способ и устройство для создания подъемной силы

Формула изобретения

1. Устройство для создания подъемной силы, содержащее замкнутую пневмонапряженную оболочку, выполненную с возможностью изменения плотности воздуха как посредством изменения объема полости оболочки, так и посредством изменения количества воздуха в полости оболочки, отличающееся тем, что пневмонапряженность оболочки обеспечена натяжением на спиралевидную конструкцию, образованную ребрами жесткости из кевлара.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено силовым устройством, предназначенным для изменения объема полости оболочки при выполнении спиралевидной конструкции в виде незамкнутого тора.

3. Способ создания подъемной силы, отличающийся тем, что используют устройство по п.1 или 2.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области создания летательных аппаратов легче воздуха, в частности к созданию устройств, создающих подъемную силу, достаточную для перемещения грузов или человека.

Известен способ создания подъемной силы путем закачивания в замкнутую герметичную оболочку легкого газа. Для регулирования подъемной силы производят сбрасывание определенного количества балласта и стравливание необходимого количества легкого газа, см., например, Чернов А.А. Путешествия на воздушном шаре. -Л.: Гидрометеоиздат, 1975, с.27.

Устройство для создания подъемной силы в данном случае содержит саму герметичную оболочку, устройства для заполнения ее легким газом, балласт и устройства для сбрасывания балласта и стравливания газа.

Недостатки данных способа и устройства в первую очередь зависят от того, что используется легкий газ, обычно гелий. Этот газ очень летуч. Он довольно легко проникает сквозь поры многих материалов. Герметизация связана с большими трудностями. Кроме того, легкие газы обычно довольно дороги. Есть и дешевые газы, например водород. Но его использование связано с угрозой взрыва.

Разработаны способ для создания подъемной силы без применения легких газов и устройство для осуществления этого способа. В соответствии с этим способом в пространство между двумя концентричными оболочками, соединенными поперечными связями, закачивается воздух до избыточного давления, обеспечивающего жесткость конструкции (отсутствие схлопывания под действием атмосферного давления), когда из внутренней оболочки воздух полностью откачан, см. Броуде В.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. -М.: Машиностроение, 1976, с.89. Автор этой книги расчетами доказывает невозможность обеспечения плавучести такой конструкции, т.к. масса закачанного под избыточным давлением воздуха равна массе воздуха, удаленного из внутреннего пространства.

Известны способ создания подъемной силы и устройство для его осуществления, описанные в патенте РФ 2126342 на изобретение "Безбалластный аэростатический летательный аппарат", МПК В 64 В 1/62, заявлено 31.07.1997, опубликовано 20.02.1999. Создание подъемной силы производится путем изменения плотности воздуха во внутренней замкнутой пневмонапряженной оболочке за счет изменения его массы. Давление воздуха в оболочке может быть больше, меньше и равно атмосферному давлению. При этом для предотвращения схлопывания под действием атмосферного давления полость между внутренней и наружной оболочками заполняют легким газом под избыточным давлением выше атмосферного. Устройство, представляющее собой аэростатический летательный аппарат, содержит пневмонапряженную конструкцию замкнутой формы, образованную из соединенных между собой посредством силовых поперечных связей наружной и внутренней оболочек. Полость между оболочками заполнена легким газом под избыточным давлением выше атмосферного. Внутренняя полость заполнена воздухом. Имеется средство для изменения массы воздуха, заполняющего внутреннюю полость, включающее перепускной клапан, насос и компрессор.

Недостатки указанных способа и устройства в первую очередь связаны с использованием легких газов: трудности в герметизации, высокая себестоимость, угроза взрыва.

Известно выбранное в качестве прототипа устройство для создания подъемной силы, содержащее герметичную гибкую пневмонапряженную оболочку, образующую вакуумную полость, и устройство для расправления оболочки, закрепленное на ней. Устройство для расправления оболочки размещено с внешней стороны оболочки и представляет собой герметичный пневматический элемент (тонкостенный шланг, уложенный на всей поверхности оболочки по спирали, соседние витки которой скреплены между собой, по меньшей мере, в один слой) с внутренней приводной камерой, сообщенной с источником давления. Внутри вакуумной полости размещены силовые элементы.

Способ-прототип, в соответствии с которым действует устройство-прототип, обеспечивает создание подъемной силы путем изменения плотности воздуха в замкнутой пневмонапряженной оболочке за счет изменения объема оболочки.

Недостатками прототипа являются:

- использование в виде ребер жесткости пневмонапряженного шланга под избыточным давлением воздуха, что позволяет эффективно использовать данное устройство в качестве вакуумной камеры, но не сможет обеспечить плавучесть данной конструкции в атмосфере, т.к. количество воздуха, закачиваемого в шланг, равно или выше количества воздуха, вытесняемого оболочкой в атмосфере (даже без учета веса оболочки и шланга);

- ненадежность конструкции из-за невозможности обеспечить необходимую прочность шланга на изгиб или разрыв;

- при разрыве оболочки конструкция cхлопывается, то есть не обеспечивается безопасность.

Задачей заявляемых изобретений является повышение безопасности и надежности.

Указанная задача решается за счет того, что в известном устройстве для создания подъемной силы, содержащем замкнутую пневмонапряженную оболочку, выполненную с возможностью изменения плотности воздуха как посредством изменения объема полости оболочки, так и посредством изменения количества воздуха в полости оболочки, согласно изобретению пневмонапряженность оболочки обеспечена натяжением на спиралевидную конструкцию, образованную ребрами жесткости из кевлара или аналогичного сверхвысокомодульного материала (СВМ).

Кроме того, указанная задача решается за счет того, что устройство снабжено силовым устройством, предназначенным для изменения объема полости оболочки при выполнении спиральной конструкции в виде незамкнутого тора.

Указанная задача решается также за счет того, что в способе создания подъемной силы, согласно изобретению используется устройство по п.1 или 2.

В заявляемом устройстве использована только одна оболочка, в нем нет дополнительных замкнутых полостей для размещения находящегося под давлением воздуха, которые в прототипе предназначены для предотвращения схлопывания под воздействием атмосферного давления.

Возможность сохранять заданную форму и не терять ее под воздействием давления воздуха во внешней среде обеспечивается за счет использования элементов жесткости. При этом при необходимости подъемная сила может изменяться как за счет изменения объема оболочки, так и за счет изменения количества воздуха в ней. И в том и другом случае изменяется плотность воздуха. Совмещение возможностей позволяет выбрать оптимальный вариант подъема.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема подъемного устройства; на фиг.2 - схема указанного устройства с учетом прогиба под действием атмосферного давления; на фиг.3 - схема сжатия кольца; на фиг.4 - схема силового воздействия на кольцо; на фиг.5 - форма ребра жесткости в виде овальной трубы; на фиг.6 - схема устройства в виде тора: на фиг.7 - схема устройства в виде незамкнутого тора.

Рассчитаем возможность создания такого подъемного устройства, схема которого представлена на фиг.1.

Пусть данное устройство представляет собой цилиндр длиной Н, радиусом R. Ребра жесткости данного цилиндра выполнены в виде спирали тем же радиусом R и шагом h. Тогда данное устройство можно представить с достаточно большой точностью как составное устройство из N цилиндров с тем же радиусом R и длиной h, где N=Н/h.

Пусть для простоты расчетов R=h=1 м, f=0,1 м - прогиб оболочки под воздействием атмосферного давления (см. фиг.2).

Допустим, что ребро жесткости находится на расстоянии 1/2 h от края, т. е. находится посередине данного цилиндра. Оболочка данного устройства может быть выполнена из дуплекса (двойной пленки) полиэтилена толщиной 0,02 мм и лавсана толщиной = 0,8 мм. Предел прочности такой пленки определяется пленкой из лавсана, который равен =1700 кг/см². Тогда для данной конструкции расстояние между ребрами жесткости должно составлять



где Р₀ = 1 атм = 1 кг/см²

Тогда h = 104 см = 1 м. Таким образом, при такой оболочке ребра жесткости можно расположить еще шире, если прогиб f будет больше. Поверхностная плотность такого материала составляет =140 г/м². Общая площадь цилиндра (без учета прогиба и без торцов, так как при достаточно большом количестве N ими можно пренебречь) будет составлять

S=4R²=12,6 м²,

тогда масса оболочки будет М_{оболочки}=S=1,8 кг.

Объем данного цилиндра будет

V=R²h=3,14 м³,

тогда при _{воздуха} = 1,3 кг/м³ масса вытесняемого воздуха будет

M₀ = V_{воздуха} = 4,08 кг.

Тогда при массе оболочки 1,8 кг, чтобы создать равновесное состояние, ребро жесткости, с достаточной точностью представляемое в виде кольца, должно иметь длину L=2R=6,28 м, плотность на 1 м длины ₁ = 0,363 кг/м и при h= 1 м и атмосферным давлением P₀ = 1 атм = 1 кг/см² обладать прочностью на сжатие

₁100 кг/см.

Рассчитаем ребро жесткости. Кольцо со всех сторон в любом сечении испытывает только сжатие (см. фиг.3).

Представим, что кольцо находится в равновесии (см. фиг.4), тогда



Следовательно, максимальное давление на сжатие кольца будет

N=PR, где Р=P₀h=100 кг/см² 100 см=10000 кг/см

Ребра жесткости, изготовленные в виде кольца с круглым сечением из полимерной пленки, армированной на эпоксидной смоле волокнами из кевлара (характеристики материала = 1380 кг/м³, = 14000 кг/см, пусть Nсжатия 0,5Nрастяжения при потере устойчивости), должны иметь площадь сечения

S_сеч=10000/7000=1,43 см²

Тогда ребра жесткости имеют плотность на 1 м длины ₁ = 0,197 кг/м.

При изготовлении ребра жесткости в виде овальной трубы (см. фиг.5), где

r - больший радиус овала по центру стенки, a t - толщина стенки трубы, можно значительно повысить (до 40%) жесткостные параметры при той же массе ребер жесткости или значительно уменьшить массу ребер жесткости.

Подъемная сила на один сегмент устройства, длиной и радиусом равными 1 м, будет составлять F=М₀-М_{оболочки}-М_ребра=1 кг.

Таким образом, доказана возможность создания устройства, имеющего меньший вес, чем вес вытесняемого им воздуха, защищенного от схлопывания из-за действия атмосферного давления жестким каркасом. При давлении внутри оболочки Р_внутр>0 прочностные характеристики и оболочки и ребер жесткости можно снижать, тем самым снижая и вес всего устройства. Запас прочности в 40% позволяет в этих же пределах регулировать подъемную силу, изменяя объем устройства за счет изменения величины шага между спиралями h.

Аппарат, выполненный в виде воздухонепроницаемой оболочки, натянутой на спиралевидную конструкцию, имеет достаточно широкую сферу применения. Приведем некоторые примеры использования данного устройства.

Пример 1.

В местах, где установка вышек для ретрансляции радиосигналов (сотовые радиотелефоны, телевидение, радиовещание и т.д.) невозможна или дорогостояща (болота, вечная мерзлота и т.д.), данное устройство позволяет решить эту проблему. Создав подъемную силу и подняв данное устройство на нужную высоту, его можно удерживать на заданном месте с помощью троса (или нескольких тросов). Кроме того, соединив концы устройства между собой, получаем тор. В разрезе устройство аппарата представлено на фиг.6.

На данной фигуре цифрами обозначены: 1 - гибкая оболочка, имеющая с внешней (верхней) стороны покрытие, отражающее радиоволны, и в натянутом состоянии имеющая форму параболы; 2 - замкнутый объем, изолированный от внешней среды, 3 - тросы, удерживающие аппарат на месте и ориентирующие его в заданном направлении; 4 - приемник (сумматор) радиосигнала; 5 - компрессор, откачивающий из самого тора и из объема 2 воздух.

При откачивании воздуха из тора создается подъемная сила, достаточная для подъема всего аппарата на высоту, заданную длиной тросов. С помощью этих тросов можно также задать необходимое направление ориентации тора в пространстве (например, на другую ретрансляционную станцию или на космический ретрансляционный спутник). Выкачивание воздуха из объема 2 придает мягкой оболочке 1 необходимую жесткость, что превращает ее в параболическую антенну.

Пример 2.

Использование летательного аппарата, выполненного в виде воздухонепроницаемой оболочки, натянутой на спиралевидную конструкцию в виде незамкнутого тора (фиг.7), позволяет достаточно быстро изменять подъемную силу. На данной фигуре цифрами обозначены: 6 - торцы воздухонепроницаемой оболочки, натянутой на спиралевидную конструкцию; 7 - место пилота; 8 - крепеж места пилота к незамкнутому тору; 9 - силовое устройство, пропорционально увеличивающее или уменьшающее длину силовых тросов 10.

Если длина силовых тросов уменьшается, тем самым увеличивается внутренний объем тора, а значит увеличивается и подъемная сила за счет увеличения вытесняемого тором количества воздуха, аппарат поднимается вверх. И наоборот, если длина тросов увеличивается, то под действием атмосферного давления объем тора уменьшается и, следовательно, уменьшается подъемная сила, аппарат опускается. Величина подъемной силы в данном случае может достаточно быстро варьироваться в пределах 20-25%.

Пример 3.

Данный аппарат достаточно малых размеров можно использовать в виде аэрозондов, автоматически изменяя подъемную силу с помощью силовых тросов в зависимости от назначения зонда. На таком зонде возможно размещение практически любой измерительной и управляющей аппаратуры, причем продолжительность полета зонда в разы превышает продолжительность полета зондов, применяющихся в настоящее время.