перемещения и выработки электроэнергии, имеющей относительно низкие затраты на строительство, повышенные эксплуатационные характеристики и низкое отрицательное влияние на природную среду.
Транспортно-энергетическая система позволяет достичь следующие технические результаты:
- использовать энергию ветра для передвижения и выработки электроэнергии;
- значительно снизить механическую нагрузку на монорельс и, как следствие, снизить затраты на строительство и содержание дороги;
- снизить зависимость от климатических и ландшафтных условий по сравнению с автомобильными и железными дорогами;
- уменьшить вредное воздействие на природную среду.
Транспортно-энергетическая система (фиг. 1-3) включает в себя:
- дирижабль жесткой конструкции, фюзеляж 1 которого представляет собой вертикальную аэродинамическую плоскость изменяемого профиля, с двумя полуплоскостями крыла 2, оснащенного флаперонами 3, и расположенного выше центра тяжести дирижабля;
- по крайней мере, две силовые установки 4, расположенные на полуплоскостях крыла;
- стабилизатор 5 с рулем высоты 6 и руль поворота 7;
- тележку 8, которая передвигается по монорельсу 9;
- монорельс 9, установленный на сваях 10 и закрепленный растяжками 11; вдоль монорельса проходит силовой контактный электропровод (не показан);
- управляемую тросовую систему, соединяющую подвижную агрегатную тележку 8 с дирижаблем и состоящую из главного троса 12, на котором установлен демпфер 14, и трех строп 13 изменяемой длины посредством лебедок;
- транспортный модуль 15, который крепится к дирижаблю снизу и поднимается к нему на четырех тросах 16; на транспортном модуле имеются четыре швартовочных конца 17 с лебедками для их натяжения (не показаны) для крепления транспортного модуля к причальным устройствам на земле;
- инерционную систему стабилизации заданного положения дирижабля в полете по тангажу, крену и направлению, аналогично самолетным системам.
Для фиксации дирижабля в наземном положении на концах крыла, в носовой и хвостовой части фюзеляжа имеются узлы крепления швартов (не показаны).
Фюзеляж 1 дирижабля разделен на несколько отсеков:
- отсек А, содержащий, как минимум, одну герметичную оболочку заполненную газом легче воздуха, подъемная сила которого равна массе дирижабля без транспортного модуля;
- отсек Б, содержащий, как минимум, одну герметичную мягкую оболочку заполненную газом легче воздуха, объем которого меняется и уравновешивает массу транспортного модуля с полезной нагрузкой и агрегатной тележки, расположен внутри отсека В;
- отсек В герметичен, заполнен воздухом;
- рабочую палубу Г, на которой размещены: кабина пилотов, бортовое оборудование, резервные баллоны с газом легче воздуха, насосы перекачки газа и воздуха, аккумуляторы электроэнергии, вспомогательный дизель-генератор (по необходимости) и топливо к нему, лебедки управления стропами тросовой системы и подъема транспортного модуля, бортовые запасы (не показаны).
Подъемная сила дирижабля создается газом легче воздуха и крылом. Горизонтальная сила создается аэродинамическим профилем фюзеляжа дирижабля, силовыми установками и агрегатной тележкой.
Силовые установки 4 состоят из электромоторов-генераторов, на оси которых закреплены пропеллеры-ветряки. Силовые установки 4 имеют возможность поворачиваться в горизонтальной плоскости относительно крыла в пределах заданного угла α. Пропеллер-ветряк силовой установки содержит две и более лопастей.
Каждая силовая установка имеет три режима работы:
- создает тягу, когда электромотор-генератор работает в режиме двигателя и пропеллер-ветряк установлен в положение пропеллера;
- преобразует энергию ветра в электрическую, когда электромотор-генератор установлен в режим генератора и пропеллер-ветряк установлен в режим ветряка;
- при неработающем электромоторе-генераторе пропеллер-ветряк флюгируется.
На тележке установлены электромоторы-генераторы, редукторы, муфты сцепления, колеса, электрооборудование, тормоза, узел крепления и лебедка главного троса 12 (не показаны). Тележка имеет три режима работы:
- электромоторы-генераторы установлены в режим двигателей и перемещают тележку с прикрепленным дирижаблем по монорельсу;
- электромоторы-генераторы установлены в режим генераторов и вырабатывают электроэнергию при движении по монорельсу тележки, буксируемой дирижаблем под воздействием ветра;
- холостой ход.
Монорельс (к примеру, в форме двутавра) установлен на вертикальных сваях, заглубленных в грунт, обеспечивающих плавное огибание рельефа местности, на высоте достаточной для безопасного перемещения дирижабля над препятствиями и для безопасного прохода людей и животных под ним. Сваи и растяжки воспринимают на себя аэродинамическую нагрузку, воздействующую на дирижабль. Вес тележки в значительной мере компенсируется подъемной силой дирижабля. Неровности монорельса, как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскости, компенсируются демпфером 14 и подвижностью главного троса 12. Это способствует снижению затрат на прокладку пути и эксплуатационных затрат. В глубоких непроходимых болотах монорельс установлен на непотопляемых полузатопленных (аналогично айсбергу) платформах. Для преодоления широких водных преград (например, Обской губы) трос 12 дирижабля отсоединяется от одной тележки и присоединяется к другой аналогичной тележке на другом берегу. Через преграду дирижабль перелетает с помощью силовых установок 4.
Транспортный модуль применяется для перевозки пассажиров и/или грузов. Крупногабаритные грузы перевозятся подвешенными к дирижаблю снизу на тросах 16.
При использовании транспортного модуля погрузочно-разгрузочные операции могут проводиться как в посадочном варианте, так и в режиме зависания дирижабля.
На фигуре 1 представлен общий вид транспортно-энергетической системы.
На фиг. 2 - вертикальный разрез дирижабля.
На фиг. 3 - горизонтальная проекция дирижабля (вид сверху).
На фиг. 4 - схема приложения сил, воздействующих на дирижабль.
На наземной стоянке дирижабль пришвартован канатами, обеспечивающими его статическое положение. Известны различные способы швартовки воздушных судов и дирижаблей, которые применимы и в данном случае.
В посадочном варианте перед взлетом производится погрузка/посадка грузов/пассажиров, запускается инерционная система стабилизации (изделие известное), травятся тросы 16 и дирижабль поднимается до полного натяжения троса 12 с одновременным регулированием длины стропов 13. Затем отдаются швартовочные концы 17, транспортный модуль 15 поднимается тросами 16 и крепится к дирижаблю.
В местах, где отсутствуют специальные швартовочные площадки, дирижабль может производить погрузочно-разгрузочные операции в режиме зависания.
В воздухе на дирижабль воздействует система сил (фиг. 4):
Д
ТМ
A
Б
- статические: вес дирижабля -G и транспортного модуля G; подъемная сила отсека А - Y и отсека Б - Y;
Ф
К1
К2
Ф
К1
К2
СТ
- аэродинамические: сила аэродинамического сопротивления фюзеляжа Х, силы аэродинамического сопротивления полуплоскостей крыла с силовыми установками X и Х, тянущая сила фюзеляжа дирижабля Z, подъемная сила полуплоскостей крыла Y и Y, подъемная сила стабилизатора Y.
1
2
3
- силы натяжения строп F, F и F.
Д
Д
Т
Направление главного троса 12 всегда проходит через точку приложения результирующей силы R к дирижаблю, относительно которой момент сил аэродинамических, аэростатических, веса частей дирижабля и силы натяжения стропов 13 равен нулю. Результирующая сила R равна силе натяжения главного троса R и всегда проецируется по направлению натяжения главного троса на треугольник, образованный точками крепления стропов 13 к дирижаблю.
Управление дирижаблем в воздухе заключается в изменении величины и вектора направленности перечисленных сил.
Управление дирижаблем осуществляется изменением длины стропов 13, воздействием на флапероны, рули высоты и направления экипажем через органы управления (аналогичные самолетным) в директорном режиме или воздействием инерционной системы стабилизации в автоматическом режиме.
Тангаж дирижабля, угол атаки крыла и высота полета регулируется изменением длины носовой стропы 13 и рулем высоты. Крен дирижабля регулируется стропами 13, прикрепленными к крылу и флаперонами. На крен, тангаж и высоту полета влияет изменение объема газа в отсеке Б и положение общего центра тяжести дирижабля с грузом. Инерционная система стабилизации в режиме автопилота поддерживает пространственное положение дирижабля, воздействуя на флапероны и рули направления и высоты.
Управление дирижаблем в вертикальной плоскости в холмистой и горной местности осуществляется изменением объема газа в отсеке Б, угла атаки и профиля крыла, то есть управлением подъемной силой дирижабля.
Передвижение дирижабля в горизонтальной плоскости происходит за счет горизонтальной составляющей результирующей силы, действующей на дирижабль параллельно монорельсу:
- аэродинамических сил, возникающих на аэродинамических плоскостях дирижабля;
- движителей силовых установок, работающих в режиме пропеллера;
- двигателей тележки.
Изменение аэродинамических коэффициентов фюзеляжа происходит за счет изменения его профиля, а изменение аэродинамических коэффициентов крыла достигается отклонением флаперонов.
Комбинированное применение аэродинамических плоскостей, силовых установок и электродвигателей-генераторов позволяет транспортной системе выполнять свои функции при всех направлениях ветра и в широком диапазоне по силе ветра, преодолевать водные преграды и огибать рельеф местности. Возможность перевозки негабаритных грузов на внешней подвеске дает ей явное преимущество над железнодорожным и автомобильным транспортом.
Таким образом, транспортно-энергетическая система соответствует критерию промышленная применимость.