Воздушный шар Российский патент 2022 года по МПК B64B1/40 B64B1/62 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха, а именно к тепловым аэростатам.

Известен воздушный шар, включающий оболочку, наполненную воздухом или газом, имеющим температуру выше, чем окружающий воздух, а плотность соответственно ниже. Соответственно, под действием выталкивающей силы он устремляется вверх (https://dlia-sporta.ru/glavnaia/oboradovanie/vozdushnyi-shar/).

Недостатком известного воздушного шара является необходимость наличия на воздушном шаре горелки и баллона с топливом для поддержания высоты полета.

Известен воздушный шар, содержащий оболочку, наполненную горячим паром на земле. Когда воздушный шар поднимается, часть водяного пара конденсируется. Конденсация выделяет много скрытой теплоты, которая замедляет охлаждение и помогает поддерживать оставшийся водяной пар в газообразном состоянии (Паровые шары могут быть использованы для запуска спутников. 22 августа 2019 г. https://www.scitecheuropa.eu/steam-balloons-could-be-used-to-launch-satellites/96701/).

Известный воздушного шар позволяет замедлить уменьшение подъемной силы в полете, однако в нем отсутствует возможность увеличивать ее с целью регулирования высоты полета.

Известен безбалластный дирижабль, содержащий основную камеру постоянного объема, наполненную несущим газом, сообщающуюся с ней дополнительную камеру переменного объема, соединенную своей верхней частью с нижней частью основной камеры, устройство для изменения объема дополнительной камеры и соответственно изменения давления в обеих камерах, гондолу, выполненную в форме кольца, внутри которого размещена нижняя часть дополнительной камеры (Патент на изобретение РФ № 2174482, В64В 1/62, 1999).

Этот безбалластный дирижабль обладает большой грузоподъемностью, однако имеет сложную конструкцию.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по конструктивным признакам является комбинированный воздушный шар, оболочка которого поделена на две камеры, верхняя из которых наполнена легким и негорючим гелием, а нижняя - горячим воздухом. Регулирование высоты полета производят, подогревая его в ходе полета пропаном, этаном или керосином, сжигаемым в специальных горелках (20 дней на воздушном шаре. http://www.vokragsveta.ru/vs/article/580/).

Недостатком известного воздушного шара является сложность конструкции, связанная с необходимостью наличия на воздушного шаре горелки и баллона с топливом для поддержания высоты полета. Кроме того, поддержание наполняющих оболочку газов в нагретом состоянии путем наполнения оболочки в полете продуктами горения недостаточно эффективно из-за повышенного теплообмена с внешней атмосферой по сравнению с наполнением замкнутой оболочки нагретыми газами на стартовой площадке.

Задачей настоящего изобретения является упрощение конструкции воздушного шара за счет отказа от использования горелки и топлива к ней во время полета за счет использования во время полета скрытой теплоты парообразования одного из двух газов, наполняющих оболочку.

Этот технический результат достигается за счет того, что в воздушном шаре, содержащем оболочку, которая поделена на две камеры, основную и дополнительную, причем основная камера выполнена герметичной и наполнена легким и негорючим гелием, дополнительная камера также выполнена герметичной, температура конденсации нагретого газа, которым она наполнена, выше температуры легкого газа в основной камере, и камеры выполнены с возможностью поступления нагретого газа из дополнительной камеры в основную, а основная камера выполнена с возможностью отвода наружу жидкости от сконденсированного нагретого газа. В предпочтительном варианте дополнительная камера наполнена перегретым водяным паром. Также предпочтительно дополнительная камера расположена внутри основной. Преимущественно основная камера наполнена легким газом в количестве, недостаточном для подъема воздушного шара вместе с полезным грузом при температуре газа равной температуре окружающей среды, но достаточном для подъема воздушного шара в нагретом состоянии.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 схематично показан воздушный шар, общий вид.

Позиции на фигурах обозначают:

1 - основная камера (оболочка);

2 - дополнительная камера;

3 - наружный патрубок;

4 - кран наружного патрубка;

5 - соединительный патрубок;

6 - кран соединительного патрубка;

7 - водосборник;

8 - дренажный патрубок;

9 - кран дренажного патрубка;

10 - стационарный парогенератор;

11 - стационарный паропровод;

12 - клапан.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции воздушного шара за счет отказа от использования горелки и топлива к ней во время полета для поддержания высоты полета.

Предлагаемый воздушный шар содержит герметичную оболочку, которая поделена на две камеры, основную 1 и дополнительную 2, в предпочтительном варианте дополнительная камера 2 размещена внутри основной 1, роль которой выполняет оболочка. Основная камера 1 наполнена легким газом, а дополнительная 2 - горячим газом, температура конденсации которого выше температуры легкого газа в основной камере 1. Предпочтительно основная камера 1 наполнена негорючим гелием, а дополнительная 2 - перегретым водяным паром. Основная камера 1 снабжена наружным патрубком 3, с краном 4. Дополнительная камера 2 снабжена каналом 5, проходящим внутри основной камеры 1, заканчивающимся закрепленным на поверхности основной камеры 1 наружным патрубком 6 с краном 7. Дополнительная камера 2 снабжена соединительным патрубком 8 с краном 9, выведенным вовнутрь основной камеры 1. Предпочтительно наружный патрубок 6 расположен в верхней части дополнительной 2 и основной 1 камер, а соединительный патрубок 8 - в нижней части дополнительной камеры 2. В нижней части основной камеры 1 размещен водосборник 10 с выведенным наружу дренажным каналом 11 с краном 12. Предпочтительно основная камера 1 оболочки наполнена легким газом в количестве, недостаточном для подъема воздушного шара вместе с полезным грузом при температуре газа равной температуре окружающей среды, но достаточном для подъема воздушного шара в нагретом состоянии. В случае использования в качестве нагретого газа перегретого водяного пара легкого газа, рабочая температура легкого газа может доходить до 100°C. Воздушный шар агрегатируется с пусковой установкой, которая содержит стационарный парогенератор с паропроводом (не показаны), выполненным с возможностью соединения его с наружным патрубком 6 дополнительной камеры 2. На всех патрубках могут быть установлены обратные клапаны (не показаны). Все краны выполнены с дистанционным управлением (не показано).

Работает воздушный шар следующим образом. Для осуществления полета воздушный шар помещают на пусковую установку, его основную камеру 1 через патрубок 3 наполняют легким и негорючим гелием, а дополнительную камеру 2 посредством стационарного парогенератора со стационарным паропроводом через патрубок 6 - перегретым водяным паром. Температура перегретого водяного пара определяется теплостойкостью материала дополнительной камеры 2 и техническими характеристиками парогенератора и составляет 110-120°С. С целью уменьшения тепловых потерь основную камеру 1 гелием наполняют вначале, а дополнительную 2 перегретым паром - с отставанием во времени, во вторую очередь. После наполнения дополнительной камеры 2 перегретым водяным паром выключают стационарный парогенератор, отсоединяют ее от стационарного паропровода, и отпускают воздушный шар в полет.

Во время полета воздушного шара при снижении высоты полета из-за остывания гелия, и (или) при необходимости увеличить высоту полета открывают кран 9 соединительного патрубка 8, в результате чего часть перегретого водяного пара перемещается из дополнительной камеры 2 в основную камеру 1. В результате теплообмена с поступившим перегретым водяным паром гелий в основной камере 1 нагревается и расширяется, увеличивая подъемную силу воздушного шара. Образовавшуюся при остывании и конденсации перегретого водяного пара и накапливающуюся в нижней части камеры 1 водосборнике 10 воду отводят наружу по дренажному патрубку 11 путем открытия крана 12. Верхнее расположение канала 5 позволяет обеспечить расположение дополнительной камеры 2 внутри основной камеры 1, исключая контакт с наружной поверхностью воздушного шара и теплообмен через стенки камер 1 и 2 с наружным холодным воздухом. Крое того в этом случае дополнительная камера 2 с более тяжелым по отношению к газу гелию водяным паром оказывается подвешенной внутри основной камеры 1 на канале 5 и ее вес будет сдавливать как основную, так и дополнительную 1 камеры, что будет обеспечивать поддержание положительного давления в камерах 1 и 2 и поступление водяного пара из дополнительной камеры 2 в основную 1 при открытии крана 9.

Как в процессе наполнения дополнительной камеры 2 перегретым водяным паром, так и во время полета через стенку дополнительной камеры 2 имеет место теплообмен между гелием в основной камере 1 и перегретым водяным паром в дополнительной камере 2, в результате которого в дополнительной камере 2 возможно появление сконденсировавшейся воды, которая накапливается в ее нижней части. Вследствие нижнего расположения соединительного патрубка 8 эта вода будет отводиться в основную камеру 1 всякий раз при открытии крана 9 для подачи в нее водяного пара. Кроме того по мере необходимости можно открывать кран 9 только для отвода накапливающейся воды в основную камеру 1, где она собирается в ее водосборнике 10, а из него при открытии крана 12 по дренажному патрубку 11 отводится наружу оболочки.

Для завершения полета или принудительного снижения высоты полета воздушного шара, открывают клапан 7 и по каналу 5 удаляют водяной пар из дополнительной камеры 2 в атмосферу. Таким же образом можно при необходимости уменьшать высоту полета воздушного шара.

По окончанию полета после освобождения от сконденсировавшегося водяного пара, в воздушном шаре остается только гелий в основной камере 1, который может быть выкачан в емкость для хранения (не показана). Также, поскольку количество гелия недостаточно для подъема воздушного шара при температуре, равной температуре окружающей среды, гелий может оставаться в основной камере 1 до следующего полета.

Пример осуществления изобретения: стандартный воздушный шар АХ-7, объемом V=1850 м³, внутри которого размещена другая оболочка, объем которой составляет 1/10 от общего объема (диаметр составляет 0,46 от диаметра шара), т.е. 1665 м³ наполнено гелием, а 185 м³ - водяным паром. Температура наполнения гелия - 100°C (плотность ρ_г=0,1264 кг/м³), водяного пара - 120°С (плотность ρ_п=0,546 кг/м³). Рабочая температура выбрана исходя из максимально допустимой рабочей температуры материала оболочки - 120°С. Масса водяного пара в дополнительной камере V=185 м³ при 120°С составляет М_п=0,546 кг/м³⋅185 м³=101,01 кг. Масса гелия 0,126×1665=209,79 кг. Удельная теплоемкость гелия 5,190 кДж/(кг*К). Температура атмосферного воздуха 10°С, плотность воздуха при этом составляет ρ_в=1,2466 кг/м³.

Количество тепла Q, которое нужно подвести к воде и водяному пару для заполнения им дополнительной камеры 2 воздушного шара, равно сумме теплоты, необходимой для нагрева воды от температуры окружающей среды t₁=20° до температуры кипения воды t₂=100°С Q₁, перевода воды в водяной пар Q₂, и нагрев водяного пара до t₃=120°С для создания запаса тепла для поддержания водяного пара в газообразном состоянии Q₃:

Q_п=Q₁+Q₂+Q₃=m_в[c_в(t₂-t₁)+r_в+c_п(t₃-t₂)].

Q_п=101,01[4,200⋅80+2258+2,200⋅20]=266464,38 кДж,

из которых в виде скрытой теплоты водяной пар запасет 2258 × 101,01 = 228 080,58 кДж теплоты.

Ориентировочно количество тепла, которое может быть передано водяным паром гелию в основной камере 1 в процессе наполнения дополнительной камеры 2 перегретым паром

Q_г=c_г⋅m_г(t₂-t₁);

Q_г=5,190⋅209,79⋅80=87104 кДж.

Эту теплоту гелий в основной камере 1 получает на пусковой установке за счет теплообмена через стенку дополнительной камеры 2 дополнительно к теплоте, запасенной водяным паром, заполняющим дополнительную камеру 2. То есть водяной пар запасает дополнительно тройной (3,059) запас тепла для поддержания гелия в нагретом для полета до 100°С. Если рабочая температура гелия меньше, то запас скрытой теплоты в водяном паре для ее поддержания будет. Например, при нагреве гелия от 20°С не до 100°С, а до 60°С, то есть не на 80°С, а на 40°С запас будет не тройной, а шестикратный. А, например, при рабочей температуре гелия 40°С запас теплоты будет 12-тикратный. В случае если рабочей температурой гелия будет температура окружающей среды, этот запас тепла может быть использован для управления высотой полета в случае необходимости ее увеличения.

Для возможности сравнения и оценки эффективности предлагаемого воздушного шара по сравнению с воздушным шаром с использованием стандартных горелок тепловых аэростатов, работающих на смеси пропан-бутана (бытовой газ) с удельной теплотой сгорания определим количество необходимого для запуска воздушного шара с горелкой.

Количество топлива, необходимого для сообщения воде и водяному пару теплоты, необходимой для наполнения дополнительной камеры 2 воздушного шара перегретым водяным паром

Для нагрева гелия необходимо

Суммарно для подготовки предлагаемого воздушного шара к полету требуется 11,05 кг топлива.

При остывании 1 кг водяного пара от 120°С до 100°С и последующим переходом в конденсированное состояние выделится с_п=2,200 кДж/(кг⋅град)*(120-100)°С+2258 кДж/кг=2302 кДж. Этой теплоты достаточно, например, чтобы поднять температуру всего гелия в воздушном шаре (209,79 кг) на 2302/(209,79⋅5,190)=2,11°С. Одновременно с этим при конденсации пара произойдет уменьшение объема на 1/0,546=1,831 м³ (объемом образовавшегося 1 кг воды (0,001 м³) можно пренебречь в виду малости).

При израсходовании всей скрытой теплоты водяного пара, и, соответственно, переходе всего пара в жидкое состояние, объем воздушного шара уменьшится на 185 м³. Подъемная сила также уменьшится на

P=V(ρ_в-ρ_п)=185(1,230-0,546)=126,54 кг.

Масса при последующем сливе образовавшейся воды уменьшится на массу пара, равную 101,01 кг. С учетом веса топлива (11,05 кг), которое необходимо было бы взять в полет для нагрева водяного пара, а также массы баллона (13,0 кг) горелки (16 кг), изменение подъемной силы в результате израсходования всей скрытой теплоты, составит

126,54-101,01-40,05=-14,52 кг.

То есть больше, предлагаемый согласно изобретению воздушный шар обеспечивает полезную нагрузку на 14,52 кг больше по сравнению с воздушным шаром с горелкой. На фоне общей грузоподъемности воздушного шара, равной Ρ=V(ρ_в-ρ_г)=1665(1,230-0,126)=1838,16 кг повышение грузоподъемности воздушного шара практически Незаметно, менее 1%. Однако это повышение сопровождается значительным упрощением его конструкции. Большая полезная нагрузка воздушного шара может быть достигнута применением балласта соответствующей массы, например в виде холодной воды.

Для оценки времени наполнения воздушного шара перегретым паром и частичного нагрева гелия используем технические характеристики промышленного парогенератора электрического UPE-1000 (https://ural-power.info/parogenerator-ural-power-upe-1000-elektricheskiy/). Производительность 1000 кг пара в час, мощность 650 кВт (соизмерима с. тепловой мощностью газовой горелки Z-1), номинальный ток 950-1050 А, давление 1-20 атм, температура пара 114°С-350°С, регулировка мощности 25-100%, масса 450 кг. Ориентировочное время заполнения воздушного шара паром - 101,01 кг / 1000 кг/час = 0,1 час = 6 мин.

Предлагаемый воздушный шар проще по сравнению с прототипом, поскольку в нем отсутствует горелка, баллон с топливом, а кроме того, поддержание температуры в замкнутой оболочке более эффективно по сравнению с наполнением открытой оболочки продуктами горения топлива в горелке во время полета.

Изобретение относится к тепловым аэростатам. Воздушный шар содержит герметичную оболочку, которая поделена на основную камеру 1 и дополнительную камеру 2, которая размещена внутри основной камеры 1, которая наполнена легким газом. Дополнительная камера 2 наполнена горячим газом, температура конденсации которого выше температуры легкого газа в основной камере 1. Основная камера 1 снабжена наружным патрубком 3 с краном 4. Дополнительная камера 2 снабжена каналом 5, проходящим внутри основной камеры 1, заканчивающимся закрепленным на поверхности основной камеры 1 наружным патрубком 6 с краном 7. Дополнительная камера 2 снабжена соединительным патрубком 8 с краном 9, выведенным вовнутрь основной камеры 1. В нижней части основной камеры 1 размещен водосборник 10 с выведенным наружу дренажным каналом 11 с краном 12. Изобретение направлено на упрощение воздушного шара путем отказа от использования горелки и топлива во время полета. 8 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Воздушный шар, содержащий оболочку, которая поделена на две камеры, основную и дополнительную, причем основная камера выполнена герметичной и наполнена легким и негорючим гелием, а дополнительная камера наполнена нагретым газом, отличающийся тем, что с целью упрощения конструкции воздушного шара путем отказа от использования горелки и топлива к ней во время полета дополнительная камера также выполнена герметичной, температура конденсации нагретого газа, которым она наполнена, выше температуры легкого газа в основной камере, и камеры выполнены с возможностью поступления нагретого газа из дополнительной камеры в основную, а основная камера выполнена с возможностью отвода наружу жидкости от сконденсированного нагретого газа.

2. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная камера наполнена перегретым водяным паром.

3. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная камера расположена внутри основной.

4. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что основная камера наполнена легким газом в количестве, недостаточном для подъема воздушного шара вместе с полезным грузом при температуре газа, равной температуре окружающей среды, но достаточном для подъема воздушного шара в нагретом состоянии.

5. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная камера снабжена каналом, проходящим внутри основной камеры, заканчивающимся закрепленным на поверхности основной камеры наружным патрубком с краном.

6. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что дополнительная камера снабжена соединительным патрубком с краном, выведенным вовнутрь основной камеры.

7. Воздушный шар по п. 5, отличающийся тем, что наружный патрубок расположен в верхней части дополнительной и основной камер.

8. Воздушный шар по п. 6, отличающийся тем, что соединительный патрубок расположен в нижней части дополнительной камеры.

9. Воздушный шар по п. 1, отличающийся тем, что в нижней части основной камеры размещен водосборник с выведенным наружу дренажным патрубком с краном.