Устройство генерации электрических зарядов в атмосферу Российский патент 2023 года по МПК A01G15/00 

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории путем генерации в атмосферу электрических зарядов, генерируемых коронным разрядом.

В литературе (см. Л.Г. Качурин " Физические основы воздействия на атмосферные образования", Гидрометеоиздат, Ленинград, 1978 г. стр. 287-293) описан способ генерации электрических зарядов, генерируемых коронирующими проводами, электрически изолированно установленными с зазором относительно поверхности земли. Реализация данного способа предполагает наличие благоприятных условий, при которых направленное движение естественных воздушных потоков, обдувающих коронирующие провода, направлены в сторону предполагаемого воздействия.

Данный недостаток известного способа учтен в авторском свидетельстве СССР №29675, МПК A01G 15/00, опубликованном в 1948 г., в котором генерируемые коронным разрядом электрические заряды, выносятся в атмосферу воздушным потоком вентилятора.

В описанных выше источниках информации генерация коронного разряда осуществляется путем подачи высокого напряжения на тонкий электрический провод, смонтированный электрически изолированно относительно заземленной поверхности. Вместе с тем, в последнее время более широкое распространение получили игольчатые коронирующие электроды, интенсивный разряд в которых обеспечивается выштампованными в элементах иглами. Установлено, что игольчатые электроды позволяют существенно увеличить токи коронного разряда по сравнению с проволочными электродами (https://studref.com/628573/ekologiya/koroniruyuschie_elektrody). Вместе с тем, техническая реализация устройств генерирующих коронный разряд с коронирующими электродами, выполненными в виде лент с инициаторами коронного разряда требует обеспечения высокой точности зазора между каждой иглой ленты относительно заземленной поверхности.

В патенте на коронирующий электрод RU 2 713 269 С1 представлена техническая реализация устройства, генерирующего коронный разряд, в котором заземленная поверхность выполнена в виде трубы, а коронирующие электроды выполнены в виде набора звездочек, смонтированных на опорной оси, которая установлена соосно с осью заземленной трубы. Данное техническое решение позволяет более рационально учитывать геометрию межэлектродного пространства и увеличить эффективность использования внутреннего пространства. Вместе с тем, в данном техническом решении пространство между иглами каждой из звездочек не задействовано в генерации коронного разряда, что снижает интенсивность генерации коронного разряда внутри всего объема данного устройства и, соответственно снижает возможность повышения эффективности генерируемого электрического заряда.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство, описание которого изложено в патенте №2706612 Ru.

Известное устройство содержит систему генерации коронного разряда, включающую заземленный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод, выполненный в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора звездочек с заостренными выступами. В конструкции устройства предусмотрены отверстия для прохождения через него воздушного потока, который, проходя через область генерации коронного разряда, электрически заряжается и выносит в атмосферу генерируемый коронным разрядом электрический заряд. В данном техническом решении за счет вращения набора звездочек для генерации коронного разряда используется практически весь объем внутри заземленного цилиндрического электрода. Повышается плотность электрических зарядов внутри заземленного цилиндрического электрода и, соответственно, повышается эффективность генерации электрического заряда в проходящий через данное устройство воздушный поток. Вместе с тем, в данном устройстве для вращения набора звездочек необходимо использование специального привода, что усложняет конструкцию устройства.

Целью изобретения является упрощение конструкции устройства генерации электрических зарядов в атмосферу.

Для достижения заявленной цели, в известном устройстве заряжания проходящего через него воздушного потока электрическим зарядом, содержащем заземленный осадительный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод, выполненный в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами, обращенными своим острием к заземленному электроду заостренные выступы выполнены в виде отогнутых наружу надрезанных с торца под углом к образующей цилиндрической поверхности частей втулок.

Технический результат достигается за счет того, что заостренные выступы коронирующего электрода в предлагаемом техническом решении выполнены в виде лопаток вентилятора. Обтекающий заостренные выступы воздушный поток своим аэродинамическим воздействием вынуждает вращаться набор цилиндрических тонкостенных втулок на опорной оси. Не требуется использование специального привода. Упрощается конструкция коронирующего электрода, да и всего устройства в целом.

На рис. 1 представлена условная схема предлагаемого устройства генерации электрических зарядов в атмосферу. На рис. 2 представлен рисунок цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами. Устройство содержит электрически соединенную с контуром заземления высоковольтного источника питания 1 цилиндрическую обечайку 2, выполненную из электропроводного материала, в переднем и заднем торце которой закреплены передний 3 и задний 4 фланцы, выполненные из диэлектрического материала. В переднем 3 и заднем 4 фланцах выполнены отверстия для прохождения воздушного потока 5 и опоры 6 и для установки опорной оси 7 коронирующего электрода, который выполнен в виде установленных с возможностью вращения относительно нее набора цилиндрических тонкостенных втулок 8.

Для обеспечения возможности вращения цилиндрических тонкостенных втулок 8 относительно опорной оси 7 между ними могут быть установлены выполненные из антифрикционного электропроводного материала (например, металлофторопласта) подшипники скольжения 9. Заостренные выступы 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8 выполнены в виде отогнутых наружу относительно прямой линии 11 частей втулки, содержащихся между ее торцом 12 и линией надреза 13, выполненного под углом α к образующей цилиндрической поверхности втулки линии 14. Прямые линии 11, относительно которых отогнуты наружу надрезанные части втулки, проходят по поверхности втулки от концевой точки линии надреза 13 к торцу втулки под углом β к образующей цилиндрической поверхности втулки линии 14. Высоковольтный кабель 15 высоковольтного источника питания 1 через опорную ось 7 соединен с коронирующим электродом, выполненным в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси 7 набора цилиндрических тонкостенных втулок 8 с заостренными выступами 10. Роль системы изоляции высоковольтного электрического питания заостренных выступов 10 от контура заземления выполняют передний 3 и задний 4 фланцы, выполненные из диэлектрического материала. При недостаточной изоляционной стойкости диэлектрических фланцев, в конструктивной схеме устройства могут быть предусмотрены дополнительные конструктивные меры электрической изоляции заостренных выступов 10 от заземленной цилиндрической обечайки 2. Например, опорная ось 7 может быть выполнена также из электроизоляционного материала. В этом случае подвод высоковольтного кабеля высоковольтного источника питания 1 должен осуществляться непосредственно к каждой цилиндрической тонкостенной втулке 8. При необходимости снижения вероятности образования электрического пробоя между заостренными выступами и заземленной цилиндрической обечайкой 2 подвод кабеля к каждой цилиндрической тонкостенной втулке 8 может быть осуществлен через дополнительное сопротивление (на рисунках не показано).

Генерация электрического заряда в атмосферу предлагаемым устройством происходит следующим образом. Устройство генерации электрического заряда устанавливается на летательный аппарат вдоль оси его движения таким образом, чтобы струя набегающего воздушного потока свободно проходила через внутренний его объем. Наиболее предпочтительное место положения установки устройства на аппарате в области прохождения струи его тягового винта. Набегающий воздушный поток через выполненные в переднем фланце 3 отверстия 5 входит вовнутрь устройства и динамическим напором набегающего потока выталкивается из устройства через выполненные в заднем фланце 4 отверстия 5. Таким образом, формируется струя проходящего воздушного потока через внутренний объем устройства. При использовании предлагаемого устройства в стационарных условиях, необходимо доукомплектовать данное устройство вентилятором. Вентилятор должен также обеспечивать прохождение воздушного потока через внутренний объем предлагаемого устройства. Включается высоковольтный источник питания 1. На коронирующие элементы, выполненные в виде заостренных выступов 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8, подается высокое напряжение. В пространства между заостренными выступами 10 цилиндрических тонкостенных втулок 8 и соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайкой 2 формируется неоднородное электрическое поле, и зажигается коронный разряд. Значение напряжения высоковольтного источника питания 1 выбирают исходя из условий изоляционной стойкости системы изоляции заостренных выступов 10 относительно заземленного контура и геометрических соотношений между заостренными выступами 10 и поверхностью заземленной цилиндрической обечайки 2, руководствуясь известными соотношениями для коронного разряда, (см., например Н.А. Капцов. Электроника. Государственное издательство технико-технической литературы. Москва. 1956 г.).

При генерации коронного разряда в пространстве между заостренными выступами 10 и поверхностью заземленной цилиндрической обечайки 2 формируется объемный электрический заряд из ионов, движущихся от заостренных выступов 10 к заземленной цилиндрической обечайке 2. Воздушный поток с содержащимися в нем аэрозольными частицами через передний торец входит вовнутрь предлагаемого устройства генерации электрического заряда и движется вдоль ее оси. Под действием проходящего воздушного потока на заостренные выступы 10, набор цилиндрических тонкостенных втулок 8 вращается относительно опорной оси 7. Электрический заряд из ионов, движущихся от заостренных выступов 10 к заземленной цилиндрической обечайке 2, формируется во всем объеме поперечного сечения цилиндрического сечения между заостренными выступами 10 и внутренней поверхности цилиндрической обечайки 2. Ионы, движущиеся от заостренных выступов 10 к поверхности заземленной цилиндрической обечайки 2, сталкиваются на своем пути с содержащимися в воздухе молекулами воздуха и аэрозольными частицами. Так как в области генерации коронного разряда численная концентрация ионов достигает значений порядка 10⁸-10⁹ 1/см³, то за короткое время ~0,01 сек., практически все аэрозольные частицы, и значительная часть молекул воздуха успевают получить практически 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. Молекулы воздуха и аэрозольные частицы 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. Коэффициентом 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 За время, в течение которого электрически заряженные аэрозольные частицы и значительная часть тяжелых ионов движутся внутри предлагаемого устройства, действующие на них силы электрического поля не успевают отклонить их от линий тока воздушного потока до такой степени, чтобы они подошли к поверхности заземленной цилиндрической обечайки 2. Электрическая цепь не замыкается, потому, что значительная часть электрического заряда, который генерируется коронным разрядом, собирается проходящими в области генерируемого коронного разряда аэрозольными частицами, молекулами воздуха, и выносятся с собой через отверстия 5 заднего фланца 4 предлагаемого устройства наружу, в окружающее пространство. Генерация электрических зарядов в атмосферу в предлагаемом устройстве осуществляется путем отбора электрических зарядов высоковольтным источником питания 1 от соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайки 2. В случае установки данного устройства на летательном аппарате, контуром заземления будет являться корпус летательного аппарата. Компенсация сбрасываемого в атмосферу электрического заряда может осуществляться за счет аккумулирования электрического заряда на конденсаторе, как показано в известном устройстве по патенту №2793455 Ru. При использовании предлагаемого устройства в стационарных условиях компенсация электрического заряда осуществляется за счет ухода заряда в Землю, через контур заземления высоковольтного источника питания.

В предлагаемом техническом решении заостренные выступы цилиндрических втулок используются не только для инициирования и генерации коронного разряда, но и для перемещения их с постоянным зазором относительно соединенной с контуром заземления цилиндрической обечайки 2. Упрощается конструкция устройства генерации электрических зарядов в атмосферу, обеспечивается достижение цели предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к области техники, предназначенной для воздействия на атмосферу с целью модификации погодных условий на контролируемой территории путем генерации в атмосферу электрических зарядов, генерируемых коронным разрядом. Устройство содержит заземленный осадительный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод. Коронирующий электрод выполнен в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами, обращенными своим острием к осадительному электроду. Заостренные выступы выполнены в виде отогнутых наружу надрезанных с торца под углом к образующей цилиндрической поверхности частей втулок. Техническим результатом является упрощение конструкции устройства генерации электрических зарядов в атмосферу. 2 ил.

Устройство генерации электрических зарядов в атмосферу, содержащее заземленный осадительный электрод, выполненный в виде цилиндрической поверхности, внутри которой коаксиально, электрически изолированно установлен электрически соединенный с источником питания коронирующий электрод, выполненный в виде установленных с возможностью вращения на опорной оси набора цилиндрических тонкостенных втулок с заостренными выступами, обращенными своим острием к осадительному электроду, отличающееся тем, что заостренные выступы выполнены в виде отогнутых наружу надрезанных с торца под углом к образующей цилиндрической поверхности частей втулок.