полужёсткий управляемый аэростатический летательный аппарат

Формула изобретения

Полужесткий управляемый аэростатический летательный аппарат, содержащий дискообразный корпус, высота которого не превышает половины его диаметра, содержащий, в свою очередь, жесткий силовой каркас, гондолу, силовую установку, средства управления, выполненные в виде рулей, баллоны для газа легче воздуха, эластичную выпуклую оболочку, прикрепленную к жесткому силовому каркасу, отличающийся тем, что жесткий силовой каркас выполнен в виде трех взаимно пересекающихся под углом 90 труб, в центре пересечения которых установлены две взаимно перпендикулярные оси, причем одна из осей закреплена внутри вертикальной трубы жесткого силового каркаса и выполнена в виде вращающейся рамки, внутри которой с возможностью вращения установлена вторая ось, на которой закреплена силовая установка, выполненная в виде электродвигателя с воздушным винтом, при этом эластичная выпуклая оболочка выполнена из солнечных батарей для питания электродвигателя, а средства управления, выполненные в виде рулей, установлены на выходах по крайней мере одной из горизонтальных труб жесткого силового каркаса.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области воздухоплавания, в частности к аэростатной технике легче воздуха с полужесткой конструкцией дискообразной формы, и может быть использовано в качестве транспортного средства, систем слежения, ретранслятора радиосигналов, стартовой площадки, энергетической установки.

Существует несколько видов летательных аппаратов, различающихся по своей форме конструкции и использованию силовых установок. Формы летательных аппаратов выбираются в соответствии с аэродинамическими свойствами и объемами различных геометрических фигур. “Шар” - наиболее объемная фигура, минимум поверхностной площади, но очень плохие аэродинамические свойства. “Эллипсоид” - наиболее часто использующаяся форма. Но данная форма очень чувствительна к боковому ветру. Для придания жесткости данной форме приходится использовать тяжелую раму или большое количество строп. Дискообразная форма используется редко из-за большой поверхности и большого лобового сопротивления.

Одна из проблем, существующая во всех аэростатических летательных аппаратах легче воздуха - это маневрирование при посадке. Этому мешают боковой ветер и нисходящие и восходящие потоки воздуха. Силовые установки располагаются обычно в гондоле, поэтому силы, создаваемые силовой установкой, не действуют через центр давления, а увеличение количества силовых установок решает эту проблему, но ведет к увеличению массы аппарата.

Известен летательный аппарат, использующий силовую установку, меняющую вектор тяги (патент РФ 2125950, з. 30.01.95, oп. 10.02.99), улучшающую маневрирование даже при боковом ветре, но двигатели установлены в гондоле, поэтому чтобы силы действовали через центр давления, необходимы несколько двигателей, что увеличивает массу аппарата. В данном случае используется дизельный двигатель, следовательно, требуется дозаправка, и вес горючего должен быть учтен при проектировании. Нельзя также забывать об экологическом эффекте выхлопов дизельных двигателей.

Известна высотная разведывательная платформа (патент США №4697761, з. 16.09.85 г., оп. 06.10.87 г.), не требующая топлива, содержащая электродвигатель, приводящий во вращение воздушный винт. Солнечная батарея принимает солнечные лучи и вырабатывает электроэнергию, от которой питается электродвигатель. Тепловая энергия альбедо от земли поступает на приемники инфракрасного излучения и далее к электродвигателю. Избыток электроэнергии, вырабатываемой солнечной батареей и приемниками инфракрасного излучения, накапливается в устройстве, которое при недостатке электроэнергии, поступающей от батареи и приемников, подается дополнительно на электродвигатель, позволяя летательному аппарату существовать в течение нескольких лет на больших высотах. Энергетическая установка позволяет не ограничивать расстояние и время полета аппарата, но данная платформа не способна перевозить большие грузы, так как для создания подъемной тяги необходима гораздо большая энергия, чем может дать солнечная батарея (у аэростата подъемная сила не зависит от энергетической установки).

Известна разработка японской фирмы SANNY “Solan-Egg” (ж. Техника молодежи, №9, 1993 г.), использующая солнечную энергию. Преимущества такой силовой установки заключаются в отсутствии дозаправок, и, следовательно, летательный аппарат более экономичен и экологически чист. Но форма летательного аппарата “эллипсоид” и двигатели установлены в гондоле. Благодаря такой форме поверхность солнечной батареи мала и она дает меньше энергии, а установка двигателей в гондоле создает проблемы в маневрировании аппарата за счет того, что силы, создаваемые силовой установкой, не действуют через центр давления. При этом дополнительный двигатель увеличивает массу аппарата.

Проблема заключается в энергетических установках, обеспечивающих топливную экономичность полета и, кроме того, большую мощность, необходимую для причаливания, т. е. выполнение двух различных требований.

Известен полужесткий летательный аппарат легче воздуха, наиболее близкий к заявленному (патент РФ 2114027, з. 26.05.94, оп. 27.06.98), содержащий составной из эластичных выпуклых верхней и нижней оболочек дискообразный корпус, высота которого не превышает половины диаметра корпуса, с размещенными в нем баллонами для газа легче воздуха, также содержащего жесткий силовой каркас, гондолу, силовую установку, средства управления. Эластичная выпуклая оболочка прикреплена к жесткому силовому каркасу и к гондоле. В качестве силовой установки использованы двигатели внутреннего сгорания.

Используя дисковую форму, данный аппарат испытывает большое лобовое сопротивление. Силовая установка расположена на гондоле, поэтому силы, создаваемые ею, не действуют через центр давления и не способствуют увеличению маневренности, а дополнительные двигатели увеличивают массу аппарата. Использование двигателей внутреннего сгорания неэкономично.

Основная задача - создание конструкции летательного аппарата легче воздуха, обеспечивающего большую маневренность, при этом вектор тяги силовой установки должен быть направлен через центр давления, а также создание конструкции, имеющей силовую установку достаточной мощности, обеспечивающей большую экономичность при эксплуатации и экологическую чистоту.

Поставленная задача решается за счет того, что в полужестком управляемом аэростатическом летательном аппарате, содержащем дискообразный корпус, высота которого не превышает половины его диаметра, содержащем, в свою очередь, жесткий силовой каркас, гондолу, силовую установку, средства управления, выполненные в виде рулей, баллоны для газа легче воздуха, эластичную выпуклую оболочку, прикрепленную к жесткому силовому каркасу, согласно изобретению жесткий силовой каркас выполнен в виде трех взаимно пересекающихся под 90°С труб, в центре пересечения которых установлены две взаимно перпендикулярные оси, причем одна из осей закреплена внутри вертикальной трубы жесткого силового каркаса и выполнена в виде вращающейся рамки, внутри которой с возможностью вращения установлена вторая ось, на которой закреплена силовая установка, выполненная в виде электродвигателя, при этом эластичная выпуклая оболочка выполнена из солнечных батарей для питания электродвигателя, а средства управления, выполненные в виде рулей, установлены на выходах по крайней мере одной из горизонтальных труб жесткого силового каркаса.

Выполнение жесткого силового каркаса в виде трех взаимно пересекающихся под 90°С труб позволяет установить силовую установку в центре аппарата с возможностью поворота для изменения вектора тяги в любом направлении для того, чтобы вектор тяги действовал через центр давления, повышая маневренность аппарата. Поверхность аппарата, выполненная в виде солнечных батарей, и ее размеры позволяют обеспечить достаточной энергией силовую установку и дополнительное оборудование. Использование солнечной энергии экономически выгодно и экологически чисто.

Рули, установленные на выходах одной или всех горизонтальных труб, позволяют не допускать вращения аппарата вокруг вертикальной оси или разворачивать аппарат вокруг вертикальной оси.

Использование электродвигателя в качестве силовой установки дает большую экономичность при эксплуатации и экологическую чистоту.

Установка электродвигателя на взаимно перпендикулярных осях, одна из которых выполнена в виде вращающейся рамки, размещенной в центре пересечения труб жесткого силового каркаса, и закреплена внутри вертикальной трубы, другая - установлена с возможностью вращения внутри рамки, позволяют изменять направление вектора тяги, что повышает маневренность аппарата.

Кроме того, при приземлении аппарат может быть использован как энергетическая установка для питания дополнительного оборудования.

На фиг.1 схематично изображен полужесткий управляемый аэростатический летательный аппарат, общий вид, в разрезе; на фиг.2 - то же, вид сбоку, разрез А-А; на фиг.3 - то же, вид сверху, разрез В-В; на фиг.4 - представлен фрагмент фиг.2 - крепление силовой установки в центре пересечения труб жесткого силового каркаса.

Полужесткий управляемый аэростатический аппарат состоит из дискообразного корпуса, высота которого не превышает половины его диаметра. Корпус содержит жесткий силовой каркас 1 в виде трех труб - вертикальной 2 и горизонтальных 3, 4, пересекающихся в центре под углом 90°. К жесткому силовому каркасу 1 крепится оболочка 5 аэростата и гондола 6, состоящая из грузового отсека 7, отсека управления 8 (жилой отсек), отсека оборудования 9. В центре пересечения труб каркаса на двух взаимно перпендикулярных осях 10, 11 (фиг.4) крепится силовая установка в виде электродвигателя 12 с воздушными винтами. Ось 10 выполнена в виде рамки и крепится в вертикальной трубе 2 с возможностью вращения. Ось 11 крепится к вертикальной оси 10 внутри рамки с возможностью вращения. На жестком каркасе на выходах горизонтальной трубы 3 установлены рули управления 13. При необходимости рули 13 могут быть установлены на выходах всех горизонтальных труб.

Оболочка 5 представляет собой солнечную батарею на пленочной или тканевой основе. Внутреннее пространство аппарата разделено на 8 изолированных частей 14 стропами 15, которые крепятся на гондоле 6. Так же к гондоле крепятся баллоны 16 для газа легче воздуха.

Отсек оборудования 9 снабжен оборудованием для подачи в отсеки забортного воздуха для увеличения веса аппарата, а также оборудованием для поддержания микроклимата внутри жилого отсека 8.

На нижней части оболочки 5 кроме солнечной батареи могут быть установлены приемники инфракрасного излучения (альбедо земли) (не указаны).

Летательный аппарат работает следующим образом.

Оболочка 5 наполняется газом легче воздуха, чтобы уравновесить вес груза и аппарата с учетом необходимой высоты, на которой будет транспортироваться груз. Внутрь изолированных отсеков 14 накачивается атмосферный воздух под избыточным давлением, чтобы аппарат приобрел вес на уровне земли. При снижении давления аппарат поднимется вверх. Подъем может быть осуществлен и другими известными способами, например с использованием подъемной силы нагретого воздуха (патент РФ 2114027). При освещении внешней поверхности корпуса, благодаря солнечным батареям, свет преобразуется в энергию, которая подается на электродвигатель 12, который, пропуская воздух по трубе 3, двигает аппарат вперед. При боковом ветре электродвигатель поворачивается на вертикальной оси 10, создавая боковую тягу, т.е. пропускает воздух по трубам 3, 4, нивелируя этим действие бокового ветра. Так как электродвигатель 12 установлен на двух перпендикулярных осях 10, 11, направление тяги может быть любое, в том числе и вертикальное, повышая маневренность аппарата.

Переместив груз, аэростат вновь закачивает в каждый из отсеков 14 воздух под избыточным давлением, увеличивая массу аппарата. Аппарат опускается. Для большей маневренности при взлете и посадке используются возможности электродвигателя создавать тягу в любом направлении, в т.ч. и в вертикальном. Чтобы предупредить вращение аппарата вокруг своей оси используются рули 13. При стоянке на земле аппарат используется как энергетическая станция для работы любого дополнительного оборудования, а также для пополнения энергии аккумуляторов, которые используются для передвижения в ночное время суток.

При необходимости аппарат может зависнуть на определенной высоте над определенной точкой, оставаясь там неопределенно долгое время, нивелируя с помощью электродвигателя действие ветра.

Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом заключаются в следующем: большая маневренность; экологическая чистота; экономичность при эксплуатации; достаточная мощность.