СПОСОБ ОСАЖДЕНИЯ ЧАСТИЦ АЭРОЗОЛЬНОГО ОБЛАКА Российский патент 2023 года по МПК G21F9/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для очистки воздушного бассейна от дымовых завес, туманов, продуктов вредных выбросов, образуемых в результате аварий на предприятии или подрыва оружия массового поражения (аэрозольного облака).

Известен способ осаждения частиц аэрозольного облака путем непосредственного вымывание аэрозолей большим объемом воды. См., например, Keller V, Lala G., Beard K. Development Testing of Lange Volume Water Sprays for Warm Fog Dispersal. -NASA Technical Paper 2607, 1986, 106 p.Теоретические и экспериментальные работы по реализации данного метода проводились по заказу НАСА Центром космических полетов имени Джорджа С.Маршала (В.У. Келлер, Б.Дж. Андерсон, и Р.А. Бернс), Государственным университетом в Олбани, шт. Нью-Йорк (Дж.Дж. Лейла и М.Б. Мейер), Иллинойским университетом в Урбана-Шампань, штат Иллинойс (К.В. Бирд). Работы осуществлялись с целью осаждения частиц тумана, нависающего над взлетно-посадочной полосой аэродрома. Данный способ предусматривает распылении капель воды над нависшим облаком тумана. Падающие капли распыленной воды на своем пути захватывают капли тумана и осаждают их на землю. Техническая реализация данного метода предусматривала монтаж вдоль взлетно-посадочной полосы форсунок, обеспечивающих выброс вертикально вверх на высоту, порядка 75 метров большого количество воды (около 6300 литров в секунду на километр взлетно-посадочной полосы). Поскольку капли распыления значительно крупнее, чем капельки тумана и имеют большую скорость падения, то капли распыленной воды догоняют отдельные капельки тумана, сталкиваются с ними и осаждают их на землю. Каждая капля распыления за время своего падения удаляет несколько сотен капелек тумана. Таким образом, капли тумана осаждаются на землю. Реализация данного метода требует значительных энергетических и финансовых затрат.

В патенте Ru 2097849 представлен метод осаждения частиц аэрозольного облака с помощью капель воды, которые образуются в результате искусственного инициирования процессов конденсации содержащихся в атмосферном воздухе паров воды. Вокруг предприятия с повышенным риском выброса в атмосферу вредных веществ, либо на пути возможного продвижения на защищаемую территорию облака, содержащего аэрозоли, образуемые от применения оружия массового поражения, заранее определяют целесообразный район принудительного приземления вредных веществ для их последующего захоронения. При получении сигнала о выбросе облака с вредными для здоровья человека продуктами и, зная районы целесообразного их применения, рассчитывают на ЭВМ оптимальные координаты ввода в облако с вредными продуктами реагента, вызывающего дождь, а в случае необходимости сначала вводят в облако вредных продуктов реагент, создающих и концентрирующий дождевое облако, а затем при достижении заданного района осуществляют искусственное приземление вредных продуктов, вводя в облако реагенты с помощью, например, залпов реактивных снарядов. Данный способ позволяет решать проблему осаждения частиц аэрозольного облака путем искусственного вызывания дождя и не требует использования большого количества воды. Однако, искусственное вызывание осадков возможно лишь при гарантированном содержании в воздухе в момент использования метода достаточного количества влаги, что ограничивает эффективность его использования.

Известны методы по осаждению частиц тумана с помощью электрически заряженных аэрозолей. В работе Frost W, Collins F., Koepf D. Charged Particle Concepts for Fog Dispersion. -NASA, Contractor Report 3440, 1981, 106 p.представлены материалы по исследованию метода осаждения частиц тумана с помощью электрически заряженных капель воды. Капли воды, формируемые в специальном сопле, заряжают ионами или электронами в области генерации коронного разряда и выносятся в атмосферу за счет кинетической энергии струи. Таким образом, в атмосфере окружающего пространства образуется объемный электрический заряд. Под действием электрического поля объемного заряда происходит слияние мелких капель тумана между собой с последующим их осаждением за счет сил гравитации. Кроме того, происходит электрическое заряжание капель тумана при их столкновении с вылетающими из струи электрическими зарядами, которые под действием электрического поля объемного заряда по направлению силовых линий осаждаются на землю. Вынос электрических зарядов известным способом в атмосферу осуществляется за счет энергии струи, и формирование объемного электрического заряда в пространстве над аэрозольным облаком, находящемся на значительной высоте, требует больших энергетических ресурсов.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому относится способ осаждения частиц аэрозольного облака, изложенный в патенте US 8373962. Данный способ предусматривает подъем и выброс в пространство над аэрозольным облаком с помощью летательного аппарата осаждающих аэрозольных частиц, которые перед выбросом с помощью специального устройства заряжаются положительным электрическим зарядом. Электрически заряженные осаждающие аэрозольные частицы, зависая в воздухе, образуют в пространстве над аэрозольным облаком объемное электрически заряженное облако. Между электрически заряженным облаком и поверхностью земли формируется мощное электрическое поле, под действием которого электрически заряженные осаждающие частицы, находящиеся в области нижней части электрически заряженного облака, осаждаются на землю. Опускаясь к поверхности земли, электрически заряженные осаждающие аэрозольные частицы проходят через аэрозольное облако и электрическим полем своего электрического заряда захватывают находящиеся в аэрозольном облаке подлежащие осаждению частицы. Чем и решается задача осаждения частиц аэрозольного облака. Вместе с тем, в следствие выброса из летательного аппарата электрически заряженных осаждающих аэрозольных частиц на поверхности летательного аппарата накапливается электрический заряд, полярность которого противоположна полярности заряда выбрасываемых электрически заряженных осаждающих аэрозольных частиц. Для того, чтобы исключить скопление электрического заряда на летательном аппарате в известном способе предусматривается выброс с данного летательного аппарата балластных частиц, заряженных электрическим зарядом, знак которых противоположен знаку осаждающих аэрозольных частиц и имеющих более высокую плотность, чем плотность выбрасываемых из летательного аппарата электрически заряженных осаждающих аэрозольных частиц. Несмотря на то, что данные балластные частицы вследствие более высокой своей массы опускаются на землю с большей скоростью, чем скорость осаждающих аэрозольных частиц, вместе с тем их заряд снижает напряженность электрического поля сформированного объемного электрически заряженного облака. Снижается эффективность осаждения частиц аэрозольного облака. В известном техническом решении летательный аппарат должен доставлять в область воздействия не только аэрозольные частицы, используемые для выполнения непосредственных задач по осаждению частиц аэрозольного облака, но и еще балластные частицы, которые не участвуют в непосредственном обеспечении выполнения стоящих задач. Что вынуждает использовать летательный аппарат более высокой грузоподъемности и повышает затраты на реализацию способа.

Целью предполагаемого изобретения является снижение затрат на реализацию способа.

Для достижения заявленной цели в известном способе осаждения частиц аэрозольного облака, заключающемся в формировании с помощью барражирующего над аэрозольным облаком летательного аппарата объемного электрического заряда из электрически заряженных частиц, инициируют процессы образования электрически заряженных аэрозольных частиц из составляющих веществ атмосферного воздуха за счет генерирования электрических зарядов в атмосферу, и компенсируют сбрасываемый в атмосферу электрический заряд за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе;

процесс барражирования осуществляют путем неоднократного пролета летательного аппарата над аэрозольным образованием с последовательным увеличением высоты его полета.

процесс барражирования осуществляют путем пролета над аэрозольным образованием друг за другом нескольких летательных аппаратов с последовательным увеличением высоты полета следующих друг за другом летательных аппаратов.

Технический результат достигается за счет того, что в предлагаемом способе осаждающие аэрозольные частицы не доставляются с помощью летательного аппарата в область пространства над аэрозольным образованием, а осаждающие электрически заряженные аэрозольные частицы образуют из составляющих веществ атмосферного воздуха за счет генерирования электрических зарядов в атмосферу. Компенсация сбрасываемого в атмосферу электрического заряда за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе, позволяет отказаться от необходимости загружать летательный аппарат балластными частицами. Таким образом, осаждение аэрозольного образования может быть обеспечено летательным аппаратом меньшей грузоподъемности, так как отпадает необходимость использование летательного аппарата в качестве транспортного средства для доставки осаждающих и балластных частиц. Эксплуатация летательного аппарата меньшей грузоподъемности позволит снизить затраты на его эксплуатацию. Снижаются также затраты на подготовку и погрузку на летательный аппарат осаждающих и балластных частиц. Кроме того, вследствие того, что отпадает необходимость сброса балластных частиц, исключается вероятность снижения напряженности электрического поля, действующего на осаждающие аэрозольные частицы вследствие того, что сбрасываемые балластные частицы имеют полярность, противоположную полярности осаждающих частиц. Электрическое поле от формируемого объемного электрического заряда (облако из электрически заряженных осаждающих аэрозольных частиц) не ослабляется, повышается напряженность электрического поля от облака электрически заряженных осаждающих аэрозольных частиц, и, соответственно, повышается эффективность воздействия. Барражирования путем неоднократного пролета летательного аппарата над аэрозольным образованием с последовательным увеличением высоты его полета, позволяет увеличить вертикальный размер формируемого электрически заряженного облака. Аналогичный эффект реализуется и при одновременном барражировании над аэрозольным образованием друг за другом нескольких летательных аппаратов с последовательным увеличением высоты полета следующего друг за другом летательных аппаратов. Каждый следующий летательный аппарат летит с шагом по высоте относительно предыдущего. В несколько раз, в зависимости от количества пролетов, увеличивается вертикальный размер формируемого электрически заряженного облака. Соответственно, в несколько раз увеличивается и электрическое поле, под действием которого электрически заряженные частицы из нижних слоев облака с большей интенсивностью осаждаются на землю. Увеличивается количество осаждающих частиц в единицу времени, проходящих через аэрозольное облако, захватывающих на своем пути частицы из аэрозольного облака. Увеличивается эффективность осаждения частиц из аэрозольного облака.

Сущность заявляемого способа поясняется рисунком 1. Процесс осаждения частиц аэрозольного облака предваряют изучением метеорологических процессов, происходящих в атмосфере. По полученной информации о направлении, скорости и высоте передвижения аэрозольного облака 1 устанавливают планируемую область воздействия на аэрозольное облако 1. В определенной области воздействия, находящейся над верхней границей аэрозольного облака, в прогнозируемое время прохождения его над участком местности для менее безопасного района его осаждения на землю устанавливают область барражирования летательного аппарата, обеспечивающего генерацию электрического заряда в атмосферу. Как установлено с участием одного из авторов предлагаемого технического решения, при генерации электрического заряда в атмосферу инициируются процессы формирования в атмосфере, из составляющих ее газов, так называемые процессы образования вторичных аэрозолей. Формирование вторичных аэрозолей может образовываться вследствие коронного разряда в обычной атмосфере (См., например, Васильева М.А., Ераньков В.Г., Жохова Н.В., Палей А.А., Романов Н.П. Формирование аэрозолей путем генерации коронного разряда и характеристики их эволюции. Глобальная электрическая сеть. Материалы третьей всероссийской конференции. Российская академия наук. ГО «Борок» 25-29 сентября 2017 г., стр. 91-92). Более эффективное образование вторичных аэрозолей происходит во время генерации электрического заряда в атмосферу при незначительном добавлении в атмосферу скипидара, см. патент RU 2647276 С1, либо диоксида серы в объеме (10⁴-10¹¹) 1/см³, см. патент RU 2647278 С1, либо паров серной кислоты в количестве, обеспечивающем концентрацию молекул серной кислоты в диапазоне значений (10⁶-10⁹) 1/см³, либо аммиака в количестве, обеспечивающем концентрацию молекул в диапазоне значений (10⁶-10⁹) 1/см³, либо диметиламина в объеме, обеспечивающем концентрацию его паров в диапазоне значений (10⁶-10⁹) 1/см³, см. патент RU 2595015 С1. В качестве технического средства, позволяющего в процессе барражирования генерировать в атмосферу электрический заряд и способного обеспечить выполнение задачи инициирования процессов образования электрически заряженных аэрозольных частиц из составляющих веществ атмосферного воздуха, может быть использовано известное устройство по патенту RU 2763511 С1. Устройство генерации электрического заряда в атмосферу 2 смонтировано на базе беспилотного летательного аппарата (БпЛА), который, барражируя в определенной области, генерирует в атмосферу аэрозоли, электрически заряженные униполярным электрическим зарядом, например, положительной полярности, которые далее в описании называем электрически заряженные осаждающие аэрозоли. Осадительный электрод устройства генерации электрического заряда в атмосферу может быть выполнен в виде закрепленной на корпусе беспилотного летательного аппарата вдоль его оси цилиндрической полости, окружающей коронирующий электрод. Расположение цилиндрической полости осадительного электрода вдоль оси беспилотного летательного аппарата позволит обеспечить прохождение всего набегающего на него встречного воздушного потока через область генерации коронного разряда. Для повышения скорости проходящего через область генерации коронного разряда воздушного потока цилиндрическая полость может быть установлена таким образом, чтобы через нее проходил также и воздушный поток тягового винта БпЛА. Чем выше будет скорость воздушного потока, проходящего через область коронного разряда, тем больший объем воздуха будет задействован в сборе образуемых в области коронного разряда электрически заряженных частиц, и большая часть зарядов будет выноситься в атмосферу. Генерация электрического заряда в атмосферу осуществляется следующим образом. Во время пролета беспилотного летательного аппарата для генерации электрического заряда на коронирующий электрод подается высокое напряжение и зажигается коронный разряд. Включается система впрыска в область генерации коронного разряда газов, способствующих повышению вероятности инициирования процессов конверсии газов в частицы. Впрыскиваться могут, например:

- молекулы серной кислоты или сернистого газа из расчета повышения концентрации молекул серной кислоты в проходящем воздушном потоке в диапазоне значений (от 10⁶ до 10⁹) 1/см³ (молекулы сернистого газа в области коронного разряда в результате химических реакций с содержащимися в воздухе составляющими превращаются в молекулы серной кислоты);

- пары аммиака в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в проходящем воздушном потоке в области коронного разряда в диапазоне значений (от 10⁶ до 10⁹) 1/см³;

- пары аммиака и диметиламина в объеме, обеспечивающем концентрацию его молекул в проходящем воздушном потоке в области коронного разряда в диапазоне значений (от 10⁶ до 10⁹) 1/см³;

- пары скипидара, а также прочие малые газовые составляющие атмосферного воздуха, инициирующие процессы конверсии газ - частица в условиях коронного разряда.

Конкретный состав и концентрация газов, включаемых в систему впрыска в область генерации коронного разряда, определяется на стадии проектирования путем экспериментального моделирования процессов конверсии газ - частица в конкретных условиях коронного разряда, реализуемого в устанавливаемой на беспилотном летательном аппарате системе. Конструктивное выполнение системы, обеспечивающей впрыск конверсионных газов, может быть осуществлено по аналогии с известными конструктивными схемами, реализующими технологический процесс впрыска газов с помощью форсунки в заданную полость (См., например, https://ru.wikipedia.org/wiki/Инжекторная система подачи топлива).

При генерации коронного разряда внутри цилиндрической полости осадительного электрода формируются электрические заряды из ионов, движущихся от коронирующего электрода к внутренней поверхности цилиндрической полости осадительного электрода. Воздушный поток с содержащимися в нем аэрозольными частицами через передний открытый торец входит внутрь цилиндрической полости осадительного электрода устройства генерации коронного разряда и движется вдоль ее оси. Впрыскиваемые системой впрыска конверсионные газы в области генерации коронного разряда вовлекаются в плазменно-химические процессы конверсии газ -частица. В воздухе, проходящем внутри цилиндрической полости осадительного электрода, образуются дополнительные аэрозольные частицы, так называемые «вторичные аэрозоли» (См., например, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018JD029356). Продвижение воздушного потока внутри цилиндрической полости осадительного электрода осуществляется не только за счет набегающего на беспилотный летательный аппарат воздушного потока со скоростью его полета, но и за счет заходящей внутрь ее струи от воздушного винта, обеспечивающей тягу беспилотного летательного аппарата. Ионы, движущиеся от коронирующего электрода к внутренней поверхности цилиндрической полости осадительного электрода, сталкиваются на своем пути с содержащимися в воздухе частицами (молекулами, аэрозольными частицами, каплями воды, вторичными аэрозолями) и осаждаются на их поверхности. Так как в области генерации коронного разряда численная концентрация ионов достигает значений порядка (от 10⁸ до 10⁹) 1/см³, то за короткое время ~0,01 сек, практически все аэрозольные частицы, капли воды и значительная часть молекул воздуха успевают получить максимально возможный электрический заряд (~90% от максимально возможного значения). Получившие электрический заряд молекулы воздуха превращаются в так называемые тяжелые ионы, которые по своим характеристикам значительно отличаются от легких ионов, которые не успели столкнуться с молекулами воздуха и осесть на их поверхности. Аэрозольные частицы и капли воды в области коронного разряда электрически заряжаются и превращаются в электрически заряженные частицы. Как известно, скорость движения электрически заряженных частиц и ионов под действием электрического поля существенно зависит от массы частиц. Чем больше масса, тем меньше скорость передвижения частиц и ионов. Коэффициент пропорциональности между скоростью электрически заряженной частицы и значением действующего на нее электрического поля определяется подвижностью. Разница в подвижности между легкими и тяжелыми ионами составляет четыре порядка. И если капли воды и аэрозольные частицы за время своего движения внутри трубчатой конструкции (которое составляет порядка ~0,01 сек), успевают получить электрический заряд, то путь перемещения капель и аэрозольных частиц по направлению действующего на них сил электрического поля (поперек относительно продвигающего ее воздушного потока) будет измеряться микронами. За время, в течение которого электрически заряженные капли воды, аэрозольные частицы и значительная часть тяжелых ионов движутся внутри цилиндрической полости осадительного электрода, действующие на них силы электрического поля не успевают отклонить их от линий тока воздушного потока до такой степени, чтобы они подошли к поверхности цилиндрической полости осадительного электрода, электрически соединенной с заземлительным выходом высоковольтного источника питания. Электрическая цепь не замыкается, потому что значительная часть электрического заряда, который генерируется коронным разрядом, собирается проходящими в области генерируемого коронного разряда каплями воды, аэрозольными частицами, молекулами воздуха, и выносятся с собой через открытый задний торец цилиндрической полости осадительного электрода наружу, в окружающее пространство. Генерация электрических зарядов в атмосферу осуществляется путем отбора электрических зарядов высоковольтным источником питания от цилиндрической полости осадительного электрода и передачи их в области генерации коронного разряда проходящему воздушному потоку.

Компенсация выносимого в атмосферу электрического заряда путем аккумулирования электрического заряда на конденсаторе может быть обеспечена за счет соединения осадительного электрода устройства генерации коронного разряда с корпусом БпЛА через конденсатор. В качестве конденсатора может быть использован ионистр, обладающий высокой электрической емкостью и способностью аккумулирования большого электрического заряда, измеряемого несколькими кулонами. При этом, в случае необходимости (в случае повышения напряжения между обкладками конденсатора выше установленного заранее значения) можно осуществлять периодический сброс накапливаемого заряда путем короткого замыкания обкладок конденсатора.

Формируется облако электрически заряженных осаждающих аэрозолей 3. При необходимости, после формирования облака электрически заряженных осаждающих аэрозолей 3 в одной плоскости, БпЛА поднимается на более высокий эшелон движения, на высоте которого формирует новое облако 4 электрически заряженных осаждающих аэрозолей той же полярности. Далее процесс барражирования БпЛА продолжается с последовательным набором высоты до достижения запланированного объема облаков электрически заряженных осаждающих аэрозолей в зависимости от объема аэрозольного образования и ресурса БпЛА для выполнения беспосадочного полета. В случае недостаточности ресурса одного БпЛА, либо для решения задачи по увеличению эффективности осаждения аэрозольного облака используют несколько БпЛА, барражирующих над аэрозольным образованием с последовательным увеличением высоты полета следующего друг за другом летательных аппаратов.

Электрическое поле от облаков электрически заряженных осаждающих аэрозолей, сформированных в верхних облаках (например, в облаках 3 и 4), вынуждает электрически заряженные осаждающие аэрозоли 5, находящиеся в нижней части облаков, двигаться к земле. Движущиеся к земле электрически заряженные осаждающие аэрозоли 5, проходят через аэрозольное образование 1, электрическим полем своего заряда захватывают частицы аэрозольного образования 6, образуя электрически заряженный конгломерат частиц 7, который электрическим полем от сформированных в верхних облаках электрически заряженных осаждающих частиц осаждается на землю.

Решается задача осаждения частиц аэрозольного облака без доставки в область воздействия аэрозольных частиц, используемых для выполнения непосредственных задач по осаждению частиц аэрозольного облака и балластных частиц, которые не участвуют в непосредственном обеспечении выполнения стоящих задач. Что позволяет использовать летательный аппарат меньшей грузоподъемности и снижает затраты на реализацию способа.

Таким образом, предлагаемый способ благодаря новым, ранее неизвестным признакам обеспечивает очистку воздушного бассейна от дымовых завес, туманов, продуктов вредных выбросов, образуемых в результате аварий на предприятии или подрыва оружия массового поражения с использованием БпЛА меньшей грузоподъемности, что позволяет снизить эксплуатационные затраты и достичь цели предполагаемого изобретения.

Изобретение средствам очистки воздушного бассейна от дымовых завес, туманов, продуктов вредных выбросов, образуемых в результате аварий на предприятии или подрыва оружия массового поражения (аэрозольного облака). Способ заключается в формировании с помощью барражирующего над аэрозольным облаком летательного аппарата объемного электрического заряда из электрически заряженных частиц. В процессе барражирования инициируют процессы образования электрически заряженных аэрозольных частиц из составляющих веществ атмосферного воздуха за счет генерирования электрических зарядов в атмосферу и компенсируют сбрасываемый в атмосферу электрический заряд за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе. Причем осаждающие аэрозольные частицы образуют из составляющих веществ атмосферного воздуха за счет генерирования электрических зарядов в атмосферу. Варианты способа включают использование нескольких летательных аппаратов, а также неоднократный пролет летательного аппарата над аэрозольным образованием с последовательным увеличением высоты полета. Техническим результатом является возможность отказаться от необходимости загрузки балластных частиц в летательный аппарат и необходимости их сброса без снижения напряженности электрического поля, действующего на осаждающие аэрозольные частицы. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ осаждения частиц аэрозольного образования, заключающийся в формировании с помощью барражирующего над аэрозольным образованием летательного аппарата объемного электрического заряда из электрически заряженных частиц, отличающийся тем, что инициируют процессы образования электрически заряженных аэрозольных частиц из составляющих веществ атмосферного воздуха за счет генерирования электрических зарядов в атмосферу и компенсируют сбрасываемый в атмосферу электрический заряд за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе.

2. Способ осаждения частиц аэрозольного образования по п. 1, отличающийся тем, что процесс барражирования осуществляется путем неоднократного пролета летательного аппарата над аэрозольным образованием с последовательным увеличением высоты его полета.

3. Способ осаждения частиц аэрозольного образования по п. 1, отличающийся тем, что процесс барражирования осуществляется путем пролета над аэрозольным образованием друг за другом нескольких летательных аппаратов с последовательным увеличением высоты полета следующих друг за другом летательных аппаратов.