PL244538B1 - Adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi zwłaszcza aerostatu oraz zawierający go statek powietrzny - Google Patents

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi statku powietrznego, zwłaszcza aerostatu, zawierający zasilanie oraz uwięź statku powietrznego, w którym uwięź statku powietrznego zawiera główną linę mocującą rozgałęziającą się na liny boczne, charakteryzujący się tym, że główna lina mocująca rozgałęzia się na dwie liny boczne mocowane pośrednio do powierzchni statku powietrznego za pomocą belek (11, 12) usytuowanych wzdłuż statku powietrznego na zewnątrz powłoki po obu jego stronach; liny boczne są mocowane do belek (11, 12) za pomocą węzłów (uchwytów) (20, 21) o kontrolowalnym przemieszeniu wzdłuż belek o wartości X lub Y; belki (11, 12) są mocowane do poprzecznych węzłów (13, 14, 15, 16) utwierdzonych do powłoki lub struktury wewnętrznej statku powietrznego, zawiera sterownik połączony z zasilaniem oraz serwomechanizmy (18, 19) połączone z sterownikiem i zasilaniem. Kolejnym przedmiotem wynalazku jest statek powietrzny zawierający układ utwierdzania na uwięzi statku powietrznego według wynalazku.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi zwłaszcza aerostatu oraz zawierający go statek powietrzny.

Aerostaty na uwięzi napełnione gazem lżejszym od powietrza utrzymują się bezproblemowo w powietrzu nad punktem mocowania ich do gruntu (ziemi) jeżeli nie ma wiatru. W przypadku wystąpienia wiatrów szczególnie wiejących z większymi prędkościami na aerostat zaczynają działać znaczne siły aerodynamiczne, których wartości głównie zależą od kształtu opływanego przez powietrze aerostatu oraz od kwadratu prędkości wiatru.

Ze stanu techniki znane są różne typy mocowania aerostatów i latawców do ziemi, np. systemy aerostatów TCOM Tactical Class (model 12M, 28M oraz 74M) wykorzystywane do monitoringu mocowane są do jednej liny kotwiącej utwierdzonej do podłoża poprzez dużą liczbę lin mocowanych bezpośrednio do powłoki aerostatu. Z kolei firma Thales wyprodukowała aerostat na uwięzi, który mocowany jest stalową liną w miejscu pod aerostatem. Natomiast firma RavenAerostar produkuje również aerostaty na uwięzi, które mocowane są do głównej liny kotwiącej poprzez dużą liczbę lin zamocowanych bezpośrednio do powłoki aerostatu.

Ponadto, ze zgłoszenia EP2895740 A1 znany jest system Latawca skrzydłowego na uwięzi do pozyskiwania energii wiatru. Przy czym, wspomniane rozwiązanie przedstawia skrzydło nie wypełnione gazem lżejszym od otaczającego go powietrza. Skrzydło utrzymuje się w powietrzu tylko podczas wiejącego wiatru, w przypadku zaniku opada na ziemię. Skrzydło mocowane jest do ziemi przy pomocy uwięzi przedmiotowej konstrukcji skrzydłowej z wykorzystaniem rozgałęzionego układu lin cumowniczych, który zapewnia przeniesienie obciążeń oraz zmianę kąta natarcia skrzydła. Sterowanie skrzydłem może być realizowane tylko z ziemi poprzez uwięzi utrzymujące i sterujące.

Z dokumentu EP2689130 A1 znany jest system do przekształcania energii wiatru w energię elektryczną z wykorzystaniem unoszenia się w powietrzu profili napędowych o kształcie skrzydła przywiązanych do podłoża linami o stałej długości, bez faz pasywnych i z automatycznym dostosowaniem do warunków wiatrowych. Wynalazek dotyczy głównie wykorzystania latawca typu „kitesurfing” do napędu urządzeń naziemnych, które poprzez swój ruch generują energię elektryczną.

Z dokumentu US2014377066 znany jest aerostat na uwięzi, w którym aerostat jest przywiązany do ziemi za pomocą co najmniej trzech uwięzi, przy czym dwie z uwięzi są zamontowane z boku sterowca, a trzecia uwięź jest zamontowana w dowolnym miejscu wzdłuż wzdłużnej osi sterowca. Przy czym, uwięzie boczne pełnią podwójną rolę. Po pierwsze umożliwiają bierne unoszenie się sterowca w strumieniu powietrza, wysoko ponad poziomem gruntu, a po drugie służą jako przewodniki elektryczne, aby przepuszczać wytwarzaną energię elektryczną do poziomu gruntu. Natomiast trzecia uwięź składa się z przewodu uziemiającego dla sterowca i linii zasilania wodorem dla systemu. Wspomniany przewód uziemiający można przymocować do ziemi na stacji naziemnej za pomocą palika, świdra lub innego podobnego pręta uziemiającego.

Z dokumentu US2014374537 znany jest aerostat na uwięzi, w którym uwięź sterowca zawiera co najmniej linię zasilania gazem wodorowym, kabel zasilania elektrycznego i kabel danych, przy czym kabel zasilania elektrycznego zawiera co najmniej przewód fazowy, przewód neutralny i przewód uziemiający. Ponadto sterowiec jest korzystnie połączony za pomocą co najmniej trzech uwięzi, które są połączone w jedną centralną uwięź, aby pomóc w równomiernym rozłożeniu obciążeń aerodynamicznych między aerostatem, a centralną częścią uwięzi. Przy czym, wspomniane co najmniej trzy uwięzie są mocowane bezpośrednio do spodniej powierzchni aerostatu.

Aerostaty mocowane do ziemi w sposób klasyczny linami przy pojawieniu się wiatru odchylają się od płaszczyzny poziomej zwiększając kąt natarcia. Zwiększenie kąta natarcia powoduje wzrost siły oporu i dalsze odchylanie od pionu będącego w powietrzu aerostatu, co z kolei powoduje kolejne powiększenie kąta natarcia i dalszy wzrost siły oporu i dalsze odchylanie od pionu położenia aerostatu. Zachowanie tak zamocowanego aerostatu powoduje konieczność sprowadzenia go na ziemie przy silnych wiatrach.

W celu uniknięcia takiego zachowania się aerostatu w powietrzu należy dążyć do utrzymania stałej wartości kąta natarcia aerostatu, tak aby stosunek generowanej aerodynamicznej siły nośnej do generowanej aerodynamicznej siły oporu aerostatu osiągał wartości maksymalne (Cl/Cx = max, gdzie Cl to współczynnik aerodynamicznej siły nośnej, a Cx to współczynnik aerodynamicznej siły oporu).

Celem wynalazku jest zapewnienie nowego adaptacyjnego układu utwierdzenia na uwięzi zwłaszcza aerostatu zapewniającego utrzymanie stałej wartości kąta natarcia aerostatu.

Istotę wynalazku stanowi adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi statku powietrznego, zwłaszcza aerostatu, zawierający zasilanie oraz uwięź statku powietrznego, w którym uwięź statku powietrznego zawiera główną linę mocującą rozgałęziającą się na liny boczne, charakteryzujący się tym, że główna lina mocująca rozgałęzia się na dwie liny boczne mocowane pośrednio do powierzchni statku powietrznego za pomocą belek usytuowanych wzdłuż statku powietrznego na zewnątrz powłoki po obu jego stronach; liny boczne są mocowane do belek za pomocą węzłów (uchwytów) o kontrolowalnym przemieszeniu wzdłuż belek o wartości X lub Y; belki są mocowane do poprzecznych węzłów utwierdzonych do powłoki lub do struktury wewnętrznej statku powietrznego; zawiera sterownik połączony z zasilaniem oraz serwomechanizmy połączone ze sterownikiem i zasilaniem.

Korzystnie źródło zasilania stanowi środek wybrany z grupy obejmującej baterię, zestaw baterii, akumulator, przewód elektryczny umieszczony wzdłuż głównej liny mocującej i jednej z lin bocznych.

Korzystnie sterownik jest wyposażony w platformę giroskopową.

Korzystnie adaptacyjny układ według wynalazku zawiera połączony ze sterownikiem przedni czujnik prędkości i kierunku wiatru mocowany do struktury statku powietrznego poprzez element mocujący oraz połączony ze sterownikiem dolny czujnik prędkości i kierunku wiatru mocowany do głównej liny mocującej lub do jednej z dwóch lin bocznych.

Korzystnie sterownik jest połączony z uchwytami oraz steruje ustawieniem węzłów (uchwytów) wzdłuż belek.

Kolejną istotą wynalazku jest statek powietrzny zawierający układ utwierdzania na uwięzi statku powietrznego według wynalazku, charakteryzujący się tym, że zawiera statecznik pionowy oraz stateczniki poziome połączone ze strukturą statku powietrznego poprzez serwomechanizmy oraz sterowane serwomechanizmami.

Korzystnie statecznik pionowy wyposażony jest w ruchomą lotkę.

Korzystnie stateczniki poziome wyposażone są w ruchome lotki połączone ze statecznikami poprzez serwomechanizmy.

Wynalazek dostarcza następujących korzyści:

• umożliwia bezpieczną pracę aerostatu na uwięzi bez konieczności sprowadzania go na ziemię przy wystąpieniu silniejszych wiatrach;

• umożliwia osiągnięcie minimalnych wartości kąta odchylenia (kąta φ) aerostatu od pionu dla wiatrów wiejących z dużymi prędkościami.

Wynalazek przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 schematycznie przedstawia aerostat zamocowany do ziemi układem według wynalazku, odchylony od pionu o kąt φ odchylenia podczas wiejącego wiatru i utrzymujący optymalny kąt natarcia α; fig. 2 przedstawia rzut boczny aerostatu z elementami układu mocowania oraz kontroli według wynalazku umożliwiającego utrzymanie aerostatu na wymaganym kącie natarcia α; fig. 3 przedstawia widok z góry aerostatu z elementami układu mocowania oraz kontroli według wynalazku; fig. 4 przedstawia sposób utwierdzenia aerostatu przy pomocy lin stosując układ według wynalazku.

Wynalazek przedstawiono w przykładach wykonania.

Przykład 1

W tym przykładzie wykonania układ utwierdzenia na uwięzi statku powietrznego jest stosowany w aerostacie na uwięzi. Niemniej jednak układ adaptacyjny według wynalazku może być z powodzeniem stosowany w różnego typu latawcach nie napełnionych w całości lub w części gazem lżejszym od otaczającego latawiec powietrza.

W tym przykładzie wykonania adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi statku powietrznego 1 (aerostatu) według wynalazku zawiera zasilanie 25 oraz uwięź statku powietrznego 1, w którym uwięź statku powietrznego 1 zawiewa główną linę mocującą 7 rozgałęziającą się na liny boczne 8 i 9. Adaptacyjny układ według wynalazku przedstawiono na rysunku (fig. 1-4), na którym 1 oznacza statek powietrzny, 7 oznacza liną główną mocującą statek powietrzny do gruntu, 8 oznacza linę boczną prawą łączącą statek powietrzny z liną główną, 9 oznacza linę boczną lewą łączącą statek powietrzny z liną główną, 11 oznacza belkę prawą mocowania liny bocznej, 12 oznacza belkę lewą mocowania liny bocznej, 13 oznacza wspornik belki tylny prawy, 14 oznacza wspornik belki tylny lewy, 15 oznacza wspornik belki przedni prawy, 16 oznacza wspornik belki przedni lewy, 17 oznacza sterownik układu, 18 oznacza serwomechanizm usterzenia poziomego lewego, 19 oznacza serwomechanizm usterzenia poziomego prawego, 20 uchwyt mocowania liny bocznej lewej do belki lewej, 21 oznacza uchwyt mocowania liny bocznej prawej do belki prawej, 22 oznacza przedni czujnik prędkości i kierunku wiatru, 23 oznacza element mocowania przedniego czujnika prędkości i kierunku wiatru, 24 oznacza dolny czujnik prędkości i kierunku wiatru dolny, a 25 oznacza zasilanie.

Adaptacyjny układ według wynalazku charakteryzuje się tym, że główna lina mocująca 7 rozgałęzia się na dwie liny boczne 8 i 9 mocowane pośrednio do powierzchni statku powietrznego 1 za pomocą belek 11 oraz 12 usytuowanych wzdłuż statku powietrznego 1 na zewnątrz powłoki po obu jego stronach. Przy czym, wspomniane liny boczne 8 i 9 są mocowane do belek 11, 12 za pomocą węzłów (uchwytów) 20, 21, które mogą przemieszczać się w sposób kontrolowany o wartości X lub Y wzdłuż wspominanych belek 11 i 12 (fig. 2, fig. 4).

Natomiast belki 11 i 12 są mocowane do poprzecznych węzłów 13, 14, 15, 16 utwierdzonych do powłoki lub do struktury wewnętrznej statku powietrznego 1.

Ponadto układ według wynalazku zawiera serwomechanizmy 18, 19 połączone z sterownikiem 17 i z zasilaniem 25.

Regulacja kąta natarcia α aerostatu (fig. 1) odbywa się przez zmianę kąta natarcia całych stateczników zasadniczo poziomych 3 i 4 w przypadku wykonania stateczników jako konstrukcje płytowe lub przy pomocy zmiany kąta ustawienia lotek 5 i 6 dla stateczników z lotkami.

Zmiana kątów natarcia całych stateczników realizowana jest poprzez serwomechanizmy 18 i 19 połączone ze sterownikiem 17 i z zasilaniem 25.

W tym nieograniczającym przykładzie wykonania zasilanie 25 stanowi bateria, ale zasilanie 25 może stanowić zestaw baterii, akumulator lub przewód elektryczny umieszczony wzdłuż głównej liny mocującej 7 i jednej z lin bocznych 8 lub 9. Przy czym, wspomniany sterownik 17 sterujący pracą serwomechanizmów 18 i 19 oraz przemieszczeniem węzłów (uchwytów) 20 i 21 może być wyposażony także w platformę giroskopową.

Korzystnie adaptacyjny układ według wynalazku zawiera połączony ze sterownikiem 17 przedni czujnik prędkości i kierunku wiatru 22 mocowany do struktury statku powietrznego 1 poprzez element mocujący 23 oraz połączony ze sterownikiem 17 dolny czujnik prędkości i kierunku wiatru 24 mocowany do głównej liny mocującej 7 lub jednej z lin bocznych 8 lub 9.

Korzystnie sterownik 17 jest połączony z uchwytami 20 i 21 oraz steruje ustawieniem uchwytów 20 i 21 wzdłuż belek 11 i 12, a tym samych położeniem punktów mocowania lin bocznych 8 i 9.

Przykład 2

W tym przykładzie wykonania działanie adaptacyjnego układu według wynalazku zostanie omówione na przykładzie aerostatu.

Działanie adaptacyjnego układu utwierdzenia na uwięzi według wynalazku polega na utrzymaniu aerostatu na stałym optymalnym kącie natarcia α (fig. 1). Na aerostat działają wówczas oprócz siły wyporu - siły aerodynamiczne tj. siła nośna, której kierunek jest prostopadły do kierunku prędkości wiatru oraz siła oporu, której kierunek jest równoległy do kierunku prędkości wiatru. Taki układ sił powoduje, że odchylenie φ aerostatu na uwięzi od pionu jest minimalne i zależy głównie od wielkości stosunku siły nośnej do siły oporu.

Kąt α osiąga wartość optymalną aopt wówczas, gdy Cl (tj. współczynnik siły nośnej dla aerostatu dla aopt) ma wartość maksymalną zaś Cx (tj. współczynnik siły oporu dla aerostatu dla aopt) ma wartość minimalną. Przy czym, wartość kąta φ zależy głównie od stosunku Cl/Cx.

Sterownik 17 pozyskuje informacje z czujników 22 i 24 i tak reguluje pracą serwomechanizmów 18 i 19, aby utrzymać stałą wartość kąta natarcia aopt dla aerostatu.

Sterownik 17 pozyskuje informacje z płaszczyzny giroskopowej i tak reguluje pracą serwomechanizmów 18 i 19, aby utrzymać stałą wartość kąta natarcia aopt dla aerostatu.

Przykład 3

W tym przykładzie wykonania statkiem powietrznym zawierającym układ utwierdzania według wynalazku jest aerostat (fig. 2 i fig. 3). Natomiast układ adaptacyjny według wynalazku może być z powodzeniem stosowany w różnego typu latawcach nie napełnionych w całości lub w części gazem lżejszym od otaczającego latawiec powietrza. W takim przypadku identycznie jak dla aerostatu układ zapewnia przy wiejących wiatrach maksymalne wartości stosunku CL/CX dla dowolnego opływowego kształtu latawca.

W przypadku zaniku wiatru siły aerodynamiczne osiągają wartości zerowe i latawiec który nie jest wypełniony w całości lub w części gazem lżejszym od otaczającego latawiec powietrza opada na ziemię.

W tym przykładzie wykonania statek powietrzny (aerostat) zawiera układ utwierdzania na uwięzi według przykładu 1, i charakteryzuje się tym, że zawiera statecznik pionowy 2 oraz stateczniki zasadniczo poziome 3 oraz 4, które to stateczniki zasadniczo poziome 3 i 4 są połączone ze strukturą statku powietrznego przez serwomechanizmy 18 i 19.

Przy czym przez zasadniczo poziome ustawienie stateczników 3 i 4 rozumie się ich ustawienie względem statecznika pionowego 2 poziomo (tj. pod kątem 90°) lub skośnie (tj. pod kątem 0-180°, korzystnie 45-135°).

Korzystnie statecznik pionowy 2 jest wyposażony w ruchomą lotkę 10. Lotka 10 wpływa korzystnie na układ, ale nie jest konieczna do jego działania. Bez lotki 10 układ według wynalazku będzie także działać bardzo dobrze. Natomiast sam statecznik 2 służy dla ustawiania się statku powietrznego „na wiatr”. Korzystnie stateczniki zasadniczo poziome 3 i 4 również są wyposażone w ruchome lotki 5 i 6. Ten korzystny wariant statku powietrznego przedstawiono na fig. 2, która przedstawia aerostat według wynalazku zawierający statecznik pionowy 2 wyposażony w ruchomą lotkę 10, która może być połączona z serwomechanizmem oraz zawiera stateczniki prawy 3 i lewy 4 wyposażone w ruchome lotki 5 i 6 połączone ze statecznikami serwomechanizmami 18 i 19. Przy czym, wspomniane ruchome lotki 5 i 6 są sterowane serwomechanizmami 18 i 19. Natomiast w przypadku zastosowania stateczników 3 i 4 w wykonaniu płytowym (bez lotek) serwomechanizmy 18 i 19 łączą bezpośrednio stateczniki płytowe ze strukturą statku powietrznego.

Claims (8)

1. Adaptacyjny układ utwierdzenia na uwięzi statku powietrznego, zwłaszcza aerostatu, zawierający zasilanie oraz uwięź statku powietrznego, w którym uwięź statku powietrznego zawiera główną linę mocującą rozgałęziającą się na liny boczne, znamienny tym, że główna lina mocująca (7) rozgałęzia się na dwie liny boczne (8, 9) mocowane pośrednio do powierzchni statku powietrznego (1) za pomocą belek (11, 12) usytuowanych wzdłuż statku powietrznego na zewnątrz powłoki po obu jego stronach; liny boczne (8, 9) są mocowane do belek (11, 12) za pomocą węzłów (uchwytów) (20, 21) o kontrolowalnym przemieszeniu wzdłuż belek o wartości X lub Y; belki (11, 12) są mocowane do poprzecznych węzłów (13, 14, 15, 16) utwierdzonych do powłoki lub struktury wewnętrznej statku powietrznego (1); zawiera sterownik (17) połączony z zasilaniem (25) oraz serwomechanizmy (18, 19) połączone ze sterownikiem (17) i zasilaniem (25).

2. Adaptacyjny układ według zastrz. 1, znamienny tym, że źródło zasilania stanowi środek wybrany z grupy obejmującej baterię, zestaw baterii, akumulator, przewód elektryczny umieszczony wzdłuż głównej liny mocującej (7) i jednej z lin bocznych (8) lub (9).

3. Adaptacyjny układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że sterownik (17) jest wyposażony w platformę giroskopową.

4. Adaptacyjny układ według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń od 1 do 3, znamienny tym, że zawiera połączony ze sterownikiem (17) przedni czujnik prędkości i kierunku wiatru (22) mocowany do struktury statku powietrznego (1) poprzez element mocujący (23) oraz połączony ze sterownikiem (17) dolny czujnik prędkości i kierunku wiatru (24) mocowany do głównej liny mocującej (7) lub do jednej z lin bocznych (8) lub (9).

5. Adaptacyjny układ według dowolnego z poprzednich zastrzeżeń od 1 do 4, znamienny tym, że sterownik (17) jest połączony z uchwytami (20 i 21) oraz steruje ustawieniem węzłów (uchwytów) (20 i 21) wzdłuż belek (11, 12).

6. Statek powietrzny zawierający układ utwierdzania na uwięzi statku powietrznego według dowolnego z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że zawiera statecznik pionowy (2) oraz stateczniki zasadniczo poziome (3, 4) połączone ze strukturą statku powietrznego (1) poprzez serwomechanizmy (18) i (19).

7. Statek powietrzny według zastrz. 6, znamienny tym, że statecznik pionowy (2) wyposażony jest w wyposażony w ruchomą lotkę (10).

8. Statek powietrzny według zastrz. 6 albo 7, znamienny tym, że stateczniki zasadniczo poziome (3, 4) wyposażone są w ruchome lotki (5 i 6) połączone ze statecznikami poprzez serwomechanizmy (18 i 19) oraz sterowane serwomechanizmami (18, 19).