МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ШАР Российский патент 2008 года по МПК B64B1/50 H05F7/00 

Изобретение относится к авиации и телекоммуникационным технологиям, а именно к использованию летательных аппаратов легче воздуха для целей мобильной связи, метеорологических наблюдений, наблюдений за поверхностью земли и водных пространств, а также в качестве источника электрической энергии.

Известно использование летательных аппаратов легче воздуха для размещения антенн (патенты США 3,045,952 (класс США 343/706); 3,979,753 (класс США 343/706; 343/714); 3,142,063 (класс США 343/706); 3,893,123 (класс США 343/706; 343/758); 4,903,036 (класс США 343/706); 4,999,640 (класс США 343/706), где в качестве летательных аппаратов используются шары, аэростаты, дирижабли. Известно также использование авиационных средств в виде сбрасываемых с самолетов капсул для оперативного исследования атмосферы, земной поверхности и океана (патент РФ 2254600 МК G01W 1/08).

В доступной литературе нет сведений о размещении на летательных аппаратах средств для получения электроэнергии и использование летательных аппаратов как составной части системы получения электроэнергии. Также нет сведений о использовании воздушных шаров для наблюдения за местностью, дорогами, заповедниками и другими территориями повышенного риска и более высокой степенью охраны.

Известен воздушный шар, имеющий оболочку, заполняемую газом легче воздуха или горячим воздухом, жесткий каркас, на котором находится оболочка, гондолу, стропы для крепления гондолы и якорные канаты.

Недостатками известного шара является невозможность длительного автономного питания аппаратуры внутри и снаружи шара, отсутствие возможности наблюдения за местностью, негерметичность оболочки и гондолы, что ведет к необходимости частого нагрева внутреннего объема воздуха в оболочке шара (при заполнении оболочки горячим воздухом).

Задачей предлагаемого изобретения является создание долговременно работающей конструкции с минимальными затратами на поддержание ее работы в заданных режимах.

В результате использования предлагаемого изобретения метеорологическая служба приобретает надежные источники информации для любого вида кратковременных прогнозов, которые обычно трудны в определении; службы безопасности движения и спецслужбы МВД приобретают возможность круглосуточного мониторинга на больших территориях в режиме реального времени; мобильная связь страны приобретает неограниченные возможности доступности и использования разных трансферных протоколов передачи информации в любые населенные пункты.

В предлагаемом изобретении шар состоит из внешней гибкой и воздухонепроницаемой оболочки, имеющей несколько круговых лент из прочного материала для фиксации строп разных уровней. Стропы жестко соединены с различными уровнями гондолы для повышения ее динамической вертикальной остойчивости.

В верхней части оболочка имеет клапан из воздухопроницаемой ткани для опока излишних объемов теплого газа внутри шара. Клапан выполнен управляемым с помощью локального и/или наземного дистанционного устройства. Радом с клапаном размещен громоотвод, имеющий собственный изолированный кабель.

В том случае, когда шар используется как источник солнечной энергии, оболочка шара вся или частично выполнена элементами солнечных батарей, причем основные аккумуляторы накопленной за день электроэнергии располагаются на земной поверхности. В любом случае часть оболочки или вся ее поверхность могут обладать свойствами электропроводности для использования в качестве громоотвода и/или электрода разноуровневой (или разновысотной) атмосферной батареи для утилизации атмосферного электричества при достаточной разности потенциалов. Точно так же электропроводящая оболочка шара может служить антенной для приема и передачи информации в допустимом диапазоне частот. Точно так же оболочка может быть вместилищем некоторого вида антенн, в том числе и направленного действия, для соответствующего вида коммуникаций.

Внешняя часть оболочки шара имеет приспособления для закрепления аппаратуры и приборов наблюдения и измерительной аппаратуры.

Часть внешней оболочки может использоваться в целях рекламы, для этих же целей могут служить специальные приспособления вне оболочки.

Внутренние оболочки шара выполнены из теплоизолирующего и/или отражающего материала, в том числе и из тончайших пленок с зеркальной поверхностью. Такое исполнение внутренних оболочек помогает дольше удерживать тепло внутри шара и удлинять промежутки между включением обогревательных систем, а также применять обогревательные системы меньшей мощности, снижая их массу.

Под оболочкой шара находится жесткий каркас из легкого и прочного материала, который может обладать электропроводностью или же лишен ее. Для повышения жесткости конструкции в состав каркаса монтируются элементы жесткости разной конфигурации с целесообразными прочностными характеристиками. Элементы жесткости выполняют в ряде случаев роль антенн соответствующего вида коммуникации.

Каркас жестко соединен с гондолой шара и имеет невысокую степень подвижности относительно гондолы или же полностью лишен этой подвижности. На разных этажах каркаса находятся дополнительные источники тепло- и газовыделения для поддержания необходимых параметров внутренней среды шара. Этажи каркаса разделены многолучевыми распорками, которые одновременно являются опорными элементами оборудования и приборов внутри шара.

Корзина (гондола) жестко и герметично соединена с остовом шара для уменьшения ветровых отклонений осей излучающих антенн. Это соединение также резко уменьшает или исключает приток воздуха внутрь шара при применении герметизирующих материалов и приспособлений на местах соединений гондолы и оболочки шара. Проникновение воздуха внутрь шара осуществляется в основном через центральный вертикальный канал гондолы.

Гондола воздушного шара расширяется кверху воронкообразно и выполнена с центральным вертикальным каналом. На поверхности воронкообразного расширения расположены мощные источники тепла любой природы, в том числе газовые, электрические и др., а также элементы крепления оболочки к гондоле. Внешние поверхности гондолы и ее воронкообразного расширения имеют мощные теплоизоляционные слои из любых легких материалов, в том числе и из тончайших пленок с зеркальной поверхностью.

Кабели и управляющие канаты выполнены с теплозащитой. То же самое относится к элементам управляющих систем и промежуточным аккумуляторам энергии. Основные аккумуляторы накопленной за день электроэнергии (для питания аппаратуры в темное время суток) располагаются на земной поверхности. В пасмурные дни производится подпитка электроэнергией с земли.

Якорные канаты, фиксирующие шар на определенной высоте и определенном месте пространства, раздваиваясь при подходе к шару, присоединяются в двух точках, одна из которых находится у основания гондолы, а вторая - на верхней круговой ленте для крепления строп. Отходящий от якорного каната отвод сам в свою очередь фиксируется растяжкой. Такая фиксация шара якорными канатами и отводами от него повышает его вертикальную остойчивость. Земной конец якорного каната закреплен на наземных якорях, которые могут выполнять и другие функции, например быть помещением для аппаратуры, лаборатории, склада и т.п.

Якорные канаты выполняются с обеспечением возможностей передачи электроэнергии резонансными методами для уменьшения веса проводников электрической энергии. В ряде случаев якорные канаты выполнены в виде трубок для подачи с земли газов и газовых смесей для изменение подъемных характеристик шара как прямым наличием в его полости газов (например, гелий), так и для питания газовых горелок (например, с помощью метана, пропана и т.п.).

На одном или нескольких уровнях каркаса устанавливаются направленные и ненаправленные антенны соответствующего вида коммуникаций (например, мобильной связи, радиосвязи и/или телевещания). Антенны направленного действия выполняются с элементами пространственной стабилизации и/или ориентации с учетом ветровых деформаций шара при разной силе ветра.

Для целей метеорологии в качестве ненаправленной антенны, как предмет выбора, может использоваться морская ненаправленная антенна спирального типа с антенным кабелем и комплексом для установки антенны, системным блоком и приемоиндикатором GPS 30. Такая антенна не требует ориентации и стабилизации по направлению на искусственный спутник земли и может работать на прием и передачу при сильной качке гондолы.

Изобретение представлено на фигурах 1, 2, 3, 4.

На фиг.1 изображен воздушный шар 1 на якорных канатах 2, закрепленных на наземных якорях 3. Верхний конец якорного каната имеет отвод 4 с фиксированной растяжкой 5.

На фиг.2 представлено более детально внешнее оформление шара.

Внешняя оболочка 6 имеет несколько круговых полос 7 из прочного материала для фиксации строп 8 разного уровня. Самый верхний участок 9 оболочки выполнен в виде клапана с локальным и/или дистанционным управлением. Верхняя часть 10 оболочки шара выполнена с элементами солнечных батарей.

Гондола 11 в нижней части оболочки шара имеет воронкообразное расширение 12 и центральный канал 13.

На фиг.3 представлена часть внутреннего оформления шара.

Оболочка шара находится на жестком внутреннем каркасе 14, имеющем элементы жесткости 15 разной конфигурации. Вдоль центральной оси шара расположено устройство стабилизации 16 коммуникационных антенн 17 и/или телевизионных камер наблюдения со своей локальной системой координации 18 в пространстве.

В любой части каркаса выполнены теплозащищенные элементы 19 автономного управления работой систем и аппаратов внутри шара. Управляющие кабели и тросы 20 выполнены с условиями теплозащиты и противопожарной безопасности. В верхней части шара выполнен громоотвод 21.

На фиг.4 представлен участок местности со сложным рельефом, который легко может быть подвергнут мониторингу и обеспечиваться телеметрическими данными с помощью предложенных воздушных шаров. Шары с наземными базами 22, одна из которых расположена вблизи населенного пункта 23 с проходящими через него железной дорогой 24 и автодорогами 25, а другая расположена на возвышенности 26, позволяют вести наблюдение за автодорогами на большом протяжении, мостом 27 через реку 28.

Такой тип мониторинга местности позволяет не только обеспечивать жителей этого района хорошей связью, но и эффективно осуществлять поиск угнанных машин, скрывающихся преступников и бороться с террористами, то есть реально осуществлять необходимый контроль над местностью.

При высоте подвеса воздушного шара, равной 3000 метров, наземные базы шаров могут быть расположены на расстоянии 15-25 и даже 35-40 км друг от друга, что делает целесообразным использование изобретения даже для одной только мобильной связи.

Предложенное изобретение работает следующим образом.

Оболочка 1 наполняется газом легче воздуха для первоначального подъема шара на рабочую высоту и для облегчения размещения на поверхности шара измерительной и телеметрической аппаратуры, а также для проверки кабелей и соединительных узлов. До подъема шара на рабочую высоту включаются элементы нагрева газовой смеси внутри шара для увеличения подъемной силы конструкции и проверки системы нагрева внутреннего объема газов. Проверяется работа клапанной системы (в частности, клапана 9) и поступление воздуха через центральный канал 13. В период плавного подъема шара на рабочую высоту проверяются работа антенн, телекоммуникационной аппаратуры и внутренних устройств шара (например, элементов стабилизации 16 положения антенн и их координации 18 в пространстве). После выведения шара на рабочую высоту начинается дистанционная проверка и настройка работы солнечных батарей 10. Полностью проверенный и отлаженный комплекс воздушного шара начинает функционировать в заданных режимах длительное время.

Описание приводится относительно одной формы летательного аппарата легче воздуха - воздушного шара. Важно иметь ввиду, что в русском языке шар называется воздушным в силу сложившихся семантических привычек, но это совсем не определяет состав газовой смеси внутри шара и не является качественным определяющим признаком в отношении формы предмета. На месте шара может быть аэростат, дирижабль и, в том числе, огромный по размерам сигарообразный предмет (рукавный аэростат), который может быть расположен как горизонтально, так и вертикально.

Изобретение относится к области летательных аппаратов легче воздуха. Шар имеет оболочку, заполняемую газом легче воздуха и/или горячим воздухом, жесткий каркас, на котором находится оболочка, гондолу, стропы для крепления гондолы и якорные канаты. Гондола соединена с оболочкой герметично и имеет воронкообразное расширение сверху и центральный канал вдоль вертикальной оси для ограниченного притока воздуха внутрь оболочки. Оболочка шара может быть электропроводной и служить в качестве электрода в батарее для утилизации атмосферного электричества, а также использоваться непосредственно в качестве антенны или быть вместилищем антенны соответствующего вида коммуникаций. Изобретение направлено на расширение арсенала технических средств. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многофункциональный воздушный шар, имеющий оболочку, заполняемую газом легче воздуха и/или горячим воздухом, жесткий каркас, на котором находится оболочка, гондолу, стропы для крепления гондолы и якорные канаты, отличающийся тем, что гондола соединена с оболочкой герметично и имеет воронкообразное расширение сверху и центральный канал вдоль вертикальной оси для ограниченного притока воздуха внутрь оболочки, причем оболочка шара может быть электропроводной и служить в качестве электрода в батарее для утилизации атмосферного электричества, а также использоваться непосредственно в качестве антенны или быть вместилищем антенны соответствующего вида коммуникаций.2. Шар по п.1, отличающийся тем, что оболочка шара вся или частично выполнена элементами солнечных батарей, причем основные аккумуляторы накопленной за день электроэнергии располагаются на земной поверхности и в пасмурные дни производится подпитка аппаратуры электроэнергией с земли.