IT202100016379A1 - LTA TROPO-STRATOSPHERIC AIRCRAFT WITHOUT HELIUM - Google Patents
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Description
D E S C R I Z I O N E DESCRIPTION
del brevetto per invenzione industriale dal titolo: of the patent for industrial invention entitled:
?VELIVOLO LTA TROPO-STRATOSFERICO SENZA ELIO? ?LTA TROPO-STRATOSPHERIC AIRCRAFT WITHOUT HELIUM?
La presente invenzione riguarda un velivolo LTA (Lighter Than Air) per utilizzo nella troposfera e nella stratosfera che non richiede l?utilizzo di gas Elio o altri gas o miscele di essi. The present invention relates to an LTA (Lighter Than Air) aircraft for use in the troposphere and stratosphere which does not require the use of helium gas or other gases or mixtures thereof.
Gli attuali sistemi di osservazione della Terra sono basati principalmente sull?utilizzo di satelliti o costellazioni satellitari e su piattaforme aeronautiche. I sistemi satellitari permettono di osservare un?ampia porzione di territorio ma hanno un tempo di rivisita che pu? variare da un minimo di alcuni giorni (includendo anche le immagini ottenute con un angolo di vista diverso dal nadir) ad alcune settimane. La risoluzione spaziale dipende dall?orbita dei satelliti. Inoltre, nel caso delle costellazioni satellitari ? quasi impossibile, o estremamente oneroso, effettuare interventi manutentivi o di aggiornamento tecnologico dei sottosistemi di bordo e del payload stesso. Il vantaggio delle costellazioni satellitari ? la loro lunga vita operativa. Current Earth observation systems are mainly based on the use of satellites or satellite constellations and on aeronautical platforms. Satellite systems allow you to observe a large portion of the territory but have a revisit time that can vary from a minimum of a few days (also including images obtained with a different angle of view from the nadir) to a few weeks. The spatial resolution depends on the orbit of the satellites. Also, in the case of satellite constellations ? almost impossible, or extremely costly, to carry out maintenance or technological updating of the on-board subsystems and the payload itself. The advantage of satellite constellations ? their long operational life.
Le piattaforme aeronautiche, sia droni a guida autonoma sia a guida umana, offrono la possibilit? di imbarcare sensori per l?osservazione della Terra che, data la vicinanza al suolo, fornisco immagini con una risoluzione spaziale molto elevata ma su una zona estremamente ridotta. La durata delle missioni, sia per i limiti di durata del sistema energetico nel caso dei droni sia per non aumentare eccessivamente il workload del pilota per i velivoli manned, ? estremamente ridotta. Aeronautical platforms, both self-driving and human-guided drones, offer the possibility to embark sensors for Earth observation which, given their proximity to the ground, provide images with a very high spatial resolution but on an extremely small area. The duration of the missions, both due to the duration limits of the energy system in the case of drones and to not excessively increase the pilot's workload for manned aircraft, ? extremely reduced.
Inoltre, la possibilit? di utilizzare le piattaforme aeronautiche ? subordinata alla presenza di condizioni meteo favorevoli. Furthermore, the possibility to use aeronautical platforms? subject to the presence of favorable weather conditions.
Per alcune applicazioni di tipo ISR (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance), come ad esempio il controllo delle frontiere sia marittime che terrestri, si rende necessario un sistema di sorveglianza che offra una copertura della zona d?interesse in maniera continua per un periodo di alcuni mesi all?anno. Nel caso, ad esempio, del controllo delle rotte percorse dai barconi che trasportano i clandestini nel mar Mediterraneo, il sistema di sorveglianza ? maggiormente richiesto nel periodo estivo, quando le condizioni del mare sono favorevoli all?attraversamento. For some applications of the ISR type (Intelligence, Surveillance, and Reconnaissance), such as for example the control of both sea and land borders, it is necessary a surveillance system that offers coverage of the area of interest continuously for a period of a few months a year. In the case, for example, of the control of the routes traveled by boats carrying illegal immigrants in the Mediterranean Sea, the surveillance system? most requested in the summer, when the sea conditions are favorable for crossing.
Per questo tipo di applicazioni i sistemi satellitari offrono un tempo di rivisita e una risoluzione che non ? utile a monitorare il fenomeno di interesse, d?altra parte sarebbe impensabile avere in volo in maniera continuata diversi velivoli per garantire il pattugliamento della zona di interesse. For this type of applications, satellite systems offer a revisit time and a resolution that is not ? useful for monitoring the phenomenon of interest, on the other hand it would be unthinkable to have several aircraft in flight continuously to ensure patrolling of the area of interest.
Nel caso di applicazioni che richiedono il dispiegamento di un?infrastruttura di telecomunicazioni protette in uno scenario di guerra, i sistemi satellitari e le piattaforme aeronautiche non sono utilizzabili. I primi per i costi e per la complessit? di design di una nuova costellazione e di dispiegamento che rendono il processo non fattibile per un?esigenza che ? limitata nello spazio e nel tempo; i secondi, di nuovo, per l?endurance ridotta. In the case of applications that require the deployment of a protected telecommunications infrastructure in a war scenario, satellite systems and aeronautical platforms are not usable. The first for the costs and for the complexity? of design of a new constellation and deployment that make the process not feasible for a? Need that? limited in space and time; the latter, again, for the reduced endurance.
Risulta, quindi, attualmente non disponibile nella dotazione dei sistemi militari, una piattaforma volante che abbia la capacit? di offrire una copertura, su un?area avente un?estensione regionale, con una risoluzione spaziale e temporale adeguata alle applicazioni ISR e che inoltre sia facilmente dispiegabile in loco e configurabile in base allo scenario operativo. Therefore, currently not available in the equipment of military systems, a flying platform that has the ability to? to offer coverage, over an area having a regional extension, with a spatial and temporal resolution suitable for ISR applications and which is also easily deployable on site and configurable according to the operational scenario.
L?esigenza di ottenere un sistema di osservazione della Terra e telecomunicazioni che offra adeguata risoluzione spaziale e copertura dell?area di interesse in maniera persistente trova una risposta negli High-Altitude Pseudo-Satellite. The need to obtain an Earth observation and telecommunications system that offers adequate spatial resolution and coverage of the area of interest in a persistent manner finds an answer in the High-Altitude Pseudo-Satellite.
Gli High-Altitude Pseudo Satellite (HAPS) o velivoli Lighter Than Air sono piattaforme dispiegate nella Stratosfera, in un intervallo di quote pari a 15000-20000m, quote in cui i venti sono alquanto limitati. The High-Altitude Pseudo Satellite (HAPS) or Lighter Than Air aircraft are platforms deployed in the Stratosphere, in an altitude range of 15000-20000m, altitudes where the winds are somewhat limited.
Le piattaforme stratosferiche rappresentano una nuova generazione di strumenti in grado di rilevare in tempo reale ed in modo automatico, dati ed immagini con modalit? che costituiscono una netta evoluzione nel quadro dell?Osservazione della Terra (OT) in termini di continuit? di osservazione, precisione e accuratezza. Stratospheric platforms represent a new generation of tools capable of detecting in real time and automatically, data and images with modality? which constitute a clear evolution in the framework of Earth Observation (OT) in terms of continuity? of observation, precision and accuracy.
Rispetto ai sistemi oggi esistenti, come Aeromobili e Satelliti, un HAPS a differenza dei satelliti pu? ottenere una maggiore risoluzione spaziale, e soprattutto rispetto ai satelliti LEO permette un?elevatissima risoluzione temporale potendo garantire una sostanziale persistenza su scala locale (circa 800 km<2>). Compared to existing systems such as Aircraft and Satellites, a HAPS unlike satellites can? obtain a greater spatial resolution, and above all compared to satellites LEO allows a very high temporal resolution being able to guarantee a substantial persistence on a local scale (about 800 km<2>).
I vantaggi delle piattaforme HAPS hanno indotto, nel tempo, a dare sempre maggior credito alla possibilit? di un loro utilizzo come validi complementi a satelliti e droni. The advantages of the HAPS platforms have led, over time, to give more and more credit to the possibility of their use as valid complements to satellites and drones.
Al fine di garantire l?operativit? temporale necessaria all?esecuzione della missione, gli HAPS utilizzano l?energia fotovoltaica. In order to guarantee the? operation? necessary for the execution of the mission, the HAPS use photovoltaic energy.
Definita l?irradianza, che dipende dalla posizione e dal periodo dell?anno, il sistema fotovoltaico deve essere in grado di alimentare direttamente il carico durante le ore in cui ? irradiato e in pi? deve fornire l?energia sufficiente per caricare le batterie di accumulo per le altre ore del giorno. Having defined the irradiance, which depends on the position and on the time of year, the photovoltaic system must be able to directly power the load during the hours in which it? irradiated and in pi? it must supply enough energy to charge the storage batteries for the other hours of the day.
La struttura di questi velivoli pu? assumere differenti forme, ma tutti sono caratterizzati dall?uso di gas pi? leggeri dell?aria, tipicamente Elio, che riempiono grossi contenitori realizzati con film leggerissimi, anche da pochi grammi per metro quadrato. L?elio o miscele di esso ? sicuramente preferito rispetto all?idrogeno che mostra un altissimo rischio d?infiammabilit?. The structure of these aircraft can? assume different forms, but all are characterized by the use of gas pi? lighter than air, typically helium, which fill large containers made with very light films, even from a few grams per square metre. The helium or mixtures of it? definitely preferred over hydrogen which shows a very high flammability risk.
E? pur vero che il mondo sta affrontando una grave carenza di elio, che minaccia non soltanto il settore dei palloni aerostatici e delle Haps. AND? while it is true that the world is facing a severe shortage of helium, which threatens not only the balloon and HAPS industry.
L?elio ? un gas inodore e incolore, ? il secondo elemento pi? abbondante dell'universo dopo l'idrogeno, ma non ? facile trovare o immagazzinare quantit? utilizzabili, la maggior parte dell'elio nell'atmosfera sfugge nello spazio e le nostre attuali forniture di elio sono in gran parte estratte dalle riserve sotterranee di gas naturale. The helium ? an odorless and colorless gas, ? the second element more? abundant in the universe after hydrogen, but isn't it? easy to find or store quantity? usable, most of the helium in the atmosphere escapes into space, and our current supplies of helium are largely extracted from underground natural gas reserves.
Gli Stati Uniti sono il leader mondiale nella produzione di elio, producendo circa il 75% dell'elio mondiale. La carenza di questo materiale ha prodotto un innalzamento del prezzo, ad oggi di circa tre volte. The United States is the world leader in helium production, producing approximately 75% of the world's helium. The shortage of this material has led to an increase in the price, currently about three times.
L?innovazione che si intende brevettare, prevede la costruzione di strutture gonfiabili leggere, che non richiedono l?impiego dell?elio, e che possano resistere a una differenza di pressione dall?esterno verso l?interno, in modo che il peso dell?aria interna, risultando inferiore al peso dell?aria esterna realizzi una spinta verso l?alto per il noto principio di Archimede. The innovation that we intend to patent involves the construction of light inflatable structures, which do not require the use of helium, and which can withstand a difference in pressure from the outside to the inside, so that the weight of the internal air, resulting lower than the weight of the external air, creates an upward thrust due to the well-known Archimedes principle.
Il rivestimento dell?involucro ? costituito da un materiale composito non tessuto ad alte prestazioni utilizzato in applicazioni ad alta resistenza e peso ridotto. ? costituito da un sottile foglio di polietilene ad altissimo peso molecolare laminato tra due fogli di poliestere. The casing? Made of a high performance non-woven composite material used in high strength, low weight applications. ? consisting of a thin sheet of ultra high molecular weight polyethylene laminated between two sheets of polyester.
La tensostruttura (Tav 1, Fig 1) che consente di avere un volume chiuso a una pressione inferiore alla pressione atmosferica ? realizzata tramite leggerissimi tubi(Tav 1, Fig 1) il cui interno ? portato ad una pressione tale da permettere la conservazione della forma della struttura. Una possibile realizzazione ? mostrata in sezione nella Tav 1, Fig 2. The tensile structure (Tab 1, Fig 1) which allows for a closed volume at a pressure lower than atmospheric pressure? made using very light tubes (Tab 1, Fig 1) whose inside? brought to a pressure such as to allow the preservation of the shape of the structure. A possible realization? shown in section in Table 1, Fig 2.
Poich? la densit? dell?aria ? di 1,225 g/l alla pressione tipica sul livello del mare a 15?C che ? 1013,25 mBar, ne deriva che considerando ad esempio una sfera con raggio di 5 metri, si ha la spinta, in funzione della differenza di pressione interno esterno, riportata nella seguente tabella: because the density? of the air ? of 1,225 g/l at the typical pressure on the sea level at 15?C that ? 1013.25 mBar, it follows that considering, for example, a sphere with a radius of 5 metres, there is a thrust, as a function of the internal-external pressure difference, shown in the following table:
Aumentando la quota il volume rimane pressoch? lo stesso ma diminuendo la densit? dell?aria esterna la spinta aerostatica diminuisce: By increasing the quota, the volume remains almost? the same but decreasing the density? of the external air the aerostatic thrust decreases:
Considerando che il materiale costituente l?involucro, in questo esempio pesa circa 10g/m<2 >ovvero 3,14Kg, a cui deve essere aggiunto il peso della tensostruttura realizzata con tubi dello stesso materiale dell?involucro stimato in ulteriori 7 Kg, risulta una spinta aerostatica positiva verso l?alto gi? a depressioni molto basse, in quota a 1500 metri con la depressione indicativa mostrata nella tabella la spinta si mantiene a 42Kg, in grado di sostenere il payload. Considering that the material constituting the casing, in this example weighs approximately 10g/m<2 > or 3.14Kg, to which must be added the weight of the tensile structure made with pipes of the same material as the casing estimated at a further 7 Kg, the result is a positive aerostatic thrust upwards already? at very low depressions, at an altitude of 1500 meters with the indicative depression shown in the table, the thrust remains at 42Kg, capable of supporting the payload.
La differenza di pressione interno esterno, viene realizzata a terra, prima del lancio, tramite opportuni compressori e aspiratori esterni, mentre in volo la differenza di pressione viene mantenuta e gestita da una piccola pompa elettrica pilotata da un microprocessore e alimentata da un sistema fotovoltaico. Durante la salita in quota la pompa dovr? progressivamente ridurre sempre pi? la pressione interna e mantenere al giusto livello la pressione della struttura realizzata tramite i tubi in pressione. The internal-external pressure difference is achieved on the ground, before launch, by means of suitable external compressors and aspirators, while in flight the pressure difference is maintained and managed by a small electric pump piloted by a microprocessor and powered by a photovoltaic system. During the ascent at high altitude, the pump will have to? gradually reduce more and more the internal pressure and maintain the pressure of the structure at the right level through the pressure pipes.
Si vuole sottolineare come nel seguito saranno illustrate, a titolo esemplificativo, ma non limitativo, soltanto due esempi di realizzazione della presente invenzione, con relativi calcoli, essendo possibile descriverne molte altre sulla base delle particolari soluzioni tecniche individuate. It should be emphasized that in the following, by way of non-limiting example, only two embodiments of the present invention will be illustrated, with relative calculations, it being possible to describe many others on the basis of the particular technical solutions identified.
La figura 1 mostra una possibile forma del velivolo (si riporta la sola semisfera per ragioni grafiche), in cui (Tav 1 fig 2) ? l?involucro, ad esempio un tessuto laminato costituito da ultra polietilene ad altissimo peso molecolare in monofilamenti di fibra e poliestere, PVF, film, e altro. Il sistema di tubazioni (Tav 1 fig 1) ? realizzato con lo stesso materiale dell?involucro esterno. Figure 1 shows a possible shape of the aircraft (only the hemisphere is shown for graphical reasons), in which (Tab 1 fig 2) ? the wrap, such as a laminated fabric made of ultra high molecular weight polyethylene in fiber and polyester monofilaments, PVF, film, and more. The piping system (Tab 1 fig 1) ? made with the same material as the outer casing.
Le simulazioni (Tav 2 fig 1 e 2) sono state effettuate con una differenza di pressione interno/esterno di 300mBar realizzando quindi una spinta al livello del mare di poco inferiore a 200Kg. The simulations (Tab 2 figs 1 and 2) were carried out with an internal/external pressure difference of 300mBar thus realizing a thrust at sea level of just under 200Kg.
La pompa pu? essere di tipo commerciale, di piccole dimensioni, della stessa classe di quelle utilizzate per gonfiare gli pneumatici in emergenza alimentati dalla batteria dell?auto. Si ricorda che il volo di salita nella stratosfera comunque richiede alcune ore pertanto la portata della pompa pu? essere quasi irrisoria. The pump can be of a commercial type, small in size, of the same class as those used to inflate tires in an emergency powered by the car battery. It should be remembered that the ascent flight in the stratosphere still requires a few hours therefore the flow rate of the pump can? be almost negligible.
Il secondo esempio mostrato nella tavola 3 pu? essere considerato nel caso in cui si voglia mantenere un profilo aerodinamico del velivolo. In questo caso il volume (3) ? la sezione in depressione, di forma sferica o leggermente allungata, per limitazioni strutturali non pu? assumere forme qualsiasi, la sezione (2) ? invece riempita di elio in leggera pressione per l?autosostentamento, anch?essa contribuisce alla spinta verso l?alto, ma il contenuto di elio ? ridottissimo, tale volume pu? assumere forme aerodinamiche. L?area (4) consente di separare a livello pressorio i due involucri. Sono indicati con (5) e (6) alcuni dettagli dell?aerodinamica, mentre il dispositivo (7) contiene il payload. The second example shown in table 3 can? be considered if you want to maintain an aerodynamic profile of the aircraft. In this case the volume (3) ? the section in depression, spherical or slightly elongated, due to structural limitations cannot? take any form, section (2) ? instead filled with helium under light pressure for self-sustaining, it too contributes to the upward thrust, but the helium content ? very small, this volume pu? assume aerodynamic shapes. Area (4) allows the two casings to be separated at the pressure level. Some details of the aerodynamics are indicated with (5) and (6), while the device (7) contains the payload.
La presente invenzione ? stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo alcune forme di realizzazione preferite, ma ? da intendersi che eventuali variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti del settore senza per questo uscire fuori dal relativo ambito di protezione, cos? come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention ? been described for illustrative, but non-limiting purposes, according to some preferred embodiments, but ? it is to be understood that any changes and/or modifications may be made by experts in the sector without thereby leaving the relative scope of protection, so? as defined by the appended claims.
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