Радиотелескоп-дирижабль Российский патент 2023 года по МПК H01Q1/28 H01Q15/14 B64B1/08 B64D43/00 

Изобретение относится к антенной технике, в частности к конструкции радиотелескопа с параболическим зеркалом, установленном на летательном аппарате легче воздуха.

Конструкция радиотелескопа, зеркало которого одновременно является частью оболочки дирижабля или встроено в него, предложена впервые и аналогов в современной технике не имеет.

В современной радиоастрономии сохраняется тенденция на увеличение размеров параболических антенн, которые уже достигли размеров в сотни метров, лидером которых является Китай. Недавно построенный неподвижный радиотелескоп, с внешним диаметром 500 м (при активной части в 300 м), обошелся китайским налогоплательщикам в 170 млн. долларов. Естественно возникает вопрос, а можно ли создать такой же инструмент, но с более высокими характеристиками (например - полноповоротный вариант радиотелескопа), и при этом с меньшей стоимостью? Или по той же цене, но большего диаметра? Это станет возможным, если отказаться от классической конструкции радиотелескопа и использовать при его разработке принципиально новую идею, которая и составляет сущность предложенного изобретения.

В технике воздухоплавания, кроме сигарообразных дирижаблей, ставших привычной классикой, в начале столетия стали разрабатываться аппараты дискообразной формы, оболочка которых имеет жесткую или полужесткую конструкцию с переменной кривизной поверхности, близкой к эллиптической. Так вот, идея нового изобретения заключается в придании внутренней поверхности нижней оболочки дирижабля формы параболоида, с нанесением на нее металлизированного покрытия, что приведет к образованию главного зеркала радиотелескопа. А после добавления в конструкцию дирижабля вторичного зеркала, он превратится в полноценный радиотелескоп, способный вести радиоастрономические наблюдения, но при этом по-прежнему оставаясь летательным аппаратом.

Таким образом радиотелескоп-дирижабль будет иметь дискообразный корпус жесткой конструкции и неизменной формы, состоящий из выпуклых верхнего и нижнего сегментов, наполненный гелием и содержащий емкости (баллонеты) для воздуха. По бокам его корпуса будут установлены маршевые газотурбинные двигатели, оснащенные аэродинамическими рулями, необходимые для управления дирижаблем по тангажу и крену; также с их помощью радиотелескоп будет наводиться на объект наблюдения. При этом верхняя оболочка аппарата должна быть выполнена из радиопрозрачного материала и иметь полужесткую или жесткую конструкцию, по центру которой, с внутренней стороны, к ней будет крепиться вторичное зеркало. А для его фиксации от вертикального смещения оно должно иметь стойки или балки, соединенные с нижней оболочкой, которая будет нести на себе кабину управления с радиоаппаратурой и рабочим персоналом.

Радиотелескоп-дирижабль может эксплуатироваться в двух режимах.

Главный из них - это повторно-кратковременный режим работы, при котором он будет вести наблюдения за небом в течении нескольких часов, двигаясь вместе с потоком воздуха относительно земли. А после его окончания, включив маршевые двигатели, он перелетит назад - на исходное место наблюдения. Если это не сделать то, двигаясь с ветром, радиотелескоп может пересечь границу соседнего государства, что является недопустимым нарушением его воздушного пространства. А чтобы такое пересечение границы сделать законным, радиотелескопу-дирижаблю необходимо присвоить международный статус и проводить астрономические наблюдения совместно с учеными из других стран.

Вспомогательный режим работы - это проведение непрерывного наблюдения за небом, оставаясь при этом неподвижным относительно земли или двигаясь с небольшой скоростью. Главным его отличием от повторно-кратковременного, будет необходимость постоянной работы маршевых двигателей, для противодействия набегающему потоку воздуха и следствием этого - деформация его оболочки от воздействия ветра. При этом наклонять свою чашу радиотелескоп-дирижабль сможет только в вертикальной плоскости, перпендикулярной направлению ветра, поскольку под другими углами угол атаки на его корпус (с положительным или отрицательным значением) будет отличным от нуля, и из-за этого возникнет опрокидывающий момент, для купирования которого потребуется работа двигателей, что приведет к излишнему расходу топлива, а также вызовет дополнительную деформацию корпуса. Плюсом такого режима работы являются меньшие затраты энергии из-за меньшей относительной (по отношению к корпусу) скорости ветра.

Техническим достоинством изобретения является возможность постройки летающего радиотелескопа диаметром в несколько сотен метров, по меньшей цене, по сравнению с его наземным аналогом. Также высокая мобильность аппарата и отсутствие его привязанности к конкретному месту, делают возможным проводить на нем наблюдения в разных полушариях Земли, что позволит охватить и исследовать с его помощью все звездное небо, а не только его часть.

Кроме достоинств, данная конструкция радиотелескопа обладает также недостатками, на которых следует остановиться подробнее.

1) Выше уже было сказано, что для его удержания в пределах заданного района, из-за наличия ветра, дирижаблю придется постоянно работать маршевыми двигателями, что приведет к высоким энергетическим затратам.

2) Как любой летательный аппарат, его нельзя будет эксплуатировать при плохой погоде.

3) Опасность столкновения радиотелескопа-дирижабля с самолетами в зонах с повышенным авиасообщением.

4) Как любому дирижаблю для него потребуется построить наземный ангар больших размеров, что приведет к удорожанию всего проекта.

5) Из-за отсутствия проводной связи могут возникнуть технические сложности, когда потребуется объединить его с другими радиотелескопами при работе в режиме интерферометра.

6) Из-за отсутствия механической связи радиотелескопа с землей, могут возникнуть проблемы его точного наведения в заданную точку неба. Эта проблема особенно актуальна во вспомогательном режиме работы аппарата, когда на его корпус действуют мощные аэродинамические силы, вызванные набегающим потоком воздуха. Повысить управляемость дирижаблем можно с помощью силовых гироскопов, аналогичных тем, что используются в конструкции космических аппаратов.

7) При наклоне дирижабля вместе с ним будет наклоняться и кабина экипажа, что создаст неудобства для рабочего персонала, вплоть до невозможности нормально исполнять свои обязанности. Эта проблема решается путем установки кабины на поворотное устройство с одной или двумя степенями свободы, способное автоматически поддерживать горизонтальное положение.

8) При вертикальном наклоне его чаши возникает момент сопротивления, из-за несовпадения центра тяжести конструкции и аэростатического центра, к которому приложена подъемная сила дирижабля. Устраняется этот недостаток путем переноса части массы аппарата (например горючего) на верхнюю полусферу, а также ее искусственного утяжеления, что приведет к увеличению массы всего аппарата, а также к дополнительному ослаблению радиосигнала, из-за большой толщины верхней оболочки. Последней недостаток можно устранить, если вместо целого материала, использовать сотовую конструкцию.

Следующий недостаток аппарата - это невысокая жесткость его конструкции, что приводит к деформации его корпуса, под действием нагрузок, возникающих по разным причинам.

9) Во вспомогательном режиме работы радиотелескопа, когда он остается неподвижным относительно земли, набегающий поток воздуха будет оказывать давление на переднюю часть корпуса, что неизбежно приведет к деформации и искривлению параболической поверхности его чаши. Исправить этот недостаток можно тремя способами.

Первый способ заключается в создании дирижабля с двойной оболочкой, когда вокруг основного корпуса размещают второй, больший по размерам, с воздушным зазором между ними. При этом между двумя аппаратами произойдет разделение функций. Внутренний, меньший по размерам аппарат, будет выполнять только функцию радиотелескопа, а внешний, больший по размерам, будет выполнять только функцию дирижабля, одновременно являясь защитной оболочкой для первого, воспринимая все динамические нагрузки на себя. А чтобы первый аппарат свободно плавал во втором, каждый из них должен быть заполнен газом с разной плотностью. Например, во внутреннем аппарате можно применить чистый водород, а в наружном -чистый гелий. Но будет гораздо лучше, если для первого аппарата взять чистый гелий, а для второго - смесь гелия с кислородом.

Механическая связь между корпусами обоих аппаратов будет осуществляться с помощью тросов, оборудованных механизмом натяжения, благодаря чему деформации с корпуса дирижабля теперь не будут передаваться на радиотелескоп, что предотвратит искривление поверхности его зеркала. Наведение его на объект наблюдения будет осуществляться путем наклона корпуса дирижабля, а вместе с ним и радиотелескопа. Но если зазор между их корпусами увеличить до 20% от размеров дирижабля, то радиотелескоп внутри него можно будет поворачивать независимо от второго аппарата, наклоняя его на угол плюс-минус 15°, что позволит ему вести наблюдение за объектом до двух часов, при сохранении дирижаблем горизонтального положения. Это значительно расширит возможности радиотелескопа как инструмента, но при этом усложнит его конструкцию, увеличит размеры и стоимость изготовления.

Два других способа борьбы с деформацией: увеличение жесткости конструкции аппарата и создание чаши радиотелескопа с адаптивной поверхностью зеркала, будут даны ниже в описании.

10) Несоответствие в распределении подъемной силы, приложенной к нижней полусфере дирижабля, к распределению его массы. Поскольку аппарат имеет переменную толщину корпуса: максимальную в центре и минимальную по краям, то и подъемная сила получается неравномерной: имея максимальное значение в центре, она постепенно спадает к периферии, практически до нуля. А поскольку распределение массы дирижабля (в горизонтальной проекции) имеет малую неравномерность, то в его центре получается избыток подъемной силы, а по краям, наоборот, недостаток. Все это приводит к возникновению радиальных (относительно центра) изгибающих моментов, что влечет за собой к искривлению параболической поверхности зеркала радиотелескопа. Исправить этот недостаток можно разными способами.

Во-первых, можно искусственно утяжелить центральную часть корпуса дирижабля, а его периферию, наоборот, максимально облегчить.

Во-вторых, можно более равномерно распределить рабочий газ гелий внутри корпуса дирижабля, путем добавления к уже имеющимся баллонетам, заполненных воздухом, дополнительных, размещенных возле его центра. Однако, тут имеются свои технические сложности и минусы такого варианта, рассмотрение которых выходит за рамки данной статьи.

В-третьих, минимизировать искривление поверхности параболоида можно путем увеличения его жесткости. Для этого нижний корпус дирижабля делают двойным с внутренними распорками и значительно увеличивают толщину в его центральной части.

В-четвертых, можно разработать конструкцию радиотелескопа-дирижабля с переменной (регулируемой) кривизной поверхности. Сделать это можно разными способами, один из которых заключается в следующем. Между противоположными оболочками дирижабля натягивают множество вертикальных тросов, снабженных механизмом их натяжения, а внутри его корпуса создают избыточное давление газа (не является обязательным условием). Также необходимо создать автоматическую систему контроля длины этих тросов, состоящей из лазерной оптической системы измерения расстояний между оболочками, вместе с управляющим компьютером, которая бы отслеживала изменение формы главного зеркала радиотелескопа и отдавала бы команды на его коррекцию (путем натяжения одних тросов и ослабления других). Конструкцию баллонетов придется также изменить: вместо нескольких больших емкостей шарообразной формы, придется установить сотни маленьких, вытянутых в высоту, расположив их в зазоре между тросами. А чтобы лазерное излучение могло свободно и многократно проходить сквозь материал баллонетов, он должен обладать высокой оптической прозрачностью.

Все описанные выше способы борьбы с деформацией корпуса дирижабля позволяют значительно сократить ее величину, но при этом, обладая те или иными недостатками, не позволяют полностью устранить обозначенную проблему и создать чашу радиотелескопа способную, при любых ее положениях, сохранять заданную форму неизменной.

И только перейдя к принципиально новой конструкции радиотелескопа, чашу которого поддерживают множество небольших емкостей с гелием, а сам он сохраняет механическую связь с землей, позволит кардинально решить вышеописанную проблему. О том как это сделать будет подробно рассказано в описании к следующей заявке на изобретение.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к конструкции радиотелескопа с параболическим зеркалом, установленным на летательном аппарате легче воздуха. Идея изобретения заключается в объединении дирижабля дисковидной формы и параболического зеркала радиотелескопа в единое целое. Для этого внутреннюю поверхность нижней оболочки дирижабля делают в форме параболоида и производят ее металлизацию. А верхнюю оболочку делают из радиопрозрачного материала и по ее центру устанавливают вторичное зеркало, механически соединенное с нижней оболочкой, под которой устанавливают кабину управления с радиоаппаратурой. Изобретение позволит, при относительно небольших затратах, создавать сверхбольшие радиотелескопы диаметром в сотни метров. 1 з.п. ф-лы.

1. Радиотелескоп-дирижабль, содержащий дискообразный жесткий корпус, состоящий из выпуклых верхнего и нижнего сегментов оболочки, наполненной гелием, баллонеты для воздуха, маршевые двигатели, выполненные с возможностью управления упомянутым корпусом по тангажу и крену, установленные по бокам упомянутого корпуса, кабину управления с радиоаппаратурой, при этом нижний сегмент оболочки с внутренней стороны выполнен с металлизированной поверхностью по форме параболоида и образует главное зеркало, а сегмент верхней оболочки выполнен из радиопрозрачного материала, с внутренней стороны которого по центру установлено дополнительное вторичное зеркало, соединенное посредством стоек с сегментом нижней оболочки.

2. Радиотелескоп-дирижабль по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен тросами, оснащенными механизмами натяжения и расположенными между упомянутыми сегментами оболочки с возможностью изменять кривизну поверхности главного зеркала автоматической системой управления.