ОРИЕНТИРОВАНИЕ ПАНЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕИ, УСТАНОВЛЕННОЙ НА ДИРИЖАБЛЕ Российский патент 2004 года по МПК B64B1/00 B64B1/38 B64D47/00 

Область техники

Данное изобретение относится к дирижаблю, имеющему средство панели солнечных батарей, и к способу ориентирования находящегося в полете средства панели солнечных батарей, установленного на дирижабле.

Уровень техники

Поскольку дирижабль использует только небольшое количество энергии для движущей силы, поэтому его целесообразно приводить в действие солнечной энергией, получаемой от панелей солнечных батарей, установленных на дирижабле. В отношении многих областей применения дирижабля, включая очень длительные беспилотные задания, можно исходить из того, что солнечная энергия является единственным практическим носителем энергии, приемлемым в соответствии с действующими экологическими соглашениями, для снабжения таких дирижаблей энергией.

Свойство солнечной батареи состоит в том, что она имеет максимальную эффективность, когда солнечное излучение падает на батарею перпендикулярно, т.е. под углом 90°. Чтобы захватить достаточное количество энергии в целях энергоснабжения, на дирижабле необходимо установить большое число солнечных батарей, смонтированных, например, в виде совокупности панелей, прикрепленных снаружи корпуса дирижабля. Поскольку по аэродинамическим причинам дирижабль обычно имеет форму тела вращения, разные солнечные батареи будут обращены к разным направлениям в любое данное время, и поэтому только некоторые из них будут принимать максимальное количество падающего солнечного излучения в любое данное время. Таким образом, с крупными панелями солнечных батарей на поверхности дирижабля многие солнечные батареи будут получать количество энергии меньше максимального. Действительно, в определенных условиях любая солнечная батарея на “обратной стороне” дирижабля, обращенная от солнца, фактически не будет принимать солнечное излучение, за исключением небольшого количества отражаемого солнечного излучения.

Помимо этого, поскольку находящийся в воздухе дирижабль должен обладать способностью лететь по произвольному курсу, нельзя гарантировать, что солнечное излучение будет происходить в прогнозируемых пределах азимутального угла.

Это приводит к ситуации, что до сих пор конструкторы дирижаблей считают необходимым для обеспечения достаточного для эксплуатации дирижабля количества энергии покрывать преобладающую часть поверхности корпуса дирижабля солнечными батареями, чтобы гарантировать выработку достаточной энергии в любом направлении дирижабля и при любом положении солнца относительно дирижабля. На практике, когда дирижабль позиционируют для приема солнечной энергии, обычно меньше половины всего числа солнечных батарей обычным образом расположенной панели батарей, установленной на внешней поверхности дирижабля, собирают энергию в любое данное время. Это явно неэффективная система с точки зрения стоимости, и это более важно, с точки зрения веса крупных панелей солнечных батарей. На больших рабочих высотах вес имеет самое первейшее значение, и любая экономия веса может стать решающей в вопросе обеспечения “обладающего плавучестью” дирижабля.

Предлагалось много работающих от солнечной энергии дирижаблей, и было издано много публикаций. Большинство авторов признают ограничения, налагаемые географической широтой и погодными условиями, которые противодействуют практическому использованию солнечных батарей. Насколько известно, успешно действующий дирижабль, запитываемый солнечной энергией, не создан.

Работающий от солнечной энергии летательный аппарат известен из документа US-A-5518205. Этот известный летательный аппарат имеет пару надувных фюзеляжей, которые соединены передними и задними крыльями и к которым гондола крепится подвесными тросами. На верхней поверхности переднего крыла расположена панель солнечных батарей. За счет регулирования позиции гондолы, летательный аппарат можно накренять, чтобы оптимизировать положение панели солнечных батарей относительно падающего солнечного излучения. Разумеется, аэродинамика этого летательного аппарата значительно изменяется из-за крена этого двухфюзеляжного летательного аппарата.

Раскрытие изобретения

Задача данного изобретения заключается в сокращении числа необходимых солнечных батарей, устанавливаемых на дирижабле для обеспечения энергетических потребностей дирижабля, например, для обеспечения движущей силы дирижабля.

Еще одна задача данного изобретения заключается в обеспечении средства для изменения ориентации средства панели солнечных батарей, устанавливаемого на корпусе дирижабля, для увеличения, предпочтительно для доведения до максимума, количества солнечного излучения, собираемого средством панели солнечных батарей.

В соответствии с еще одним вариантом реализации данного изобретения обеспечивают дирижабль, содержащий средство газосодержащей оболочки для обеспечения, при использовании, корпуса с, по существу, продольно проходящей продольной осью и со средством панели солнечных батарей, выполненным с возможностью его монтирования, при использовании снаружи корпуса, отличающийся тем, что средство солнечных батарей, при использовании, проходит только вокруг части окружности корпуса и тем, что обеспечивают средство для вращения, при использовании, средства панели солнечных батарей вокруг продольной оси корпуса, чтобы увеличивать количество падающего солнечного излучения, собираемого средством панели солнечных батарей.

За счет обеспечения средства для вращения средства панели солнечных батарей вокруг продольной оси корпуса, средство панели солнечных батарей способно “следовать” за солнцем во время его движения по небу. Например, средство панели солнечных батарей выполнено с возможностью вращения по дуге вокруг продольной оси корпуса между конечными положениями, смещаемыми на противоположных сторонах от центра подъемной силы дирижабля.

Средство панели солнечных батарей предпочтительно жестко прикрепляют к корпусу дирижабля, например, наверху корпуса дирижабля. В этом случае средство вращения выполнено с возможностью создавать крен всего корпуса, чтобы средство панели солнечных батарей могло следовать за солнцем во время его движения по небу. Хотя предпочтительно, чтобы средство панели солнечных батарей было жестко прикреплено к корпусу дирижабля, данное изобретение этим не ограничивается и распространяется на средства панели солнечных батарей, выполненные с возможностью перемещения относительно корпуса дирижабля.

Средство солнечных батарей проходит вдоль достаточной длины корпуса, чтобы обеспечивать необходимую площадь панели для обеспечения основных энергетических потребностей дирижабля.

Средство вращения для осуществления вращения средства панели солнечных батарей предпочтительно содержит подвижное средство противовеса, причем центры тяжести средства панели солнечных батарей и средство противовеса позиционируют на противоположных сторонах центра подъемной силы дирижабля.

Таким образом, вес средства панели солнечных батарей и средство противовеса противодействуют друг другу или уравновешивают друг друга, и исключают возникновение постоянного усилия крена, воздействующего на дирижабль. Изменяя “поперечное смещение” средства противовеса (т.е. расстояние между центром тяжести средства противовеса и вертикальной плоскостью, проходящей через центр подъемной силы дирижабля), вызывают крен дирижабля, и тем самым также поворачивают средство панели солнечных батарей, жестко установленное на корпусе дирижабля.

Для максимальной экономии веса средство противовеса предпочтительно содержит модуль полезной нагрузки дирижабля, которое выполнено с возможностью смещения в поперечном направлении для противодействия весу панели. Поскольку дирижабль сконструирован для несения полезной нагрузки, какое-либо дополнительное средство противовеса для уравновешивания веса панели солнечных батарей не требуется.

В некоторых высотных видах конструкции модуль полезной нагрузки может полностью находиться внутри корпуса. Поэтому дирижабль возможно сконфигурировать как устойчивый маятник для определенного нацеливаемого направления средства панели солнечных батарей. Модуль полезной нагрузки целесообразно устанавливают для перемещения по дуге вокруг центра подъемной силы. Это перемещение модуля полезной нагрузки по дуге вызывает крен дирижабля вокруг его продольной оси до тех пор, пока центр тяжести всего аппарата не окажется снова непосредственно под центром подъемной силы. За счет перемещения модуля полезной нагрузки по дуге под центром подъемной силы можно обеспечивать маятниковую устойчивость. С помощью этой системы возможно обеспечивать вращение средства панели солнечных батарей на величину свыше 90°. Это обстоятельство дает дирижаблю возможность не только регулировать средство панели солнечных батарей во время движения солнца по небу в дневные часы, но также обеспечивает дирижаблю возможность двигаться в противоположном направлении (для соблюдения требований в отношении преобладающего ветра и стационарности относительно станции), и одновременно выдерживать средство панели солнечных батарей на той стороне дирижабля, которая обращена к солнцу. Это обстоятельство особо важно при работе в более высоких географических широтах.

Целесообразно, чтобы средство вращения содержало средство троса и лебедки. Обычно средство троса и лебедки содержит совокупность небольших лебедок для втягивания/выпуска тросов, образующих средство подвески для подвешивания модуля полезной нагрузки к корпусу дирижабля. Управление работой средства троса и лебедки является составной частью общей системы управления полетом в дирижабле.

В соответствии с еще одним аспектом данного изобретения обеспечивают способ ориентирования во время полета средства панели солнечных батарей, установленного снаружи корпуса дирижабля, чтобы увеличивать количество падающего солнечного излучения, собираемого средством панели солнечных батарей.

Краткое описание чертежей

Реализация данного изобретения далее излагается, только в качестве примера, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - схематическое изображение стратосферного дирижабля в полете, и

фиг.2а, 2b, 2с - схематические изображения того, как изображаемый на фиг.1 дирижабль можно накренять для повторного ориентирования средства панели солнечных батарей, установленного снаружи дирижабля.

Варианты осуществления изобретения

Фиг.1 схематически иллюстрирует стратосферный дирижабль 1 в полете. Дирижабль 1 имеет единый корпус 2, выполненный из газосодержащей оболочки, наполненной газом легче воздуха, обычно гелием. Далее гелий указывается как газ, наполняющий оболочку, хотя подразумевается, что могут применяться другие газы. По меньшей мере, одна панель 3 солнечных батарей жестко установлена на корпусе 2. Панель 3 солнечных батарей проходит только по четверти окружности корпуса 2 и установлена на переднем конце дирижабля. При запуске газосодержащую оболочку корпуса только частично наполняют гелием, обычно только около 6-8% окончательного наполняемого гелием объема корпуса 2, и при этом дирижабль не будет иметь “надутую” форму, изображаемую на фиг.1. После запуска частично наполненного газом дирижабля гелий постепенно расширяется по мере того, как дирижабль поднимается в атмосфере до своей рабочей высоты, т.е. около 70000 футов (около 22 км). На рабочей высоте дирижабль имеет форму, схематически изображаемую на фиг.1.

Дирижабль 1 имеет внутреннюю полезную нагрузку, установленную в гондоле 5 (см. фиг.2а-с). Гондола прикреплена к корпусу 2 тросами 6-10. Трос 6 проходит от гондолы 5 в точку прикрепления 13 на корпусе 2. Трос 7 проходит от гондолы к шкиву 14, по которому проходит трос 8, противоположные концы которого соединены с корпусом в точках прикрепления 15 и 16. Трос 9 проходит от гондолы 5 в шкив 17, по которому проходит трос 10, противоположные концы которого соединены с корпусом в точках прикрепления 18 и 19. Лебедки (не изображены) в гондоле предназначены для изменения длины тросов 6, 7 и 9.

В положении, изображаемом на фиг.2а, панель 3 солнечных батарей установлена слева от вертикальной плоскости V, проходящей через продольную ось 20 дирижабля 1. Центр тяжести 21 панели 3 солнечных батарей также находится слева от оси 20; и вес панели уравновешивается гондолой 5, находящейся справа от продольной оси 20. Таким образом, дирижабль находится в устойчивом состоянии - вес панели 3 и вес гондолы 5 противодействуют любому крену дирижабля.

Дирижабль можно накренить за счет перемещения гондолы 5 под осью 20 в сторону вертикальной плоскости V. Согласно чертежам гондолу 5 перемещают по дугообразной траектории 22, центр которой находится в точке 23 вертикальной плоскости V. Перемещение гондолы осуществляют лебедками (не изображены), установленными на гондоле 5. В частности, лебедки укорачивают тросы 6 и 7, и удлиняют трос 9 во время повторной ориентации панели 3 солнечных батарей в положение, изображаемое на фиг.2b. На фиг.2b центры тяжести 21 панели 3 и гондолы 5 находятся в вертикальной плоскости V на противоположных сторонах продольной оси 20. Корпус дирижабля повернут приблизительно на 45°, и панель солнечных батарей обращена вверх для приема падающего на нее солнечного излучения непосредственно сверху дирижабля.

Если лебедки в данный момент работают на увеличение длины тросов 6 и 9 и сокращают длину троса 7, то гондола 5 перемещается влево (на изображениях в соответствующих фигурах) в сторону от вертикальной плоскости V, и корпус 2 поворачивается или кренится по часовой стрелке. Фиг.2с изображает корпус 2 и панель 3 в их другом концевом положении.

За счет действия лебедок корпус 2 можно накренять против часовой стрелки в положение, изображаемое на фиг.2, для приема падающего солнечного излучения на рассвете следующего дня.

Необходимо отметить, что положением гондолы 5 управляют для крена дирижабля, чтобы в нужной степени ориентировать панель 3 солнечных батарей. Таким образом, за счет непрерывного управления лебедками для втягивания или выпуска тросов панель 3 может следовать прохождению солнца по небу. Поэтому положением панели 3 солнечных батарей управляют, предпочтительно, для доведения до максимума или увеличения количества падающего излучения, собираемого панелью солнечных батарей. Управление лебедками является частью общей системы управления полетом дирижабля, которая также принимает другую управляющую информацию по управлению дирижаблем, такую как положение прочих управляющих поверхностей, по работе систем определения курса и других.

Применение однокорпусного дирижабля описываемого выше типа обеспечивает вращение или поворот корпуса вокруг его продольной оси на относительно значительную величину угла, например, до или свыше 90°. Поскольку дирижабль, по существу, имеет форму тела вращения, поэтому аэродинамика дирижабля не изменяется значительно или до значительной степени при его повороте вокруг его продольной оси.

Хотя данное изобретение излагается на примере нежестких дирижаблей, его можно также применить и для других типов дирижаблей. Например, панель солнечных батарей можно установить, с возможностью ее подвижности, на корпусе жесткого или полужесткого дирижабля для перемещения относительно корпуса, чтобы следовать солнцу, проходящему по небу.

Данное изобретение предназначено как для дирижабля в полете, так и на земле в ненаполненном состоянии. Поэтому термин “дирижабль” подразумевает дирижабль с ненаполненной или частично наполненной оболочкой.

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха. Дирижабль (1) содержит средство, включающее газосодержащую оболочку и используемое как корпус (2) с продольно проходящей продольной осью (20), и средство (3) панели солнечных батарей, выполненное с возможностью его установки снаружи корпуса (2). Средство (3) панели солнечных батарей при использовании проходит только вокруг части окружности корпуса (2) и его поворачивают вокруг продольной оси (20) корпуса для управления количеством падающего солнечного излучения, собираемого средством (3) панели солнечной батареи. Технический результат – увеличение количества солнечного излучения, собираемого средством панели солнечных батарей. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Дирижабль (1), содержащий средство, включающее газосодержащую оболочку и используемое как корпус (2) с, по существу, продольно проходящей продольной осью (20), и средство (3) панели солнечных батарей, выполненное при использовании с возможностью его установки снаружи корпуса (2) и проходящее только по части окружности корпуса (2), отличающийся тем, что средство (6-10) перемещения противовеса выполнено с возможностью поворота при использовании средства (3) панели солнечных батарей вокруг продольной оси (20) корпуса для управления, например, увеличения или доведения до максимума количества падающего солнечного излучения, собираемого средством (3) панели солнечных батарей.2. Дирижабль по п.1, отличающийся тем, что средство (3) панели солнечных батарей жестко прикреплено к корпусу (2) дирижабля.3. Дирижабль по п.1 или 2, отличающийся тем, что средство (3) панели солнечных батарей проходит по достаточной длине корпуса (2) для обеспечения необходимой площади панели для основных энергетических потребностей дирижабля.4. Дирижабль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что средство перемещения противовеса для осуществления поворота средства (3) панели солнечных батарей содержит выполненное с возможностью перемещения средство (5) противовеса, при этом центры тяжести средства (3) панели солнечных батарей и средство (5) противовеса расположены на противоположных сторонах вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось (20) или ось подъемной силы дирижабля.5. Дирижабль по п.4, отличающийся тем, что средство (5) противовеса содержит модуль полезной нагрузки дирижабля, выполненный с возможностью поперечного смещения для противодействия весу средства (3) панели солнечных батарей.6. Дирижабль по п.5, отличающийся тем, что модуль (5) полезной нагрузки полностью содержится внутри корпуса (2).7. Дирижабль по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что указанное средство (6 - 10) перемещения противовеса содержит средство троса и лебедки.8. Дирижабль по п.7, отличающийся тем, что средство троса и лебедки содержит совокупность лебедок, втягивающих/выпускающих тросы (6, 7, 9), образующие средство подвески для подвешивания средства (5) противовеса к корпусу (2) дирижабля.9. Способ сбора солнечной энергии, падающей на средство (3) панели солнечных батарей, установленное снаружи корпуса (2) дирижабля, отличающийся тем, что указанный способ содержит операцию вращения средства (3) панели солнечных батарей вокруг продольной оси корпуса (2) с помощью средства перемещения противовеса для управления количеством падающей солнечной энергии, собираемой средством (3) панели солнечных батарей.