BG113088A

BG113088A - High altitude balloon

Info

Publication number: BG113088A
Application number: BG113088A
Authority: BG
Inventors: Сия ЛОЗАНОВА; Вълчева Лозанова Сия; Чавдар РУМЕНИН; Станоев Руменин Чавдар; Август ИВАНОВ; Йорданов Иванов Август
Original assignee: Институт По Роботика - Бан
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-08-31
Also published as: BG67449B1

Abstract

The high altitude balloon comprises an inelastic shell (1) of spherical or elongated shape, initially filled entirely with gas (2) with a relative weight less than that of air. A capsule (4) is attached to the shell (1) with a cord (3), in which is placed equipment - dosimeter, radar, lidar, GPS, anemometer, thermometer, camera for recording in different spectral ranges, three-component magnetometer, radio communication unit for data, battery power, solar cells, etc. The dimensions of the shell (1) are such that when it is initially filled with gas (2), the lift force is greater than the total weight of the capsule (4) attached with the cord (3) and the shell (1). In the upper part of the shell (1) there is an automatic valve (5) with a fan (6) for connection of the gas (2) in the high altitude balloon, controlled by a sensor module (7). A valve (8) is mounted in the lower part of the shell (1), also controlled by the sensor module (7) for maintaining the gas pressure (2) in the shell (1) equal to the atmospheric pressure, regardless of the lift height. After reaching the set height, the valve (5) opens, the fan (6) turns on and the gas (2) begins to leave the shell (1) through the valve (8), penetrating through the valve (5) as air heavier than the gas (2)lowers the balloon to the ground.

Description

СофйяSophia

БАЛОН ЗА ВИСОКАТА АТМОСФЕРАHIGH ATMOSPHERE BALLOON

ОБЛАСТ НА ТЕХНИКАТАFIELD OF ENGINEERING

Изобретението се отнася до балон за високата атмосфера, приложимо в областта на регистрацията на замърсявания на въздуха в това число с радиоактивни нуклеиди, патогени и аерозоли, включително радиационния фон над АЕЦ; контрол на роботизирани безпилоти летателни системи и апарати; дистанционното изследване и мониторинг на динамиката на негативни процеси и явления като наводнения, пожари, вулканична активност; наблюдение на обекти върху повърхността на земята, във въздушното пространство, водните басейни и в близкия космос; квантовата комуникация; геомагнетизма, метеорологията и хидрологията; военното дело, сигурността и контратероризма, и др.The invention relates to a balloon for the upper atmosphere, applicable in the field of registration of air pollution, including radioactive nuclides, pathogens and aerosols, including the radiation background above the nuclear power plant; control of robotic unmanned aerial systems and apparatus; the remote study and monitoring of the dynamics of negative processes and phenomena such as floods, fires, volcanic activity; observation of objects on the surface of the earth, in airspace, water bodies and in near space; quantum communication; geomagnetism, meteorology and hydrology; military affairs, security and counter-terrorism, etc.

ПРЕДШЕСТВАЩО СЪСТОЯНИЕ НА ТЕХНИКАТАPRIOR ART

Известен е балон за високата атмосфера, съдържащ нееластична обвивка със сферична или продълговата форма, която е напълнена с газ с относително тегло по-малко от това на въздуха. Към долната страна на балона има прикачен с корда парашут, който е съединен с друга корда към капсула с апаратура - дозиметър, радар, лидар, GPS, термометър, анемометър, камера за заснемане в различни спектрални диапазони, трикомпонентен магнитометър, радиопредавателен комуникационен модул за данните, акумулаторно захранване, соларни клетки и др. Размерите на обвивката са такива, че при първоначалното й запълване с газ подемната сила е по-голяма от общото тегло на прикачената с корда капсула и обвивката. В долната част на балона е монтирана вентилна система, състояща се от еластична тръба, разположена вътре в обвивката и позволяваща разширяване или свиване с цел изравняване на атмосферното налягане с това на газа. След достигане на максимално зададената височина, кордата, съединяваща балона с парашута се прекъсва и капсулата се връща на земята с парашута, [1-6].A balloon is known for the upper atmosphere, containing an inelastic envelope of spherical or oblong shape, which is filled with a gas of a relative weight less than that of air. There is a parachute attached to the underside of the balloon, which is connected by another cord to a capsule with equipment - dosimeter, radar, lidar, GPS, thermometer, anemometer, camera for recording in different spectral ranges, three-component magnetometer, radio transmission communication module for the data , battery power, solar cells, etc. The dimensions of the envelope are such that when it is initially filled with gas, the lifting force is greater than the combined weight of the corded capsule and envelope. At the bottom of the balloon, a valve system is installed, consisting of an elastic tube located inside the shell and allowing expansion or contraction in order to equalize the atmospheric pressure with that of the gas. After reaching the maximum set height, the cord connecting the balloon to the parachute is cut and the capsule returns to the ground with the parachute [1-6].

Недостатък на този балон е разрушаване на високотехнологичната му нееластична обвивка след достигане на зададената височина, поради връщане на земята с парашут само на апаратурата, т.е. балонът функционира само и единствено в режим на издигане.A disadvantage of this balloon is the destruction of its high-tech inelastic shell after reaching the set height, due to the return to earth by parachute of only the apparatus, i.e. the balloon functions only in ascent mode.

Недостатък е също усложнената конструкция от разполагане на еластична тръба вътре в обвивката на балона, подложена на силно амортизиращите я екстремални външни въздействия в стратосферата както и необходимостта от оразмеряване на диаметъра й за постигане на необходимото механично управление на налягането на газа в обвивката при издигането.A disadvantage is also the complicated construction of placing an elastic tube inside the envelope of the balloon, subjected to the highly damping extreme external influences in the stratosphere as well as the need to size its diameter to achieve the necessary mechanical control of the gas pressure in the envelope during ascent.

ТЕХНИЧЕСКА СЪЩНОСТTECHNICAL ESSENCE

Задача на изобретението е да се създаде балон за високата атмосфера, при който да се запази за многократно използване високотехнологичната му нееластична обвивка и да се опрости конструкцията. ¹ The task of the invention is to create a balloon for the high atmosphere, in which to preserve its high-tech inelastic shell for repeated use and to simplify the construction. ¹

Тази задача се решава с балон за високата атмосфера, съдържащ нееластична обвивка със сферична или продълговата форма, запълнена първоначално изцяло с газ с относително тегло по-малко от това на въздуха. Към обвивката е прикачена с корда капсула, в която е поставена апаратура - дозиметър, радар, лидар, GPS, термометър, анемометър, камера за заснемане в различни спектрални диапазони, трикомпонентен магнитометър, радиопредавателен комуникационен блок за данните, акумулаторно захранване, соларни клетки и др. Размерите на обвивката са такива, че при първоначалното й запълване с газ подемната сила на Архимед е по-голяма от общото тегло на прикачената с корда капсула и обвивката. В горната част на обвивката има автоматичен клапан с вентилатор за връзка на газа в балона с атмосферата, управлявани от сензорен модул. В долната част на обвивката е монтиран вентил, също управляван от сензорния модул за поддържане на налягането на газа в обвивката равно на атмосферното, независимо от височината на издигане. След достигане на зададената височина клапанът се отваря, вентилаторът се включва и газът започва да напуска обвивката през вентила. Проникващият през клапана по-тежък от газа въздух осъществява спускането на балона към земната повърхност.This task is solved with a balloon for the upper atmosphere, containing an inelastic envelope of spherical or oblong shape, filled initially entirely with a gas with a relative weight less than that of air. A capsule is attached to the shell with a cord, in which equipment is placed - dosimeter, radar, lidar, GPS, thermometer, anemometer, camera for recording in different spectral ranges, three-component magnetometer, radio transmission communication unit for the data, battery power, solar cells, etc. . The dimensions of the envelope are such that when it is initially filled with gas, the Archimedean lift is greater than the combined weight of the tethered capsule and envelope. In the upper part of the shell there is an automatic valve with a fan to connect the gas in the balloon with the atmosphere, controlled by a sensor module. A valve is mounted at the bottom of the shell, also controlled by the sensor module, to maintain the gas pressure in the shell equal to atmospheric, regardless of elevation. After reaching the set height, the valve opens, the fan is turned on and the gas begins to leave the casing through the valve. The heavier-than-gas air penetrating through the valve causes the balloon to descend to the earth's surface.

Предимство на изобретението е възможността за многократно използване на високотехнологичната нееластична обвивка, която функционира както в режим на издигане, така и на спускане в резултат на клапана и вентилатора, управлявани чрез сензорния модул.An advantage of the invention is the possibility of multiple use of the high-tech non-elastic shell, which functions in both raising and lowering mode as a result of the valve and fan controlled by the sensor module.

Предимство е също опростената конструкция, тъй като издигането и спускането на балона се осъществява чрез електронно управляем вентил, прецизно контролиращ съотношението на количеството газ в обвивката и на постъпващия от клапана с вентилатора по-тежък въздух.The simple design is also an advantage, since the balloon is raised and lowered by an electronically controlled valve, precisely controlling the ratio of the amount of gas in the envelope and the heavier air entering from the valve with the fan.

Предимство е и възможността за престой на балона за определен период от време на дадена височина в резултат на конструкцията и ефективното управление чрез сензорния модул на издигането и спускането.An advantage is also the possibility of the balloon staying for a certain period of time at a given height as a result of the construction and the effective control through the sensor module of the ascent and descent.

ОПИСАНИЕ НА ПРИЛОЖЕНИТЕ ФИГУРИDESCRIPTION OF THE ATTACHED FIGURES

По-подробно изобретението се пояснява с приложената Фигура 1.The invention is explained in more detail with the attached Figure 1.

ПРИМЕРИ ЗА ИЗПЪЛНЕНИЕIMPLEMENTATION EXAMPLES

Балонът за високата атмосфера съдържа нееластична обвивка 1 със сферична или продълговата форма, запълнена първоначално изцяло с газ 2 с относително тегло по-малко от това на въздуха. Към обвивката 1 е прикачена с корда 3 капсула 4, в която е поставена апаратура - дозиметър, радар, лидар, GPS, термометър, анемометър, камера за заснемане в различни спектрални диапазони, трикомпонентен магнитометър, радиопредавателен комуникационен блок за данните, акумулаторно захранване, соларни клетки и др. Размерите на обвивката 1 са такива, че при първоначалното й запълване с газ 2 подемната сила на Архимед е поголяма от общото тегло на прикачената с корда 3 капсула 4 и обвивката 1. В горната част на обвивката 1 има автоматичен клапан 5 с вентилатор 6 за връзка на газа 2 в балона с атмосферата, управлявани от сензорен модул 7. В долната част на обвивката 1 е монтиран вентил 8, също управляван от сензорния модул 7 за поддържане на налягането на газа 2 в обвивката 1 равно на атмосферното, независимо от височината на издигане. След достигане на зададената височина клапанът 5 се отваря, вентилаторът 6 се включва и газът 2 започва да напуска обвивката 1 през вентила 8. Проникващият през клапана 5 по-тежък от газа 2 въздух осъществява спускането на балона към земната повърхност.The balloon for the high atmosphere contains an inelastic shell 1 of spherical or oblong shape, filled initially completely with gas 2 with a relative weight less than that of air. A capsule 4 is attached to the shell 1 with a cord 3, in which equipment is placed - dosimeter, radar, lidar, GPS, thermometer, anemometer, camera for recording in different spectral ranges, three-component magnetometer, radio transmission communication unit for the data, battery power, solar cells etc. The dimensions of the envelope 1 are such that when it is initially filled with gas 2, the Archimedean lifting force is greater than the total weight of the capsule 4 attached by the cord 3 and the envelope 1. In the upper part of the envelope 1 there is an automatic valve 5 with a fan 6 for connection of the gas 2 in the balloon with the atmosphere, controlled by a sensor module 7. A valve 8 is mounted in the lower part of the envelope 1, also controlled by the sensor module 7 to maintain the pressure of the gas 2 in the envelope 1 equal to the atmospheric pressure, regardless of the height of ascent . After reaching the set height, the valve 5 opens, the fan 6 turns on and the gas 2 begins to leave the envelope 1 through the valve 8. The air that is heavier than the gas 2 penetrating through the valve 5 causes the balloon to descend to the earth's surface.

Действието на балона за високата атмосфера, съгласно изобретението, е следното. След като изцяло се запълни нееластичната обвивка 1 на балона с газ 2, чието относително тегло е по-малко от това на въздуха, генерираната подемна сила F_A върху балона (обвивката) 1, съгласно закона на Архимед, действа вертикално нагоре, F_A = - pgV, където р е плътността на въздуха, g е земното ускорение и V е обемът на обвивката 1, запълнена с по-лекия от въздуха газ 2. Размерите (обемът) на балона 1 са избрани така, че подемната сила е по-голяма от сумарното тегло Р на капсулата 3 с апаратурата и на самата обвивка 1, F^ > Р. Издигането на балона 1 протича така. След като той е запълнен с газ 2 до ниво, че вътрешното налягане е изравнено с външното на въздуха при повърхността на земята, тогава силата на Архимед Fa е в състояние да повдигне сумарния товар с тегло Р. Ролята на електронния вентил 8, свързан със сензорния модул 7 е да поддържа по време на издигане на балона 1 равенство на вътрешното в обвивката 1 и външното атмосферно налягане. Това се отнася както за относително малки височини до 5 - 6 km, така и за тези от порядъка на 60 - 70 km. Формираната мехатронна система с обратна връзка, съдържаща вентила 8 и сензорния модул 7 обезпечава издигане на свързаната с кордата 3 към балона 1 капсула 4 с апаратурата практически до максимално възможни височини. Балонът 1 може да издигне полезния товар - капсулата 4 с апаратурата до около 70-80 km, т.е. до т.н. близък космос. От тази височина могат да се изстрелват микроспътниците със специално предназначение, включително и сателитните системи за целите на квантовата комуникация. Максималната височина на издигане се обуславя от естеството на материала, от който технологично е реализирана нееластичната обвивка 1.The operation of the high atmosphere balloon according to the invention is as follows. After completely filling the inelastic shell 1 of the balloon with gas 2, the relative weight of which is less than that of air, the generated lifting force F _A on the balloon (shell) 1, according to Archimedes' law, acts vertically upwards, F _A = - pgV, where p is the air density, g is the ground acceleration and V is the volume of the envelope 1 filled with the lighter-than-air gas 2. The dimensions (volume) of the balloon 1 are chosen so that the lifting force is greater from the total weight P of the capsule 3 with the apparatus and of the shell 1 itself, F^ > P. The ascent of the balloon 1 proceeds like this. After it is filled with gas 2 to the level that the internal pressure is equal to the external pressure of the air at the surface of the earth, then the Archimedean force Fa is able to lift the total load of weight P. The role of the electronic valve 8 connected to the sensor module 7 is to maintain during the ascent of the balloon 1 equality of the internal in the shell 1 and the external atmospheric pressure. This applies both to relatively small heights up to 5 - 6 km, and to those of the order of 60 - 70 km. The formed mechatronic system with feedback, containing the valve 8 and the sensor module 7 ensures the rise of the capsule 4 connected by the cord 3 to the balloon 1 with the apparatus practically to the maximum possible heights. Balloon 1 can raise the payload - the capsule 4 with the apparatus up to about 70-80 km, i.e. to the so-called near space. Special purpose microsatellites, including satellite systems for quantum communication purposes, can be launched from this height. The maximum height of rise is determined by the nature of the material from which the inelastic shell 1 is technologically realized.

Особен интерес представлява режимът на спускане на балона 1. В известното решение това е невъзможно, например [1 - 3]. Там капсулата 4 с апаратурата се прибира на земята с парашут, а високотехнологичната нееластична обвивка 1 безконтролно се разрушава от непредвидимите екстремални условия в стратосферата. Според литературни източници цената на нееластичната обвивка 1 е с около два порядъка по-висока от тази на останалото оборудване на балонната система. Инсталирането на автоматичен клапан 5 и на вентилатор 6 в горната част на обвивката 1, управлявани от процесора на сензорния модул 7 има за цел, след достигане на зададената височина в стратосферата да вкарва дозирано в обвивката 1 от горе надолу многократно по-тежкия от газа 2 въздух. Газът 2 напуска балона 1 през вентила 8, инсталиран в долната част на обвивката 1 и също управляван от модула 7. По този начин подемната сила F_A се редуцира и балонът стартира спускане към земната повърхност, Фигура 1. Съотношението въздух/газ 2 в обвивката 1 е определящо за управлението на подемната сила F_A, респективно за режима на спускане. При необходимост чрез сигнал от земната станция или за предварително определена височина, информацията за която е заложена в процесорното управление на сензорния модул, балонът 1 може да осъществи престой в съответна зона на високата атмосфера. Следователно новото решение запазва за многократно използване високотехнологичната обвивка на балона 1, конструкцията е опростена и се дава възможност за престой на фиксирани височини в стратосферата.Of particular interest is balloon descent mode 1. In the known solution, this is impossible, for example [1 - 3]. There, the capsule 4 with the apparatus is retracted to the ground by parachute, and the high-tech inelastic shell 1 is uncontrollably destroyed by the unpredictable extreme conditions in the stratosphere. According to literature sources, the cost of the inelastic shell 1 is about two orders of magnitude higher than that of the rest of the balloon system equipment. The installation of an automatic valve 5 and a fan 6 in the upper part of the envelope 1, controlled by the processor of the sensor module 7, has the purpose, after reaching the set height in the stratosphere, to introduce dosed into the envelope 1 from top to bottom the many times heavier than the gas 2 air. The gas 2 leaves the balloon 1 through the valve 8, installed in the lower part of the shell 1 and also controlled by the module 7. In this way, the lifting force F _A is reduced and the balloon starts its descent to the earth's surface, Figure 1. The air/gas ratio 2 in the shell 1 is decisive for the management of the lifting force F _A , respectively for the descent mode. If necessary, by a signal from the ground station or for a predetermined height, the information about which is set in the processor control of the sensor module, the balloon 1 can make a stay in a corresponding zone of the high atmosphere. Therefore, the new solution preserves the reusable high-tech envelope of the balloon 1, the design is simplified and it is possible to stay at fixed altitudes in the stratosphere.

Неочакваният положителен ефект на новото техническо решение се заключава в предложената за първи път в практиката мехатронна конфигурация, която позволява на балон с нееластична обвивка 1 да осъществява многократно режими на издигане и спускане. Това се постига чрез дозираното смесване на тежкия въздух с многократно по-лекия газ 2 в обвивката 1 с помощта на системата клапан 5 - вентилатор 6, управлявани със сензорния модул 7.The unexpected positive effect of the new technical solution lies in the mechatronic configuration proposed for the first time in practice, which allows a balloon with an inelastic shell 1 to perform multiple ascent and descent modes. This is achieved by the dosed mixing of the heavy air with the much lighter gas 2 in the envelope 1 using the valve 5 - fan 6 system controlled by the sensor module 7.

Като газ 2 с относително тегло по-малко от това на въздуха е найудачен газообразният хелий Не₂, който не е взривоопасен, в отличие от газообразния водород Н₂. Компромисно решение е запълването на обвивката 1 със смес от хелий Не₂ и водород Н₂. При необходимост съществува възможността на дадена височина в стратосферата, например 40 - 50 km, балонът 1 за определен интервал от време да функционира и като наблюдателна станция. Това става с автоматично затваряне и отваряне на клапана 5 в съчетание с работата на вентилатора 6 и вентила 8. В някои от приложенията, например в системите за сигурност с елементи на изкуствен интелект, е възможно използването на допълнително количество газ 2, обезпечено от подходяща пластмасова бутилка със сгъстен хелий 2. Управлението на вентила на бутилката с газа става по команда от земята или с предварително въведена информация в процесора като за целта данните за налягането се получават от сензория модул 7. Така необходимата височина се поддържа от постоянно изравняваната подемна сила F_a с общото тегло Р на товара, F^~ Р. В това безразлично равновесие балонът 1 с капсулата 4 могат да пребивават за продължителен период на фиксирана височина, например в мезосферата.As a gas 2 with a relative weight less than that of air, gaseous helium Ne ₂ is the most suitable, which is not explosive, in contrast to gaseous hydrogen H ₂ . A compromise solution is to fill the shell 1 with a mixture of helium He ₂ and hydrogen H ₂ . If necessary, there is the possibility that at a certain height in the stratosphere, for example 40 - 50 km, the balloon 1 for a certain time interval can also function as an observation station. This is done by automatic closing and opening of the valve 5 in combination with the operation of the fan 6 and the valve 8. In some of the applications, for example in the security systems with elements of artificial intelligence, it is possible to use an additional amount of gas 2 provided by a suitable plastic compressed helium bottle 2. The control of the valve of the gas bottle is done by a command from the ground or with pre-entered information in the processor, for which the pressure data is obtained from the sensor module 7. The necessary height is thus maintained by the constantly equalized lifting force F _a with the total weight P of the load, F^~ P. In this indifferent equilibrium, the balloon 1 with the capsule 4 can reside for a long period at a fixed height, for example in the mesosphere.

При необходимост освен горния клапан 5 с вентилатора 6, може да се постави и втори автоматичен клапан в долната част на обвивката 1, управляван също от сензорния модул 7. При реверсиране на посоката на въртене на вентилатора 6, потокът на постъпващия в обвивката 1 въздух ще бъде отдолу нагоре. Така се осъществява допълнително управление на съотношението въздух/газ 2 в обвивката 1.If necessary, in addition to the upper valve 5 with the fan 6, a second automatic valve can be placed in the lower part of the shell 1, also controlled by the sensor module 7. When reversing the direction of rotation of the fan 6, the flow of air entering the shell 1 will be bottom up. Thus additional control of the air/gas ratio 2 in the shell 1 is carried out.

ПРИЛОЖЕНИЕ: една фигураAPPENDIX: one figure

ЛИТЕРАТУРАLITERATURE

[1] Н.Е. Froehlich, „Valving duct balloon”, US Patent № 3 041 019, Patented June 26, 1962.[1] H.E. Froehlich, “Valving duct balloon”, US Patent No. 3,041,019, Patented June 26, 1962.

[2] B. Pecnik, „Autonomous stratospheric unmanned airship”, US Patent № US 2013/0146703 Al/Jun. 13.2013.[2] B. Pecnik, “Autonomous stratospheric unmanned airship”, US Patent No. US 2013/0146703 Al/Jun. 13.2013.

[3] S. Tilly, T. Bailion, “Enveloppe exteme pour ballon, et ballon recouvert d’une telle envelope“, World Patent № WO 2013004968 Al/10.01.2013.[3] S. Tilly, T. Bailion, “Enveloppe exteme pour ballon, et ballon récouver d’une telle envelope”, World Patent No. WO 2013004968 Al/10.01.2013.

[4] J.-F. Geneste “Stratospheric baloon having improved compressive strength“, France Patent № AB64B158FI/06.04.2015.[4] J.-F. Geneste "Stratospheric balloon having improved compressive strength", France Patent No. AB64B158FI/06.04.2015.

[5] C. Tockert, “Stratospheric balloon with flight duration“, US Patent № 5992795A/30.11.1999.[5] C. Tockert, "Stratospheric balloon with flight duration", US Patent No. 5992795A/30.11.1999.

[6] C. Tockert, “Altitude stratospheric balloon stabilizing procedure and balloon designed accordingly“, Canada Patent № 2003849 Al/31.05.1990.[6] C. Tockert, "Altitude stratospheric balloon stabilizing procedure and balloon designed accordingly", Canada Patent No. 2003849 Al/31.05.1990.

Claims

A balloon for the high atmosphere, containing an inelastic shell of a spherical or oblong shape, filled initially entirely with gas with a relative weight less than that of air, a capsule is attached to the shell with a cord, in which equipment is placed - dosimeter, radar, lidar, GPS, thermometer, anemometer, multi-spectral imaging camera, three-component magnetometer, data radio communication unit, battery power, solar cells, etc., the dimensions of the shell are such that when initially filled with gas, the Archimedean lift is greater than the combined weight of the tethered capsule and envelope, a valve is installed at the bottom of the balloon to maintain the envelope gas pressure equal to atmospheric regardless of the ascent, CHARACTERIZED in that at the top of the shell (1) has an automatic valve (5) with a fan (6) to connect the gas (2) in the balloon with the atmosphere, controlled by a sensor module (7) o the valve (8) at the bottom of the shell (1) is also controlled by the sensor module (7), after reaching the set height the valve (5) opens, the fan (6) turns on and the gas (2) starts to leave the shell (1) through the valve (8) as the air heavier than the gas (2) penetrating through the valve (5) makes the balloon descend to the earth's surface.