Стратосферный аэростат открытого типа с переменным объемом Советский патент 1993 года по МПК B64B1/40 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха и касается свободных аэростатов.

Целью изобретения является повышение эффективности стабилизации стратосферного аэростата по высоте между верхним и нижним уровнями в течение суток.

На фиг.1 представлена схема аэростата в наполненном состоянии; на фиг.2 - разрез оболочки; на фиг.3,4 - детали крепления теплового экрана к оболочке; на фиг.5 - вид сверху на оболочку аэростата; на фиг.6 - оболочка аэростата в состоянии неполного заполнения; на фиг.7 - приведены диаграммы, показывающая изменение во времени высоты аэростата в соответствии с изобретением (сплошная кривая А), изменение

температуры несущего газа (пунктирная кривая В), изменение температуры наружного воздуха (штрихпунктирная кривая С) и для сравнения кривая О для изменения высоты классического аэростата с такими же характеристиками, находящегося в тех же метеорологических условиях; на фиг.8 - форма оболочки аэростата в нижней точке стабилизации ночью; на фиг.9,10 - формы оболочки аэростата при стабилизации на промежуточных высотах; на фиг.11 - форма оболочки аэростата в высшей точке стабилизации днем.

Предложенный стратосферный аэростат открытого типа с переменным объемом содержит мягкую оболочку 1. состоящую из продольных сферических двуугольников 2, соединенных по краям. В наполненном сососх

NX XI Сл)

Сл

стоянии оболочка снабжена патрубками удаления 3. В верхней части оболочки 1 полосы 4 и сферические двуугольники 2 прикреплены к полярной детали 5, под которую подкладывается усилительный прозрачный шаровой сегмент 6. В нижней части оболочки 1 к полосам 4 прикреплена полезная нагрузка 7. Сферические двуугольники 2 могут быть выполнены из полиэтилена толщиной 15 мкм, усилительные полосы из полиэтилена, армированного пучком полиэфирных нитей, и структурный шаровой сегмент б может быть выполнен из полиэтилена толщиной 15 мкм.

Экран 8 улавливания телового излучения накладывается в верхней части шарово-1 го сегмента 6, он образован тремя металлизированными пленками из полиэфира 9, 10, .11, между которыми прокладываются два слоя вспененного материала 12 и 13.

Пленка 9, расположенная против шарового сегмента б, покрыта алюминием со сторон 14 и 15, ее толщина может быть около 6 мкм.

Слой вспененного материала 12, приклеенный к наружной стороне 15 пленки 9, выполнен из вспененного полиэфира с открытыми ячейками, пронизанного отверстиями 16. Слой 12 имеет небольшую плотность и толщину 5 мм, он играет роль прокладки между пленкой 9 и промежуточной пленкой 10.

Промежуточная пленка 10 толщиной порядка 6 мкм располагается между двумя , слоями вспененного материала 12, Она покрыта алюминием с двух сторон 17 и 18. Эта оболочка отражает излучение и образует конвекционный барьер между двумя слоями вспененного материала 12 и 13. Слой вспененного материала 13 выполнен аналогично слою 12, он помещается без приклеивания к промежуточной пленке 10.

Внутренняя сторона 19 наружной пленки 11 покрыта алюминием и отражает излучение в дневной период и приклеена к слою 13. Наружная сторона этой пленки не алю- минизирована для уменьшения нагрева оболочки.

Экран 8 закрепляется с одной стороны, по краям сферических двуугольников 2, а с другой стороны закрепляется своим верхним краем вблизи полярной детали 5. Края двух соседних сферических двуугольников 2 привариваются к усилительной полосе 4. Между двумя сферическими двуугольниками экран 8 накладывается сверху усилительной полосы 4 и соединен с ней при помощи синтетических заклепок 20, на внешней стороне экрана на уровне головки каждой заклепки прикреплены усиливающие кольца 21.

На фиг.4 и 5 показаны перспективно в половинном разрезе и в виде сверху крепления сферических двуугольников на полярной детали 5. Полярная деталь 5 выполнена в виде диска из алюминиевого сплава, а сферические двуугольники закрепляются на этом диске при помощи складок, которые

они образуют вокруг тора 22, выполненного из алюминиевого сплава. При помощи болтов 23 на полярной детали 5 закреплены сферические двуугольники 2 и свободная кромка складки 24. Экран термического

улавливания приклеен в верхней части между сферическим двуугольником 2 и свободной кромкой складки 24, например при помощи двусторонней клеющей ленты 25 и 26. В частично надутом состоянии оболочка 1 представляет собой пузырь 27 со шлейфом 28.

Стратосферный аэростат работает следующим образом.

Аэростат запускается путем введения в

оболочку несущего газа (водорода или гелия). Отрыв аэростата от поверхности земли осуществляется любым известным способом, например, при помощи вспомогательных аэростатов. Подъем аэростата

происходит обычным образом под действием подъемной силы несущего газа. При достижении оболочкой 1 аэростата состояния полного наполнения тепловой экран не оказывает заметного влияния на тепловой баланс массы несущего газа по причине малости поверхности теплового экрана по сравнению с площадью поверхности оболочки аэростата, то есть величина потолка подъема заявленного аэростата будет такой

же, как и у аэростата без теплового экрана. В ночной период аэростат снижается по причине охлаждения несущего газа и уменьшения объема оболочки. При этом тепловой экран занимает все большую относительную площадь. .

Анализ уравнений, описывающих равновесие аэростата показывает, что без сбрасывания балласта стабилизация аэростата по высоте происходит, когда выполняется

соотношение

(Тс/Та) день (Тс/Та) ночь; где TG - температура несущего газа;

Та - температура атмосферного воздуха.

в случае запуска аэростата без теплового экрана вышеуказанное отношение температур ночью будет существенно меньшим по сравнению с величиной этого отношения в дневной период по причине небольшой

величины температуры несущего газа TG.

Наоборот дпя заявленного аэростата тег.ло- вой экран увеличивает температуру TG в ночной период, не изменяя значительно температуру TG в дневной период и, как показывает моделирование, существует значение высоты, на которой стабилизируется аэростат без сброса балласта.

Тепловой экран, кроме отражения теплового излучения, выполняет функцию теп- лоизолирующего элемента, для уменьшения теплоотдачи несущим газом в ночной период и увеличения величины ночной температуры TG. Кроме того, тепловой экран может быть выполнен с возможностью отражения теплового излучения внутрь оболочки аэростата для увеличения TG ночью.

Величина площади поверхности теплового экрана лежит в пределах 2-5% от величины площади поверхности аэростата в полностью надутом состоянии. Такое соотношение площадей поверхностей теплового экрана и оболочки аэростата повышает значение температуры TG в ночной период, когда площадь поверхности теплового экрана составляет около половины поверхности пузыря.

Кроме того, для заявленного аэростата предпочтительна такая величина полезной нагрузки на старте, чтобы плавающая масса аэростата удовлетворяла соотношению

1,9-1( 3,9 10 3V. где М - плавающая масса (кг);

V - объем оболочки аэростата (м3).

При вышеуказанных условиях для различных радиационных условий, при которых аэростат находится в дневное время, температура газа TG в нем остается меньшей температуры наружного воздуха Та по причине незначительной конвекции и теплопроводности на высотах 40-45 км, и вследствие положительного градиента температур, до высоты 45 км (стратопауза). Таким образом, ограничивается выталкивание газа из оболочки аэростата на наибольшей высоте (днем), что повышает уровень стабилизации ночью и позволяет осуществить значительное число циклов стабилизации.

На фиг.7 приведены кривые, полученные при моделировании теплового и динамического движения аэростата, представляющего собой пузырь 26 объемом около 5300 м3 на высоте 16км (для аэростата с объёмом 400000 м в наполненном состоянии), причем поверхность пузыря при этом составляет 1500 м2, масса аэростата с экраном 650 кг, полезная нагрузка 300 м, масса несущего газа (водорода) 77 кг. Кривые были получены с использованием атмосферных таблиц для 38° северной широты (длинная

ночь), что представляет неблагоприятную ситуацию.

Кривая А представляет зависимость высоты от времени. Подъем .аэростата сразу 5 после запуска незначительно отличается от подъема классического аэростата без экрана. Однако суммарная плавучая масса существенно меньше, чем в классическом случае (1027 кг вместо 1700 кг) и аэростат достигает

0 максимальной высоты около 44 км. Радиационная ситуация при моделировании для первого дня характеризовалась следующими параметрами: альбедо 0,7; поднимающийся- инфракрасный поток 240 Вт/м2

5 (соответствует наличию низких облаков); солнечная постоянная равна 1360 Вт/м2.

Следует отметить, что такая ситуация является неблагоприятной, т.к. при ней обеспечивается наибольший нагрев несу0 щего газа. Кривая В иллюстрирует изменение внутренней температуры аэростата TG (температуру несущего газа), а кривая С наружную температуру воздуха Та. Отношение Тс/Та равно 0,97 при полном наполнении.

5 На высоте 44 км оболочка 1 аэростата полностью заполнена (см. фиг. 1).

Моделировался также ночной, сравнительно холодный период работы аэростата (поднимающийся инфракрасный поток 110

0 , Вт/м2). что является очень неблагоприятной ситуацией. Аэростат опускается и стабилизируется.

На фиг. 12 представлена теоретически полученная диаграмма стабилизации аэро5 стата в координатах высота-температура (кривая Е). На фиг.12 также изображены кривая F, соответствующая кривой Е, но для случая классического аэростата без теплового экрана, кривая Та, представляющая со0 бой профиль температур наружного воздуха, кривая С. являющаяся теоретической кривой стабилизации аэростата (определяется величиной отношения ТсЛа для дневного времени суток). Заштрихованная

5 область на фиг, 12 изображает облака на границе тропопаузы.

Кривая Е, характеризующая передвижение заявленного аэростата, отклоняется начиная с высоты 28-30 км от кривой F,

0 отвечающей случаю классического аэростата без теплового экрана. Такое поведение кривой Е приводит к тому, что она пересекается с кривой, стабильности С в точке стабильности Т, соответствующей стабильному

5 уровню ночи, причем точка Т располагается выше тропопаузы. Наоборот, кривая F, отвечающая случаю классического аэростата без теплового экрана, не пересекается с кривой С выше тропопаузы, что соответствует случаю необратимого спуска аэростата.

Формула изобретения

1.Стратосферный аэростат открытого типа с переменным объемом, содержащий мягкую оболочку из прозрачного синтетического материала, преимущественно полиэтилена или полиэстра, патрубки удаления газа, расположенные в нижней части оболочки, и подвеску полезной нагрузки, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности стабилизации стратосферного аэростата по высоте между верхним и нижним уровнями в течение суток, он снабжен экраном улавливания теплового излучения и отражения теплового излучения внутрь оболочки, причем величина площади поверхности экрана лежит в пределах 1-15% поверхности оболочки аэростата.

2.Аэростат по п.1,отличающийся тем, что экран улавливания теплового излучения выполнен теплоизолирующим, имеющим по крайней мере одну .отражающую сторону, обращенную внутрь оболочки.

3.Аэростат по п.2, отличающийся тем, что экран улавливания теплового излучения снабжен по крайней мере с внутренней стороны и по крайней мере одним слоем вспененного материала с открытыми ячейками на основе полиэстра, в котором выполнены отверстия.

4.Аэростат по п.З, отличающийся тем, что экран улавливания терлового излучения металлизирован с внутренней стороны наружной пленки.

Б.Аэростат по одному из пп. 1.2,3 или 4, отличающийся тем, что оболочка образована набором соединенных между собой элементов, каждый из которых выполнен в виде сферического двуугольника, и снабжена силовыми полосами и прозрачным силовым шаровым сегментом, соединенным с верхними частями сферических двуугольников, причем силовые полосы закреплены на краях сферических двуугольников и своими нижними концами соединены с подвеской полезной нагрузки, а экран улавливания теплового излучения закреплен на силовых полосах.

б.Аэростат пло п.5, отличающийся тем, что оболочка снабжена полярной деталью, верхние концы сферических двуугольников прикреплены к полярной детали с образованием складки со свободной кромкой, причем экран улавливания теплового излучения закреплен на уровне полярной детали на сферических двуугольниках и на свободной кромке складки.

Т.Аэростат по одному из пп.1-5, о т л ичающийся тем, что величина объема оболочки в состоянии полного наполнения лежит в диапазоне 105-2х106м3.

в.Аэростат по п.7, отличающийся тем, что экран улавливания теплового излучения выполнен в форме шарового сегмента, окружающего верхний полюс, аэростата, причем величина площади поверхности экрана лежит в диапазоне от 2-5% величины поверхности оболочки.

Р&г. /

ЯШ/ЕЕ

аЈ

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха и касается свободных аэростатов. Целью изобретения является повышение эффективности стабилизации стратосферного аэростата по высоте между верхним и нижним уровнями в течение суток. Стратосферный аэростат открытого типа с переменным объемом содержит мягкую оболочку 1 из прозрачного синтетического материала, преимущественно полиэтилена или полиэстра, выполненную из продольных сферических двуугольников 2, патрубки удаления газа 3, расположенные в нижней части оболочки и подвеску полезной нагрузки 7 и экран 8 улавливания теплового излучения и отражения теплового излучения внутрь оболочки, причем величина площади поверхности экрана 8 лежит в пределах 1-15% оболочки аэростата. 7 з.п.ф-лы, 12 ил. (Л С

X

v.

J

1

ЈЯЬЖ&

:

Ъ

t

Фиг.5