КОНСТРУКЦИЯ КОРПУСА АЭРОСТАТА Российский патент 2005 года по МПК B64B1/58 

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов легче воздуха и может быть использовано при строительстве аэростатов и дирижаблей.

Одной из основных проблем эксплуатации аэростатов является управление высотой полета. Наиболее простыми способами управления являются расходование балласта либо несущего газа, что, однако, сокращает продолжительность полета и ухудшает весовую отдачу аппарата.

С целью повышения эффективности управления высотой полета аэростата применяют различные усовершенствования в части конструктивных решений. В патенте Франции №1535761, кл. В 64 В 1/40, 1968 г., предусмотрено разделение внутреннего объема оболочки на газовый и воздушный отсеки. Маневрирование по высоте производят путем выпуска несущего газа, либо путем нагрева воздушного отсека. Объем внешней оболочки аэростата не регулируется и это решение не является достаточно эффективным.

Теоретически наиболее эффективным регулированием высоты полета является предложенное К.Э.Циолковским изменение объема аппарата при постоянстве массы несущего газа. Однако неоднократные попытки реализовать на практике эту идею до настоящего времени не удавались (Ю.С. Бойко. Воздухоплавание в изобретениях, 1999 г., стр.64).

Наиболее близким техническим решением к здесь предложенному является конструкция безбаллонетного аэростата, разработанная в Долгопрудненском КБ автоматики (Ю.С.Бойко. Воздухоплавание, М., 2001 г., стр.70). Изменение объема оболочки достигают путем сдавливания газового объема хвостовой части оболочки. При старте аэростат имеет сжатый газовый объем и по мере подъема на рабочую высоту оболочка, удлиняясь, заполняет хвостовую часть, которая по контуру поперечного сечения состоит из трубчатых мягких элементов, заполненных под давлением тем же несущим газом. Для снижения аэростата, а также при охлаждении несущего газа или его утечке оболочка втягивается внутрь (прототип).

Это техническое решение имеет недостаток: изменение объема оболочки существенно изменяет характер геометрии аэростата и ухудшает его аэродинамику. Кроме этого, схема изменения объема вызывает большие перемещения хвостовой части оболочки относительно носовой и ее перегибы на 180°, что приводит к концентрации в оболочке усилий и напряжений. Поэтому, помимо ухудшения аэродинамики, соблюдение условий прочности и надежности этой конструкции в момент трансформации объема требует увеличения несущей способности материала оболочки, что приводит к существенному увеличению массы аэростата и снижению весовой отдачи.

Целью изобретения является создание конструкции аэростата, позволяющей управлять высотой его подъема без потерь несущего газа и балласта. Эта цель достигается путем создания конструкции корпуса изменяемого объема, в которой по контуру поперечного сечения оболочки расположены трубчатые мягкие элементы, заполненные под давлением несущим газом. Три или более трубчатых элемента образуют лонжероны, концы которых в носовой и хвостовой частях корпуса объединены шарнирно и взаимно соединены внутри корпуса затяжкой регулируемой длины. Оболочка между смежными лонжеронами очерчена по поверхности отрицательной гауссовой кривизны, при этом изменение объема корпуса производят, изменяя длину затяжки.

Варианты конструктивных решений предусматривают одновременное с изменением длины затяжки поддержание давления газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного на 40-100 мм вод. ст.

Таким образом, в предложенной конструкции изменение объема корпуса производят путем трансформации его формы от вытянутой на старте до приближающейся к шарообразной на заданной высоте, а также обратную трансформацию, без существенного изменения его аэродинамики, при этом в процессе трансформации не происходит резких перегибов оболочки, что не требует ее усиления.

На фиг.1 дан продольный диаметральный разрез корпуса аэростата по 1-1 на фиг.2. На фиг.2 дан поперечный (в миделе) разрез корпуса по 2-2 на фиг.1. На фиг.3 дана аксонометрия фрагмента корпуса. На всех чертежах сплошными линиями показана форма корпуса минимального объема (на старте), пунктирными линиями - форма максимального объема (на заданной высоте).

Конструкция корпуса аэростата (фиг.1 и 2) содержит расположенные по контуру поперечного сечения оболочки 1 три или более трубчатых элемента, образующих лонжероны 2, которые задают форму корпуса. Концы лонжеронов объединены шарнирно и соединены внутри корпуса затяжкой 3 регулируемой длины. Лонжероны заполнены под давлением выше атмосферного несущим газом. Оболочка между смежными лонжеронами очерчена по поверхности отрицательной гауссовой кривизны (седлообразной формы), фиг.3. Внутри корпуса давление несущего газа ниже внешнего атмосферного.

Конструкция корпуса работает следующим образом. Пониженное давление газа внутри корпуса создает растягивающие усилия в оболочке и в затяжке и сжатие в лонжеронах. Оболочка работает как мембрана, растянутая в ее поверхности в двух главных ортогональных направлениях. Такая форма оболочки позволяет с минимальными прогибами воспринимать как положительные, так и отрицательные локальные усилия со стороны атмосферного воздуха: при положительном давлении мембрана работает на растяжение в поперечном (вогнутом по отношению к корпусу аэростата) направлении, при отрицательном давлении (при отсосе) мембрана работает также на растяжение в продольном (выпуклом) направлении. Лонжероны раскреплены растянутой мембранной оболочкой от потери устойчивости и практически работают на центральное сжатие.

Применение преднапряженного сжатого каркаса, раскрепленного от потери устойчивости мембранной оболочкой, затяжки и отрицательного давления газа внутри корпуса обеспечивают геометрическую неизменяемость конструкции на всех этапах трансформации объема: от вытянутого на старте, до приближающегося к шарообразному при подъеме на заданную высоту.

Регулирование высоты подъема аэростата производят следующим образом. На старте аэростат имеет вытянутую форму и его объем минимален, на фиг.1, 2 и 3 он показан сплошными линиями. В этом начальном состоянии прогиб f_н мембран между смежными лонжеронами максимален и составляет величину порядка 1/6-1/3 l_н, где l_н - расстояние между смежными лонжеронами (см. фиг.1 и 2). Прогиб F_H лонжеронов в этом состоянии минимален и составляет величину порядка 1/6-1/3 L_н, где L_н - расстояние между концами лонжеронов. Давление несущего газа (например, гелия) внутри корпуса ниже внешнего атмосферного (ориентировочно на 0,02-0,05 атм), давление газа внутри лонжеронов существенно выше атмосферного (в 2 и более раза).

Для подъема аэростата длину затяжки постепенно уменьшают известными способами, например с помощью винтового устройства, гидродомкрата, полиспаста и т.п.(на чертежах не показаны).

При достижении заданной (конечной) высоты аэростат примет форму, приближающуюся к шарообразной, показанную на фиг.1, 2 и 3 пунктирными линиями. В этом конечном состоянии прогиб f_к мембран между смежными лонжеронами минимален и составляет величину порядка 1/20-1/30 l_к, где l_к - расстояние между смежными лонжеронами. Прогиб F_k лонжеронов в этом состоянии максимален и составляет величину порядка 1/3-1/2 L_k, где L_k - расстояние между концами лонжеронов. Давление несущего газа внутри корпуса уменьшится обратно пропорционально увеличению его объема. С учетом этого давления производят расчет элементов конструкции аэростата. Такое конструктивное решение возможно для аппаратов, поднимающихся на незначительную высоту.

Спуск аэростата производят в обратном порядке: увеличивают длину затяжки, что приводит к уменьшению объема корпуса и увеличивает давление внутреннего газа до начального значения на старте.

Для аппаратов больших размеров и грузоподъемности, а также работающих на больших высотах разработаны варианты конструктивных решений, предусматривающие регулирование давления внутреннего несущего газа.

В первом варианте предусматривается изменение объема корпуса путем изменения длины затяжки при одновременном поддержании давления газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного на 40-100 мм вод. ст. путем нагрева внутреннего газа при подъеме и охлаждения при спуске, для чего используют известные способы.

Во втором варианте изменение объема корпуса производят изменением длины затяжки и одновременно поддерживают давление газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного на 40-100 мм вод. ст. путем отбора газа из трубчатых элементов (лонжеронов) при подъеме и нагнетая газ из корпуса в лонжероны при спуске аппарата. Отбор и нагнетание газа производят известными способами: отбор с помощью автоматических клапанов, отрегулированных на заданный уровень давления, нагнетание газа с помощью компрессоров (на чертежах клапаны и компрессоры не показаны). В этом варианте конструктивного решения лонжероны, являясь несущими элементами, задающими геометрию аэростата (дирижабля), одновременно выполняют роль баллонетов, резервирующих несущий газ.

Заметим, что в процессе трансформации корпуса аэростата длины лонжеронов и размеры мембранных оболочек остаются практически неизменяемыми (с точностью до деформаций при изменении действующих в них усилий).

Таким образом, изменение объема аэростата реализуется равномерно и постепенно, при этом не происходит существенных изменений его аэродинамики, резких перегибов оболочки и других элементов. Это позволяет наиболее рационально и полно использовать прочностные свойства материалов и создать конструкцию корпуса с высокой весовой отдачей. Регулирование высоты подъема аэростата производится без потерь несущего газа и балласта.

Представляется, что предложенная конструкция корпуса аэростата (дирижабля) позволяет реализовать упомянутую выше идею К.Э.Циолковского.

Изобретение относится к воздухоплаванию и касается создания воздухоплавательных аппаратов легче воздуха. Конструкция корпуса аэростата изменяемого объема имеет оболочку, заполненную несущим газом, и расположенные по контуру поперечного сечения оболочки трубчатые мягкие элементы, заполненные под давлением несущим газом. Три или более трубчатых элемента образуют лонжероны, задающие форму корпуса. Концы лонжеронов шарнирно соединены внутри корпуса затяжкой регулируемой длины. Оболочка между смежными лонжеронами очерчена по поверхности отрицательной гауссовой кривизны. Давление несущего газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного, при этом изменение объема корпуса производят, регулируя длину затяжки. Технический результат реализации изобретения заключается в обеспечении возможности управления высотой подъема аэростата без потерь несущего газа и балласта. 2 з.п. ф-лы. 3 ил.

1. Конструкция корпуса аэростата изменяемого объема, содержащая оболочку, заполненную несущим газом, и расположенные по контуру поперечного сечения оболочки трубчатые мягкие элементы, заполненные под давлением несущим газом, отличающаяся тем, что три или более трубчатых элемента образуют лонжероны, задающие форму корпуса, концы которых шарнирно соединены внутри корпуса затяжкой регулируемой длины, оболочка между смежными лонжеронами очерчена по поверхности отрицательной гауссовой кривизны, давление несущего газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного, при этом изменение объема корпуса производят, регулируя длину затяжки.2. Конструкция корпуса аэростата изменяемого объема по п.1, отличающаяся тем, что изменение объема корпуса производят, изменяя длину затяжки и одновременно поддерживая давление несущего газа внутри корпуса ниже внешнего атмосферного на 40-100 мм водяного столба путем отбора газа из лонжеронов при подъеме и нагнетания газа из корпуса в лонжероны при спуске аппарата.3. Конструкция корпуса аэростата изменяемого объема по п.1, отличающаяся тем, что изменение объема корпуса производят, изменяя длину затяжки и одновременно нагревая газ внутри корпуса при подъеме и охлаждая газ при спуске аэростата, поддерживая при этом давление несущего газа на 40-100 мм водяного столба ниже внешнего атмосферного давления.