БЕЗБАЛЛАСТНЫЙ АЭРОСТАТИЧЕСКИЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ Российский патент 1999 года по МПК B64B1/62 

Изобретение относится к воздухоплаванию (аэронавтике), конкретно - к технике создания оболочек аэростатических летательных аппаратов (АЛА) - аэростатов, а также дирижаблей, у которых динамические методы управления высотой не играют существенной роли.

Аэростат удерживается в воздухе архимедовой силой, действующей на оболочку, наполненную легким газом, чаще всего гелием. Как отмечается в книге /1/, стр.27 подъемная сила аэростата уменьшается на 1% через каждые 80 м по высоте. Зная об этом, нетрудно регулировать высоту подъема воздушного шара, сбрасывая определенное количество балласта. Если же аэронавт хочет опуститься, то он вынужден стравить через клапаны определенное количество газа. Но чем ниже спускается аэростат, попадая в более плотные слои воздуха, тем сильнее сжимается несущий газ и тем быстрее нарастает скорость спуска. Замедлить снижение можно опять-таки с помощью балласта, сбрасывая его вниз. Иными словами, воздухоплавателю приходится волей-неволей расходовать нормального полета - легкий несущий газ и балласт.

Проблема поиска безбалластных способов управления аэростатической подъемной силой (АПС) занимает важное место в литературе по воздухоплаванию. В обзоре /2/, стр.82 сказано, что главный недостаток классических дирижаблей - необходимость расхода газа или балласта для изменения АПС - в настоящее время представляется возможным устранить или ослабить за счет энергетических систем - путем изменения температуры несущего газа, его давления, управления вектором тяги. В качестве примера там же, на стр. 85 описан дирижабль-термоплан с жестким корпусом в форме диска, в котором подогрев воздуха обеспечивает безбалластное регулирование АПС.

В книге /3/, стр.120 отмечается, что теоретически возможен способ управления АПС, основанный на извлечении из газовых отсеков гелия и последующего сжатия или сжижения его. В случае необходимости производится декомпрессия гелия и возврат его в газовый отсек. В гелиевом дирижабле предусматриваются специальные газовые отсеки, заполненные более дешевым несущим газом - водородом, перегретым паром или нагретым воздухом. Уменьшения АПС можно достичь выпуском части дешевого несущего газа.

Особое место в истории воздухоплавания занимают многочисленные попытки обойтись вообще без легкого несущего газа путем создания "вакуумного дирижабля". В книге /4/, стр.89 приводится расчет пневмонапряженной цилиндрической конструкции, состоящей из двух концентрических оболочек, соединенных поперечными связями, причем в пространство между оболочками закачивается воздух до такого избыточного давления, которое обеспечивает жесткость конструкции (отсутствие схлопывания под действием атмосферного давления), когда из внутреннего объема воздух полностью откачан. Своим расчетом В.Г.Броуде показывает невозможность обеспечить плавучесть такой конструкции, так как масса закачанного под повышенным давление воздуха как раз равна массе воздуха, удаленного из внутреннего пространства.

В аннотации /5/ на патент Великобритании N1345288 "Летательный аппарат легче воздуха" сказано, что "подъемная сила летательного аппарата создается одной или несколькими вакуумированными емкостями, каждая из которых имеет внутреннюю и наружную оболочку, выполненные, например, из найлона, пространство между оболочками заполнено сжатым гелием или воздухом, а в полости, образованной внутренней оболочкой, создан вакуум. Для предотвращения схлопывания (collupse)внутренней оболочки между оболочками предусмотрена силовая связь. Сферические вакуумированные емкости могут быть размещены внутри летательного аппарата с ручным приводом, а также в фюзеляже и крыльях летательного аппарата с приводом от двигателя." Необходимо отметить, что как в приведенной аннотации, та и в самом описании патента /6/, стр.1, позиции 80 - 85, не сделано принципиального различия между использованием (для придания жесткости конструкции) воздуха или легкого газа: использование гелия вместо воздуха ошибочно названо всего лишь предпочтительным, поскольку, по мнению автора /6/, позволяет получить максимальную подъемную силу при минимальном весе.

Близким к заявленному изобретению по решаемой технической задаче является шар-зонд, разработанный Национальным центром метеорологических исследований США /1/, стр.186. Шар-зонд состоит из двух баллонов. Меньший наполнен гелием (без создания внутреннего избыточного давления) и помещен в оболочку большего размера, содержащую воздух под некоторым избыточным давлением.

Наружный шар оснащен специальным клапаном и насосом, а также чувствительным устройством, определяющим влажность окружающего воздуха. Когда влажность увеличивается сверх допустимой нормы, бортовой чувствительный элемент подает команду "включить клапан" - клапан открывается, выпуская часть балласта (воздуха). Вес шара при этом уменьшается, и он поднимается на такую высоту, где обледенение уже не страшно. Когда же влажность окружающего воздуха вновь уменьшается, перепускной клапан закрывается и включается бортовой насос, который закачивает атмосферный воздух в наружный баллон, в результате чего шар-зонд снижается. Безбалластный способ управления АПС обеспечивает срок службы шара-зонда на высоте порядка 5500 - 6000 м от трех месяцев до одного года. Теоретический срок службы шаров-зондов, предназначенных для исследований на высотах до 25000 м, составляет несколько лет. Недостатком этой конструкции является то, что избыточное давление воздуха в наружном шаре не может сделано достаточно большим, чтобы обеспечить необходимую жесткость конструкции к действию порывов ветра и вертикального градиента скорости воздушного потока, поскольку при этом внутренний баллон с гелием будет сжиматься, что приведет к уменьшению подъемной силы.

В качестве прототипа принята Международная заявка WO 96/05104 B 64 D 1/62 от 22.02.96 "Аэростат или воздушный шар" со следующей формулой изобретения:
1. Аэростат или воздушный шар (А/ВШ), имеющий две оболочки, которые сделаны так, что одна оболочка, внутренняя, охватывается другой оболочкой, наружной, обе оболочки образуют двойную оболочку А/ВШ, действующую как единое целое, имеют внутри себя пространство, заполненное газом/воздухом, находящееся между оболочками, в которое газ/воздух запускается, заставляя двойную оболочку расширяться, вытесняя атмосферный воздух, раздувая таким образом А/ВШ и создавая вакуумное пространство внутри двойной оболочки А/ВШ.

2. А/ВШ, заявленный в п.1, снабжен клапаном одностороннего действия, соединенным с наружной оболочкой, с помощью которого газ/воздух напускается в пространство, заключенное между двумя оболочками, для того, чтобы раздуть А/ВШ.

3. А/ВШ, заявленный в п.1, снабжен клапаном, соединенным с внутренней оболочкой, с помощью которого воздух запускается в вакуумированное пространство внутри двойной оболочки для того, чтобы опустить А/ВШ на землю, а затем удалить воздух из А/ВШ.

4. А/ВШ, заявленный в п. 1, снабжен клапаном, соединенным с наружной оболочкой, с помощью которого удаляется газ/воздух из пространства, заключенного между двумя оболочками.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что аэростатический летательный аппарат, содержащий наружную оболочку, внутреннюю оболочку, силовые поперечные связи, предназначенные для соединения наружной оболочки с внутренней оболочкой с образованием пневмонапряженной конструкции замкнутой формы при заполнении полости между наружной и внутренней оболочками легким несущим газом под избыточным давлением выше атмосферного, и средство, имеющее канал, в котором установлен перепускной клапан, и предназначенное для изменения аэростатической подъемной силы при заполнении полости внутри внутренней оболочки через перепускной клапан атмосферным воздухом, отличающийся тем, что указанное средство имеет насос, позволяющий откачивать воздух до давления ниже атмосферного из объема внутри внутренней оболочки, и компрессор, позволяющий нагнетать воздух в объем внутри внутренней оболочки до давления выше атмосферного через перепускной клапан в указанном канале.

Устройство предлагаемого АЛА поясняется на фиг.1, где обозначено:
1 - наружная эластичная газонепроницаемая оболочка диаметром 2R;
2 - внутренняя эластичная газонепроницаемая оболочка диаметром 2R₁;
3 - поперечные силовые связи, обеспечивающие постоянство зазора h между оболочками 1 и 2;
4 - пространство между оболочками 1 и 2, заполненное легким несущим газом (например, гелием) при давлении P обол;
5 - внутренний объем, заполненный балластным воздухом при давлении P _вн;
6 - канал, соединяющий внутренний объем 5 с атмосферой;
7 - перепускной клапан, перекрывающий канал 6;
8 - отсек, в котором размещены насос 9 и компрессор 10;
11 - вентиль, соединяющий объем 4 с наземным компрессором (на фиг.1 не показан) для закачки на старте легкого несущего газа. Отметим, что фиг.1 может изображать как меридиональное сечение сферы, так и сечение цилиндра, перпендикулярное его оси.

Если жесткость связей 3 превышает соответствующую величину для оболочек 1 и 2, то равновесное состояние этой конструкции, когда давление балластного воздуха Р_вн в объеме 5 составляет долю α от наружного атмосферного давления Р_о, т.е. P_вн= αP_o, 0 ≤ α ≤ 1, достигается при выполнении соотношения
P_обол= P_o ϕ_к(R,R₁,α);

Нетрудно показать, что когда 0 ≤ α < 1, то ϕ₁> ϕ₂; \\1 это означает, что сферический вариант более выгоден, так как при этом равновесие достигается при меньшем давлении несущего газа. В ситуациях, когда потребуется существенно увеличить скорость спуска аппарата, когда потребуется существенно увеличить скорость спуска аппарата, при помощи компрессора 10 можно сделать давление Р_вн балластного воздуха во внутреннем объеме 5 больше атмосферного Р_о, при этом, очевидно, будет α > 1.
Формула (1) обобщает результат, приведенный в книге /4/, стр.89 для цилиндра при значении α = 0 (когда в объеме 5 вакуум). Этот расчет сделан в /4/ с целью показать невозможность в создания АЛА с помощью такой конструкции, когда в пространство 4 между оболочками 1 и 2 заканчивается воздух. Однако, если вместо воздуха в пространство 4 между оболочками 1 и 2 закачивать до нужного давления, определяемого формулой (1), легкий газ, например, гелий, то конструкции можно придать положительную плавучесть.

Если обозначить γ_o - удельный вес воздуха при атмосферном давлении P₀, γ - - удельный вес легкого груза при том же давлении, то АПС на единицу длины цилиндра составит величину (без учета веса оболочек и и других элементов конструкции)
f_цил= πR²{(γ_o-γ)(1-αλ²)-γ(1-α)λ}; λ = R₁/R (2)
Соответственно, для сферы АПС будет равна
(3)
При рассмотрении конкретных вариантов выполнения конструкции ограничимся наиболее важным случаем, когда во внутреннем объеме 5 не балластного воздух, т.е. α = 0 и АПС максимальна; вместо (1) получим
(4)
Формулы (2) и (3) принимают более простой вид:
f_цил= πR²{(γ_o-γ)-γλ} (5)
(6)
Из приведенных формул видно, что если γ = γ_o, т.е. вместо гелия используется воздух, то даже в идеальном случае, когда не учитывается вес оболочек и других элементов конструкции, положительной плавучести не будет. Это обстоятельство, как можно судить по описанию, автором патента /6/, не было понято.

Для оценки веса оболочек 1 и 2 и связей 3 произведем такой расчет. Представим связи 3 в виде цилиндров малого радиуса r и высотой h = R - R¹ . Эти цилиндры должны равномерно покрывать оболочку 1. Пусть N - число цилиндров, тогда должно быть Nπr²= 4πR², т.е.

N = 4R²/r² (7)
Боковая площадь каждого цилиндра равна 2πrh, а их общая площадь
S_цил= N•2πrh (8)
Перепад давления на оболочках 1 и 2 для сферы (к = 2) согласно (4) не превышает величины
(9)
Пусть δ - толщина стенок цилиндров, σ - предел прочности материала, из которого они изготовлены. Тогда должно выполняться соотношение
σ•δ•2πr = ΔP•πr², т.е.

(10)
Обозначим ρ - плотность материала, из которого сделаны стенки цилиндров, тогда масса одного цилиндра m = 2πpδhr. Умножая это выражение на число цилиндров N из (7), с помощью (9) и (10) найдем общую массу всех цилиндров
(11)
В формулу (11) радиус отдельного цилиндра не входит. Радиус цилиндра целесообразно выбрать достаточно малым, чтобы касательные напряжения в оболочках 1 и 2 не превышали их предела прочности. Представим участок оболочек 1 и 2, который приходится на один цилиндр, в форме полусферы радиуса r. Если δ₁, σ₁ - толщина и предел прочности материала оболочек 1 и 2, то должно выполниться условие
2πr•δ₁σ₁= ΔP•πr², т.е.

r = 2πδ₁σ₁/ΔP. (12)
Пример. Примем, что : Р_о = 1атм = 1кГ/см ²; R = 6 м, R₁ = 5 м, h = 1м; λ = R₁/R = 0,833; легкий газ - гелий. По формуле (6) Р_обол = 3,27 Р_о. Для воздуха для гелия γ = 0,18 кг/м³. По формуле (6) находим подъемную силу
F_сф = 951кГ (13)
Площадь обеих оболочек 1 и 2 равна
S = 4π•(R²+R21

) = 766,5 м² (14)
Для обеих оболочек 1 и 2 можно использовать пленку триплекс, которая состоит из трех слоев: полиэтилен 0,02 мм; лавсан 0,023 мм и алюминиевая фольга 0,02мм; толщина 2 • 10^-5мм на подложке из полиэтилена толщиной 0,02мм; толщина триплекса 0,063 мм, поверхностная плотность q = 70 г/м². Общая масса оболочек 1 и 2 равна
М_обол = q • S = 53,7 кг (15)
Для изготовления поперечных связей 3 можно применить полимерные пленки, армированные в одном направлении волокнами. Согласно /7/, стр.28 пленка, включающая волокна из кевлара на эпоксидной матрице, имеет плотность ρ = 1380 кг/м³, предел прочности при растяжении σ = 14000 кг/см². Подставим эти данные в (11):
М_цил = 145,9 кг (16)
Прочность триплекса определяется пленкой из лавсана толщиной δ₁= = 0,0023; предел прочности лавсана, согласно /8/, стр.202 равен σ₁= 1700 кг/см². Подставив эти значения в (12), получим
r = 2,4 см (17)
Таким образом, поперечные связи 3 следует размещать по сфере достаточно часто. При этом касательные напряжения в оболочках 1 и 2 не превысят предела прочности, а их прогиб r будет мал по сравнению h, так что форма пневмоконструкции будет мало отличаться от принятой в расчете.

Сетку , связывающую сферу с годовой АЛА, обычно делают из капрона. Согласно/9/, стр.55 предел прочности капрона σ_к= 5000 кг/см². Суммарное поперечное сечение вех строп Σ можно оценить, использую (13), из условия F_сф= σ_к•Σ, т.е.

Σ = F_сф/σ_к= 0,2 см² (18)
Длину нити L, расположенной по меридиану, концы которой сходятся у гондолы под углом 60^o, можно оценить по формуле
L = 8К = 48 м (19)
При плотности капрона ρ_к= 1,4 г/см³ масса нитей составит
M_нит= ρ_кL•Σ = 1,3 кг (20)
Массу нитей, размещенных в широтном направлении, можно принять равной М_нит из (20), т.е. масса капроновой сетки не превысит
М_сет = 2,6 кг (21)
Используя (13), (15), (16) и (21), найдем чистую подъемную силу, которая и определяет величину полезной нагрузки
F =F_сф - (М_обол + М_цил + М_сет) ≈ 750 кг (22)
Работа устройства происходит следующим образом. К месту старта АЛА доставляется в сложенном виде. Объем 4 через вентиль 11 подключается к наземному компрессору, закачивающему легкий несущий газ, например, гелий, в объем 4 между оболочками 1 и 2 до давления Р_обол. Если на месте старта имеются приспособления для удержания АЛА, то целесообразно при закачке гелия держать клапан 7 закрытым, так как при этом в объеме 5 по достижении оболочкой 2 заданного радиуса R₁ внутри нее будет вакуум, а сам АЛА будет иметь наибольшую AПС. Если же приспособления для удержаний АЛА нет, то при заполнении объема 4 гелием клапан 7 надо открыть. После заполнения объема 4 вентиль 11 запирается, а наземный компрессор отключается. После этого насос 9, подключенный к каналу 6, начинает откачивать воздух из объема 5. По достижении положительной плавучести начинается плавный подъем АЛА, причем максимальная высота набирается при Р_вн = 0. При необходимости снижения клапан 7 открывается, через канал 6 в объем 5, где давление Р_вн меньше атмосферного давления Р_о, впускается наружный воздух. В результате АЛА снижается. Для ускорения этого процесса может использоваться компрессор 10, который для этого подключается к каналу 6. Если во время полета АЛА находится на высоте меньше максимальной, то при необходимости ее увеличить к каналу 6 подключается насос 9, который откачивает воздух из объема 5. Компрессор 10 может пригодиться, когда давление воздуха в объеме 5 требуется сделать больше атмосферного, чтобы увеличить скорость снижения (например, при необходимости быстро опуститься ниже края грозового облака). По оценкам, для задействования насоса 9 и компрессора 10 при полезной нагрузке 1 т достаточно иметь на борту двигатель мощностью ~ 5 кВт.

Источники информации
1. Чернов А.А. Путешествия на воздушном шаре. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

2. Итоги науки и техники. Воздушный транспорт. Т. 18. "Использование современных аэростатических летательных аппаратов". М., ВИНИТИ, 1989.

3. Арие М. Я., Полянкер А.Г. Дирижабли нового поколения. Киев: Наукова думка, 1983.

4. Броуде В.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. М.: Машиностроение, 1976.

5. "Изобретение за рубежом". N2, 1974., выпуск 12, с.41. "Летательный аппарат легче воздуха".

6. Патент Великобритания N 1345288 от 30.01.74. МПК В 64 В 1/58; НПК В7W 11А1В 11А 6 11С.

7. Заболоцкий А. А. Итоги науки и техники. Т. 1. "Композиционные материлы". М., ВИНИТИ, 1979.

8. Краткая химическая энциклопедия. Т.4. М., БСЭ, 1965.

9. Таблицы физических величин. Справочник. Ред. И.К.Кикоин. М., Атомиздат, 1976.

Аппарат выполнен в виде пневмонапряженной конструкции замкнутой формы, наружная и внутренняя оболочки которой соединены силовыми поперечными связями. Плавучесть и жесткость конструкции по отношению к схлопыванию под действием атмосферного давления обеспечена наличием в пространстве между оболочками легкого несущего газа под избыточным давлением. Полость, образованная внутренней оболочкой соединяется с атмосферой каналом, имеющим перепускной клапан. Предусмотрены насос и компрессор, которые могут подключаться к каналу для регулирования аэростатической подъемной силы за счет изменения массы воздуха в указанной полости. Изобретение позволяет расширить арсенал технических средств, использующих атмосферный воздух в качестве балласта для управления высотой. 1 ил.

Аэростатический летательный аппарат, содержащий наружную оболочку, внутреннюю оболочку, силовые поперечные связи, предназначенные для соединения наружной оболочки с внутренней оболочкой с образованием пневмонапряженной конструкции замкнутой формы при заполнении полости между наружной и внутренней оболочками легким несущим газом под избыточным давлением выше атмосферного, и средство, имеющее канал, в котором установлен перепускной клапан, и предназначенное для изменения аэростатической подъемной силы при заполнении полости внутри внутренней оболочки через перепускной клапан атмосферным воздухом, отличающийся тем, что указанное средство имеет насос, позволяющий откачивать воздух до давления ниже атмосферного из объема внутри внутренней оболочки, и компрессор, позволяющий нагнетать воздух в объем внутри внутренней оболочки до давления выше атмосферного через перепускной клапан в указанном канале.