ДИРИЖАБЛЬ Российский патент 1998 года по МПК B64B1/02 B64B1/58 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха и может быть использовано при создании безбалластного дирижабля с изменяемым объемом оболочки.

Известен дирижабль с растягивающейся оболочкой, у которого оболочка состоит из одной или нескольких пар надувных продольных пневмобалок, составляющих часть поверхности оболочки. Пневмобалки наполняются воздухом, нейтральным или подъемным газом, сильно превышающим давление в самой оболочке.

По мере поднятия дирижабля газ выходит из надувных пневмобалок через клапан особого устройства, пока пневмобалка не сложится полностью, вытянувшись по очертанию оболочки, на предельной высоте подъема.

При спуске дирижабля надувные пневмобалки снова наполняются с помощью воздушного компрессора или из баллонов со сжатым газом (авт. св. СССР N 34470, B 64 B 1/58, 1934).

При уменьшении объема оболочки известного дирижабля давление подъемного газа внутри оболочки может возрасти выше расчетного, что приведет к разрушению оболочки.

В случае заполнения надувных пневмобалок подъемным или нейтральным газом для обеспечения возможности управления подъемной силой дирижабля необходимо иметь на борту значительный запас газа в баллонах, имеющих большой вес.

В противном случае система получается одноразовой: при подъеме дирижабля газ из пневмобалок выпускается в атмосферу, а при спуске газ из баллонов подается в пневмобалки. После использования газа необходимо пополнить на земле его запас в баллонах. За счет этого возрастают эксплуатационные расходы.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к изобретению является дирижабль, содержащий газовую оболочку, выполненную из продольных надувных пневмобалок, соединенных пневмопроводами через систему наполнения-опорожнения с внутренней полостью газовой оболочки.

Система наполнения-опорожнения надувных пневмобалок содержит компрессор с приводом и пневмоклапан с пневморегулятором, установленные на линии наполнения пневмобалок, электроклапан, установленный на линии опорожнения пневмобалок, а также командоаппарат, электрически связанный с пневморегулятором, задатчиком режимов и выключателями привода компрессора и электроклапана (патент РФ N 2034744, B 64 B 1/58, 1995).

Одним из существенных недостатков является то, что при заполнении пневмобалок подъемным газом из внутренней полости оболочки необходимо поднимать давление в пневмобалках до величины, обеспечивающей вмещение в них необходимого объема подъемного газа, определяемого геометрическим изменением (уменьшением) объема оболочки, что вызывает в материале оболочки высокие напряжения, снижающие коэффициент запаса прочности, а также заставляет повышать энерговооруженность дирижабля.

Для увеличения коэффициента запаса прочности, т.е. снижения напряжений на материале оболочки, необходимо увеличить кривизну поверхности пневмобалок, другими словами, необходимо увеличить количество пневмобалок, образующих оболочку, и уменьшить этим их диаметр.

Это позволит менять объем оболочки на такую же величину, как и с меньшим количеством пневмобалок, но приведет к тому, что геометрически общий объем пневмобалок уменьшится, и, чтобы вместить в них необходимое количество (массу) газа, следует снова увеличить давление газа в них.

Таким образом, возникает техническое противоречие - для вмещения необходимого количества газа при уменьшении объема оболочки с обеспечением необходимого запаса прочности надо уменьшать геометрический диаметр пневмобалок и увеличивать их количество, но это в свою очередь приводит к уменьшению их суммарного геометрического объема и необходимости компенсировать потерю объема повышением давления газа в пневмобалках.

Задача изобретения - вместить необходимое количество газа при уменьшении объема оболочки в пневмобалки любого диаметра с обеспечением допустимого напряжения в материале стенок пневмобалок.

Это расширит функциональные возможности дирижабля.

Задача решается за счет того, что в дирижабле, содержащем газовую оболочку, выполненную из продольных надувных пневмобалок, соединенных через систему пополнения-опорожнения с внутренней полостью газовой оболочки, согласно изобретению, оболочка содержит по меньшей мере два слоя пневмобалок, механически связанных между собой и имеющих смежные стенки.

Соседние слои пневмобалок могут иметь разную пневмоупругость.

Применение двух или более слоев продольных надувных пневмобалок, механически связанных между собой, для образования оболочки позволит вместить необходимый объем газа при уменьшении объема оболочки, причем напряжение в материале смежных стенок пневмобалок снизится и станет оптимальным за счет возможности обеспечения оптимальных перепадов давления на смежных стенках пневмобалок, что обеспечит достаточный запас прочности.

Поскольку радиус поперечного сечения оболочки P зависит от степени заполнения пневмобалок газом, т.е. от радиуса пневмобалок r, то первоначально (фиг. 2) r = P. При давлении атмосферы P₁, давлении газа в пневмобалках P₂ и давлении газа в оболочке P₃ производится закачка газа из оболочки в пневмобалки (фиг. 3).

Радиус пневмобалок r уменьшается по мере заполнения их газом. Уменьшение радиуса пневмобалок приводит к уменьшению размера L (между узлами пневмобалок) до промежуточной величины L₁, что в свою очередь приводит к общему уменьшению длины окружности в поперечном сечении оболочки; а следовательно, к уменьшению радиуса R до R₁ (фиг. 3).

Напряжения в материале оболочки Т_о (действующие в узлах пневмобалок перпендикулярно радиусу оболочки) зависят от радиуса оболочки R и перепада давлений на ней, т.е. от разницы давления внутри оболочки P₃ и атмосферы P₁, т.е. T_o = R(P₃ - P₁).

Если R уменьшается и становится равным R₁<R, то и Т_о уменьшается. Следовательно, напряжение в материале оболочки снижается.

T₁ - напряжение на внешней стенке пневмобалок зависит от радиуса пневмобалки r и перепада давлений на стенке P₂-P₁ т.е. Т₁ = r(P₂ - P₁).

Т₂ - напряжение на внутренней стенке пневмобалок зависит от радиуса пневмобалок r и перепада давлений на ней p₂ - P₃, т.е. T₂ = r(P₂ - P₃), если r уменьшается до r₁, то уменьшается и T₁ и T₂.

Одновременно с этим достигается снижение уровня энерговооруженности дирижабля, так как не требуется компрессор высокого давления для накачки пневмобалок газом.

Геометрическая связь слов пневмобалок посредством смежных стенок приводит к уменьшению веса балок за счет уменьшения количества стенок. Например, для образования трех отдельных слоев пневмобалок необходимо шесть стенок, а если стенки выполнить смежными, то необходимо для образования тех же трех слоев пневмобалок всего четыре стенки.

При больших размерах оболочки дирижабля это приводит к экономии веса более чем на 30%, а с учетом необходимых подслоев материала на швах оболочки экономия будет около 40%.

Поскольку давление газа в пневмоблоках различных слоев различно и увеличивается, например, от внешнего слоя к внутреннему помимо того, что уменьшается диффузия газа через внешнюю стенку в атмосферу, снижается уровень напряжений на внутренних смежных стенках пневмобалок в слоях, так как на них действует невысокий перепад уровней давления, что позволит только для внутренних и внешних стенок оболочки применять прочные материалы (на них наибольшие перепады давлений), а для внутренних смежных стенок - менее прочные, дешевые и легкие. При применении многослойных оболочек повысится также "живучесть" оболочки, так как разрушение одной или нескольких пневмобалок в одном из слоев не повлияет на плавучесть дирижабля.

Указанные преимущества в итоге расширяют функциональные возможности дирижабля.

На фиг. 1 показан поперечный разрез оболочки с тремя слоями пневмобалок и системой наполнения-опорожнения пневмобалок; на фиг. 2 - схема напряжений в пневмобалках, при отсутствии давления газа; на фиг. 3 - схемы напряжений в пневмобалках при наличии избыточного давления.

Дирижабль содержит двигатель (не показан) и газовую оболочку 1, составленную из трех слоев продольных надувных пневмобалок 2, 3, 4, расположенных в слоях в шахматном порядке по отношению друг к другу и механически соединенных между собой. Геометрически пневмобалки 2, 3, 4 имеют общие смежные стенки, конфигурация поперечного сечения которых представляет собой часть окружности, выпуклые стороны которых направлены в зону более низкого давления.

В нижней части оболочка 1 крепится к силовой ферме 5.

Внутренние полости пневмобалок 2, 3, 4 (низкого, среднего, высокого давления) посредством пневмопроводов 6 (низкого, среднего, высокого давления) соединены через систему наполнения-опорожнения с внутренней полостью оболочки 1.

Система наполнения-опорожнения пневмобалок 2, 3, 4 содержит: компрессор 7 с приводом М и пневмоклапан 8, содержащий три пневмоклапана (по числу слоев пневмобалок) в одном корпусе, отрегулированных на соответствующее давление, установленный на линии наполнения; электроклапан 9, установленный на линии опорожнения надувных пневмобалок 2, 3, 4; систему управления, включающую электрически связанные командоаппарат 10, пневморегулятор 11, задатчик режимов 12.

Питание системы пополнения-опорожнения осуществляется от источника 13 тока, например генератора.

Пневморегулятор 11 пневматически связан с пневмоклапаном 9 и электрически с командоаппаратом 10.

Командоаппарат представляет собой преобразователь параметров К₁, К₂ ... К_n окружающей среды и газа в оболочке 1 и пневмобалках 2, 3, 4 в команды управления пневморегулятором 11, приводом М компрессора 7 и электроклапаном 9.

Требуемый режим работы командоаппарата 10 задается задатчиком 12. Контур максимального объема оболочки 1 обозначен пунктиром "а".

Дирижабль работает следующим образом.

Внутренний объем оболочки 1 заполнен подъемным газом до давления, например, равного атмосферному (или несколько ниже), при полностью растянутой оболочке "а".

В этом состоянии аэростатическая подъемная сила, создаваемая газом, превышает силу веса конструкции дирижабля с полной полезной нагрузкой.

Перед полетом после загрузки дирижабля на земле производят статическую балансировку, т.е. уменьшают объем оболочки до такого значения, чтобы величина аэростатической подъемной силы имела нулевое превышение над весом дирижабля. Для этого орган управления задатчика режимов 12 устанавливают в положение, соответствующее по уровню атмосферного давления на высоте расположения дирижабледрома над уровнем моря.

Сигнал от задатчика режимов 12 поступает в командоаппарат 10, где преобразуется с учетом коэффициентов К₁, К₂ ... К_n, характеризующих параметры окружающей среды и элементов дирижабля.

Преобразующий сигнал подается командоаппаратом 10 на пневморегулятор 11 и одновременно соединяет привод М компрессора 7 с источником 13 тока.

В это же время командоаппарат 10 подает сигнал на закрытие электроклапана 9, отсоединяя внутренние полости пневмобалок 2, 3, 4 от внутренней полости оболочки 1.

Компрессор 7 начинает работать, создавая давление газа на своем выходе, равное давлению во внутреннем слое пневмобалок 4.

Пневморегулятор 11 под действием сигнала от командоаппарата 10 настраивается на поддержание необходимых уровней давления в пневмобалках 2, 3, 4. С помощью пневматической связи исполнительные элементы пневмоклапана 8 открываются и поддерживают на своих выходах необходимые для пневмобалок 2, 3, 4 уровни давления. Подъемный газ, таким образом, перекачивается из газовой оболочки 1 в надувные пневмобалки 2, 3, 4. При этом надувные пневмобалки 2, 3, 4 стремятся принять в сечении округлую форму, периметр газовой оболочки 1, а следовательно, и ее объем уменьшается. Увеличение давления в пневмобалках 2, 3, 4 и уменьшение оболочки 1 происходит до тех пор, пока величина давления в пневмобалках 2, 3, 4 не достигнет требуемого для статической балансировки значения, после чего командоаппарат 10 отключает компрессор 7 от источника 13 тока. Исполнительные элементы пневмоклапана 8 при этом перекрывают линии наполнения пневмобалок 2, 3, 4, и подъемный газ в пневмобалках запирается. Дирижабль статически сбалансирован на земле.

Для совершения аэростатического взлета дирижабля орган управления задатчика режимов 12 устанавливают в положение, соответствующее требуемой высоте подъема. Командоаппарат 10, получив этот сигнал, выдает команду на открывание электроклапана 9.

Электроклапан 9 открывается и начинает выпускать газ из пневмобалок 2, 3, 4 в полость оболочки 1, за счет чего объем оболочки 1, занимаемый им в окружающем пространстве, увеличивается и дирижабль взлетает (всплывает). Увеличение объема оболочки 1 происходит до тех пор, пока аэростатическая подъемная сила дирижабля не станет достаточной для подъема его на заданную высоту.

После достижения дирижаблем заданной высоты командоаппарат 10 выдает команду на выключение электроклапана 9, подъемный газ запирается в пневмобалках 2, 3, 4 и положение дирижабля по высоте стабилизируется.

При полете дирижабля на заданной высоте при изменении условий окружающей среды и параметров газа в элементах дирижабля меняющиеся факторы через систему датчиков воздействуют на командоаппарат 10, который преобразует сигналы от датчиков в команды, подающиеся на привод М компрессора 7, пневморегулятор 11 и электроклапан 9.

При этом объем газовой оболочки 1 уменьшается или увеличивается, изменяя в соответствии с изменением внешних факторов (температуры окружающего воздуха и газа в оболочке, величины восходящих или нисходящих потоков, величины высоты полета и т.п.) величину аэростатической подъемной силы.

Для посадки дирижабля орган управления задатчика режимов 12 устанавливают в положение, соответствующее высоте места посадки над уровнем моря. При этом командоаппарат 10 выдает команду на пневморегулятор 11 и привод М компрессора 7. Пневморегулятор 11 выдает пневмокоманду на пневмоклапан 8, исполнительные органы которого открываются, и компрессор 7 начинает перекачивать газ из полости оболочки 1 в пневмобалки 2, 3, 4, что приводит к уменьшению объема оболочки 1 и аэростатической подъемной силы и совершению дирижаблем посадки.

Материал пневмобалок работает следующим образом.

Поскольку радиус оболочки R зависит от степени заполнения пневмобалок газом, т.е. от радиуса пневмобалок r, то первоначально (фиг. 2) r = R. Давление атмосферы - P₁, давление газа в пневмобалке - P₂, давление газа внутри оболочки - P₃.

Закачка газа из внутренней полости оболочки в пневмобалки (фиг. 3) приводит к тому, что радиус кривизны пневмобалки уменьшается до некоторого значения r₁, меньшего r, а так как при уменьшении радиуса r пневмобалки уменьшается величина L (фиг. 2) до L₁ (фиг. 3), т.е. уменьшается длина окружности оболочки, следовательно, радиус оболочки R уменьшается до R₁.

Напряжения в материале оболочки Т_о зависят от радиуса оболочки R и перепада давления внутри оболочки P₃ и давления атмосферы P₁, т.е. Т_о = R(P₃ - P₁), если R уменьшается и становится R₁<R , то и Т_о уменьшается, т.е. уменьшаются напряжения в материале оболочки.

Т₁ - напряжение на внешней стенке пневмобалки зависит от радиуса пневмобалки r и перепада давления P₂ внутри пневмобалки и атмосферы P₁, т.е. Т₁ = r(P₂ - P₁).

Т₂ - напряжение на внутренней стенке пневмобалки зависит от радиуса пневмобалки r и перепада давлений P₂ внутри пневмобалки и давления внутри оболочки P₃, т.е. Т₂ = r(P₂ - P₃).

Создание дирижабля согласно изобретению позволит получить ряд существенных преимуществ.

Несколько слоев механически и геометрически связанных между собой пневмобалок, составляющих оболочку, позволит вместить необходимый объем газа с небольшим превышением давления в пневмобалках относительно давления в оболочке, при уменьшении ее объема.

Применение многослойной оболочки, состоящей из пневмобалок, обеспечит получение допустимых напряжений материала на смежных стенках пневмобалок за счет увеличения их суммарного объема и взаимной компенсации перепада давлений при наличии механической и геометрической связи.

Многослойность оболочки позволит более широко использовать положительные эффекты, возникающие при изменении кривизны пневмоконструкций, при одновременном действии величины перепада давлений на стенке уменьшаются напряжения в материале стенки, хотя абсолютное давление в пневмобалках, например, внутреннего слоя может быть высоким.

Из-за отсутствия необходимости значительно превышать давление газа в пневмобалках (при однослойной конструкции) уменьшается величина утечки газа в атмосферу, так как величина диффузии зависит от перепада давления.

Повысится живучесть оболочки и дирижабля в целом, так как разрушение даже всех пневмобалок одного из слоев не приведет к катастрофической ситуации потому, что объем газа, содержащийся в одном слое пневмобалок, по отношению к общему объему незначительный и потеря его легко компенсируется небольшим увеличением объема оболочки.

Увеличивается стойкость оболочки на изгиб при действии эксплуатационных факторов, что расширяет эксплуатационные возможности дирижабля по погодным условиям.

Расширяются возможности по изменению грузоподъемности дирижабля, т.к. многослойная оболочка из пневмобалок позволит изменять объем дирижабля на максимальную величину без создания напряжений в материале оболочки.

Изобретение относится к летательным аппаратам с регулируемой аэростатической подъемной силой. Сущность: дирижабль содержит оболочку 1, составленную из нескольких слоев надувных продольных пневмобалок 2, 3, 4. Полости пневмобалок 2, 3, 4 посредством пневмопроводов 6 соединены через систему наполнения-опорожнения с внутренней полостью оболочки 1. При перекачке несущего газа из внутренней полости оболочки 1 пневмобалки 2, 3, 4 последние раздуваются и сокращают периметр оболочки 1 и собственно ее объем. Уменьшенный объем несущего газа в оболочке снижает аэростатическую подъемную силу. Послойное распределение несущего газа позволяет закачивать в пневмобалки 2, 3, 4 значительные его объемы, не превышая пределов прочности традиционных материалов. Это дает возможность регулировать аэростатическую подъемную силу в более широких пределах. 3 ил.

Дирижабль, содержащий оболочку, выполненную из нескольких слоев продольных надувных пневмобалок, имеющих смежные стенки и соединенных через систему наполнения опорожения с внутренней полостью оболочки и движитель, отличающийся тем, что радиус стенок наружного и внутреннего слоев надувных пневмобалок первоначально до закачки газа равен радиусу оболочки.