Воздушный шар
BALLOON

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха, а именно к тепловыми аэростатам.
Известен воздушный шар, включающий оболочку, наполненную воздухом или газом, имеющим температуру выше, чем окружающий воздух, а плотность соответственно ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх (https://dlia-sporta.ru/glavnaia/oborudovanie/vozdushnyi-shar/).
Недостатком известного воздушного шара является необходимость наличия на воздушного шаре горелки и баллона с топливом для поддержания высоты полета.
Известен воздушный шар, содержащий оболочку, наполненную нагретым паром на земле. Когда воздушный шар поднимается, часть водяного пара конденсируется. Конденсация выделяет много скрытой теплоты, которая замедляет охлаждение и помогает поддерживать оставшийся пар в газообразном состоянии (Паровые шары могут быть использованы для запуска спутников. 22 августа 2019 г. https://www.scitecheuropa.eu/steam-balloons-could-be-used-to-launch-satellites/96701/).
Известный воздушного шар позволяет замедлить уменьшение подъемной силы в полете, однако в нем отсутствует возможность увеличивать ее с целью регулирования высоты полета.
Известен воздушный шар, содержащий газосодержащую оболочку и механизм регулирования объема; который деформирует газосодержащую оболочку в полностью надутом состоянии, тем самым изменяя объем газосодержащей оболочки. Газосодержащая оболочка содержит веретенообразные клинья из воздухонепроницаемого пленочного материала, которые соединены друг с другом на боковых краях, и нагрузочные ленты, прикрепленные к участкам соединения боковых краев и проходящие вдоль боковых краев, соответственно (Патент на изобретение РФ №2238218, В64В 1/40, 2002).
Недостатком известного воздушного шара является сложность устройства для регулирования высоты полета.
Известен безбалластный дирижабль, содержащий основную камеру постоянного объема, наполненную несущим газом, сообщающуюся с ней дополнительную камеру переменного объема, соединенную своей верхней частью с нижней частью основной камеры, устройство для изменения объема дополнительной камеры и соответственно изменения давления в обеих камерах, гондолу выполненную в форме кольца внутри которого размещена нижняя часть дополнительной камеры (Патент на изобретение РФ №2174482, В64В 1/62, 1999).
Этот безбалластный дирижабль обладает большой грузоподъемностью, однако имеет сложную конструкцию.
Известен комбинированный воздушный шар, оболочка которого поделена на две камеры, верхняя из которых наполнена легким и негорючим гелием, а нижняя - нагретым воздухом. Регулирование высоты полета производят, подогревая его в ходе полета пропаном, этаном или керосином, сжигаемым в специальных горелках (20 дней на воздушном шаре. http://www.vokrugsveta.ru/vs/article/580/).
Недостатком известного воздушного шара является низкая эффективность наполнения воздушного шара нагретым газом, связанная с возможностью перемешивания его с окружающим воздухом. В то же время легкий и негорючий газ нагревается в меньшей степени, что снижает возможность увеличения грузоподъемности воздушного шара.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по конструктивным признакам является тепловой аэростат, включающий оболочку, гондолу с полезной нагрузкой и газовым баллоном с форсункой для сжигания газа и подогрева газа в оболочке, в области пламени которой установлена дополнительная водяная форсунка, соединенная трубопроводом с емкостью с водой в гондоле, а нижнее входное отверстие оболочки с внутренним водоотталкивающим покрытием ограничено водосборником в виде пустотелого тора с удаленной верхней частью, соединенного трубопроводом емкостью с водой (Патент на изобретение РФ №2453470, В64В 1/40, В64В 1/62, 2011).
Недостатком известного теплового аэростата является низкая эффективность наполнения воздушного шара нагретым газом, связанная с возможностью перемешивания его с окружающим воздухом, вследствие наличия в нем как легкой газовой фракции воды, так и более тяжелого газа, а кроме того, значительно более тяжелого углекислого газа, выделяющегося в процессе горения топлива и поступающего вместе с другими газами в оболочку. Также возможность перемешивания с внешним воздухом снижает возможность увеличения грузоподъемности воздушного шара.
Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса наполнения воздушного шара легким и нагретым газом и управления высотой его полета за счет увеличения теплопередачи при нагреве легкого газа и как следствие уменьшение массы воздушного шара и повышение его грузоподъемности.
Этот технический результат достигается за счет того, что в воздушном шаре, содержащем оболочку с водосборником в ее нижней части, источник нагретого газа, емкость с водой, соединенную-с водосборником дренажным трубопроводом, и водяную форсунку, соединенную трубопроводом емкостью с водой, оболочка выполнена герметичной и частично заполнена легким газом, водяная форсунка размещена внутри оболочки, а источник нагретого газа выполнен в виде парогенератора, соединенного с оболочкой паропроводом. Дренажный трубопровод предпочтительно снабжен краном. Предпочтительно трубопровод, соединяющий водяную форсунку с емкостью с водой, содержит насос. Предпочтительно водяная форсунка размещена в верхней части оболочки. Преимущественно оболочка частично заполнена гелием. В предпочтительном варианте оболочка заполнена гелием в количестве, которое находясь в состоянии при температуре окружающего воздуха создает подъемную силу, составляющую 0,5-0,9 веса оболочки.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 - воздушный шар в процессе подготовки к вылету, общий вид;
на фиг. 2 - то же, в полете.
Позиции на фигурах обозначают:
1 - оболочка;
2 - парогенератор;
3 - паропровод;
4 - баллон с газом;
5 - емкость с водой;
6 - водосборник;
7 - дренажный трубопровод;
8 - кран;
9 - водяная форсунка;
10 - трубопровод;
11 - насос;
12 - стационарный парогенератор (не показан);
13 - стационарный паропровод;
14 - арматура (тройник).
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности процесса наполнения оболочки воздушного шара легким и нагретым газом и управления высотой его полета за счет увеличения теплопередачи при нагреве легкого газа и, как следствие, уменьшение массы воздушного шара и повышение его грузоподъемности.
Предлагаемый воздушный шар, содержит герметичную оболочку 1, и источник нагретого газа, выполненный в виде парогенератора 2, соединенного с оболочкой 1 паропроводом 3. Парогенератор 2, снабжен баллоном 4 с газом для горелки (не показана) и емкостью 5 с водой. Нижняя часть 6 оболочки 1 является водосборником, который соединен с емкостью 5 с водой дренажным трубопроводом 7, в нижней части которого установлен кран 8. Оболочка 1 снабжена водяной форсункой 9, которая размещена внутри оболочки 1 и связана трубопроводом 10 с насосом 11 с емкостью 5 с водой. Предпочтительно водяная форсунка 9 размещена в верхней части оболочки 1. Оболочка 1 может быть частично заполнена легким газом, предпочтительно гелием. Если отсутствует опасность для людей, например в беспилотном варианте, оболочка 1 может быть также частично заполнена водородом. Предпочтительно оболочка 1 заполнена легким газом, в количестве, которое находясь в состоянии при температуре окружающего воздуха создает подъемную силу, составляющую 0,5-0,9 веса оболочки 1. Предпочтительно воздушный шар агрегатируется с пусковой установкой, которая содержит стационарный парогенератор 12, снабженный стационарным паропроводом 13, выполненным с возможностью соединения его с герметичной оболочкой 1 посредством арматуры (тройника) 14, встроенного в паропровод 3. Стационарный парогенератор 12 может быть выполнен электрическим.
Работает воздушный шар следующим образом.
Для осуществления полета воздушный шар помещают на пусковую установку (не показана), его оболочку 1 соединяют со стационарным парогенератором 12 стационарным паропроводом 13 путем подсоединения его через арматуру (тройник) 14 к паропроводу 3. После соединения запускают парогенератор 12 и наполняют оболочку 1 перегретым водяным паром. Температура пара определяется теплостойкостью материала оболочки 1 и техническими характеристиками парогенератора 12 и составляет 110-120°С. Здесь же воздушный шар заполняют легким газом (гелием), причем предпочтительна очередность заполнения вначале гелием, а потом перегретым паром. В этом случае в процессе наполнения оболочки 1 перегретым паром гелий, вследствие перемешивания и сопровождающего его теплообмена, также нагревается на 90-100°С от температуры окружающего воздуха (ориентировочно 20°С) до температуры перегретого водяного пара (110-120°С), что дополнительно способствует повышению грузоподъемности воздушного шара, приходящейся на гелий за счет составляющей от теплового расширения газа, в 393,16К/293,16К=1,34 раза. Стационарный парогенератор 12 может быть выполнен электрическим, что по сравнению с источником тепла с открытым пламенем проще осуществимо в стационарных условиях. После наполнения оболочки 1 перегретым водяным паром выключают стационарный парогенератор 12, отсоединяют его от оболочки 1, и отпускают воздушный шар в полет. Наполнение оболочки 1 в зависимости от свойств ее материала может быть как полное, так и частичное с учетом возможности добавления новых порций водяного пара в полете без ее растягивания. Здесь можно иметь в виду, что современные материалы допускают увеличение объема оболочки до 10 раз.
Во время полета воздушного шара для увеличения высоты его полета включают парогенератор 2 и вырабатывают необходимое количество перегретого пара, которое поступает в оболочку 1 по паропроводу 3. Необходимая для получения пара вода поступает в парогенератор 2 из емкости 5 с водой. При выработке перегретого водяного пара происходит фазовый переход воды из жидкого в газообразное состояние, теплоемкость которого составляет 85% от всей потребляемой теплоты. Эта теплота аккумулируется, в результате количество теплоты, которую надо подвести к газам в оболочке 1, а также количество топлива, необходимое в полете, будут меньшими по сравнению с известным воздушным шаром, наполненного продуктами горения газа в горелке. По этой же причине для передачи одного и того же количества тепла надо пропустить через парогенератор ориентировочно в 400 раз меньше пара, играющего роль теплоносителя, по сравнению с гелием при его непосредственным нагревом. В сравнении с традиционным нагревом воздуха в открытой снизу оболочке открытым пламенем, при сгорании топлива в оболочку 1 кроме нагретого воздуха (молярный вес М=29) попадают углекислый газ (молярный вес М=44) или лишь частично водяной пар (молярный вес М=18), в то время, как в предлагаемом воздушном шаре в оболочку 1 попадают только водяной пар, который до 2 раз легче горячих продуктов горения, наполняющих оболочку 1 при нагреве воздуха в оболочке 1 открытым пламенем. Также для увеличения высоты полета частично может быть слита вода из емкости 5, как балласт.
Для снижения высоты полета воздушного шара включают насос 11, и распыляют внутри оболочки 1 водяной форсункой 9 воду, поступающую из емкости 4 посредством трубопровода 10. Распыленная вода отнимает тепло у смеси гелия и водяного пара, в результате чего объем смеси уменьшается, подъемная сила также уменьшается и воздушный шар снижается. Размещение водяной форсунки 9 в верхней части оболочки 1 позволяет охлаждать гелий, который в 4,5 раза легче водяного пара и вследствие этого будет размещаться преимущественно в верхней части оболочки 1. А поскольку распыленная вода и водяной пар тяжелее гелия и будут опускаться в нижнюю часть оболочки 1, способствуя лучшему перемешиванию и теплообмену. Теплоемкость гелия 5190 Дж/(кг*К), что, что в 2,36 раза больше теплоемкости водяного пара (2200 Дж/(кг*К)), но с учетом того, что он в 4,5 раза легче водяного пара, охлаждать гелий для уменьшения объема газа в оболочке в 1,91 раза эффективнее по сравнению с охлаждением водяного пара, занимающего нижнюю часть оболочки 1.
Как в процессе наполнения оболочки 1 водяным паром, так и в результате остывания во время полета часть водяного пара может переходить в жидкое состояние, собирается в водосборнике 5 размещенном в нижней части оболочки 1. По мере сбора воды в водосборнике 5, кран 7 открывают, и вода под собственным весом и под давлением газов в оболочке 1 по дренажному трубопроводу 6 поступает в емкость 4 с водой.
Для завершения полета перестают нагревать остывающую смесь гелия и водяного пара или, для ускорения снижения высоты полета воздушного шара, включают насос 10, и распыляют внутри оболочки 1 водяной форсункой 8 воду, поступающую из емкости 4 посредством трубопровода 9. При этом как гелий, так и водяной пар охлаждаются и уменьшаются в объеме, вследствие чего уменьшается грузоподъемность оболочки 1, в которой они находятся. Кроме того, водяной пар конденсируется, объем оболочки 1 воздушного шара уменьшается значительно, и воздушный шар опускается. После окончания полета водяной пар остывает и переходит весь в жидкое состояние (воду), которая собирается в водосборнике 5, а из него - по дренажному трубопроводу 6 с краном 7 поступает в емкость 4 с водой. В оболочке 1 остается только дорогостоящий гелий, который может быть выкачан в емкость для хранения (не показана). Оболочку 1 не обязательно освобождать от гелия, а впоследствии заполнять гелием заново, он может оставаться в ней до следующего полета. В этом случае процесс подготовки может включать только восполнение утечек гелия после предыдущего полета. При нахождении в оболочке 1 гелия в количестве, которое при температуре окружающего воздуха создает подъемную силу, составляющую 0,5-0,9 веса оболочки она сможет находиться на поверхности площадки пусковой установки. При подъемной силе гелия равной 0,5 веса оболочки 1 она сможет находиться на поверхности пусковой площадки в распластанном состоянии, прижатой к ее поверхности до половины ее площади, в меньшей степени зависящем от ветра. При подъемной силе гелия равной 0,9 веса оболочки 1 она сможет находиться на поверхности пусковой площадки, гарантированно не создавая подъемную силу, что облегчает условия для ее удержания на площадке якорными лентами (не показаны).
3
3
3
3
3
3
3
Пример осуществления изобретения: стандартный воздушный шар АХ-7, объемом V=1850 м. Масса воздушного шара 260 кг, масса оболочки 210 кг, полезная нагрузка 350 кг. Общая полетная масса 610 кг. За рабочую температуру выбрана максимально допустимая температура воздуха внутри оболочки 120°С. Плотность гелия при 20°С составляет 0,18 кг/м, а плотность воздуха 1,29 кг/м. Удельная подъемная сила гелия 1,11 кг/м. Объем гелия, обеспечивающий подъемную силу, равную 0,5 веса оболочки 1 равен 105/1,11=94,6 м или 17,0 кг веса. В нагретом до 120°С состоянии гелий заполнит 126,8 м3 и обеспечит полет 105/94,6*126,8=140,8 кг. Полетный вес, приходящийся на долю водяного пара, составляет 610-140,8=469,2 кг. Плотность водяного пара при температуре 120°С составляет 0,546 кг/м. Удельная подъемная сила водяного пара 1,29-0,546=0,744 кг/м. Количество воды для выработки пара, необходимого для заполнения этого воздушного шара составит 469,2/0,744=630,6 кг.
Промышленный парогенератор электрический UPE-1000 (https://ural-power.info/parogenerator-ural-power-upe-1000-elektricheskiy/). Производительность 1000 кг пара в час, мощность 650 кВт (соизмерима с тепловой мощностью газовой горелки Z-1), номинальный ток 950-1050 А, давление 1-20 атм, температура пара 114-350°С, регулировка мощности 25-100%, масса 450 кг. Ориентировочное время заполнения воздушного шара паром - 630,6/1000=0,63 час или 38 мин. При использовании двух или трех парогенераторов, плюс дополнительно собственная горелка, время заполнения воздушного шара может быть кратно уменьшено до 19 или 12 минут, что вполне приемлемо с учетом того, что запасенное при фазовом переходе воды в пар тепло сохраняется и способствует поддержанию температурного режима газа в оболочке 1 воздушного шара. Воздушный шар может быть наполнен перегретым водяным паром и только парогенератором 2, входящим в состав воздушного шара, но в этом случае потребуется более длительное время.
В результате применения изобретения будет повышена эффективность процесса наполнения оболочки воздушного шара легким и нагретым газом и управления высотой его полета за счет увеличения теплопередачи при нагреве легкого газа и, как следствие, уменьшена масса воздушного шара и повышена его грузоподъемность. Использование водяного пара в качестве газа для наполнения теплового аэростата возможно и целесообразно в тех случаях, когда грузоподъемность становится решающим фактором. Целесообразность его использования будет увеличиваться повышением теплостойкости материала оболочек.