RU2214346C2 - Captive balloon - Google Patents
Captive balloon Download PDFInfo
- Publication number
- RU2214346C2 RU2214346C2 RU2001118118A RU2001118118A RU2214346C2 RU 2214346 C2 RU2214346 C2 RU 2214346C2 RU 2001118118 A RU2001118118 A RU 2001118118A RU 2001118118 A RU2001118118 A RU 2001118118A RU 2214346 C2 RU2214346 C2 RU 2214346C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- blocks
- node
- tethered
- ropes
- shell
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике летательных аппаратов легче воздуха, в частности к привязным аэростатам, и может быть использовано в качестве несущей конструкции для длительного расположения на большой высоте (километр и более) радио- и телепередатчиков, радиолокатора, дымовой или вентиляционной трубы, морских маяков, стационарных метеорологических и экологических лабораторий, светильников для освещения больших территорий и т.п., а также мест отдыха, например смотровых площадок, кафе и т.д. The invention relates to the technique of aircraft lighter than air, in particular to tethered balloons, and can be used as a supporting structure for long-term location at a high altitude (kilometer or more) of radio and television transmitters, radar, smoke or ventilation pipe, sea lighthouses, stationary meteorological and environmental laboratories, luminaires for lighting large areas, etc., as well as recreational facilities, such as viewing platforms, cafes, etc.
Известен дирижабль, содержащий эластичную оболочку с баллонетом, гондолу с двумя авиационными двигателями, подвеску для транспортировки груза и систему управления полетом. При этом оболочка снабжена радиальными перегородками, делящими ее на четырнадцать изолированных друг от друга баллонов с гелием под избыточным давлением порядка 0,05-0,1 кг/см2, и внешней оболочкой, образующей дополнительный баллон с гелием под вдвое меньшим избыточным давлением, причем баллонет образован своей оболочкой и внутренней оболочкой дирижабля (см. патент РФ 2007328, МПК В 64 В 1/02, опубл. 15.02.1994 г., бюл. 3).Known airship containing an elastic shell with a balloon, a nacelle with two aircraft engines, a suspension for transporting cargo and a flight control system. The shell is equipped with radial baffles, dividing it into fourteen isolated from each other cylinders with helium under an overpressure of the order of 0.05-0.1 kg / cm 2 , and an outer shell forming an additional cylinder with helium under half the excess pressure, moreover the balloon is formed by its shell and the inner shell of the airship (see RF patent 2007328, IPC B 64 V 1/02, publ. 02.15.1994, bull. 3).
Недостатком известной установки является низкая устойчивость против ветровых нагрузок, так как она не рассчитана на длительное зависание в одной точке и требует при ветровых нагрузках дополнительного расхода топлива для зависания в одной точке. Кроме этого, баллоны с гелием, составляющие гондолу, не съемные, что затрудняет ремонтные работы, возникающие при длительной эксплуатации. A disadvantage of the known installation is its low stability against wind loads, since it is not designed for long-term hovering at one point and requires additional fuel consumption during wind loads for hovering at one point. In addition, the helium cylinders that make up the nacelle are not removable, which complicates the repair work that occurs during long-term operation.
Известна также мягкая оболочка аэростатического летательного аппарата, содержащая прикрепленные к ней тросы, вторые концы которых намотаны на барабаны лебедок стяжных механизмов, установленных на жестком основании, расположенном под оболочкой. Жесткое основание имеет форму нижней части оболочки в полностью выполненном состоянии, зеркально отраженной относительно воображаемой горизонтальной плоскости, проходящей через нижнюю точку оболочки. При этом стяжные механизмы размещены по периметру жесткого основания. Оболочка снабжена размещенными внутри нее маломерными герметичными оболочками, заполненными подъемным газом (см. авт. свид. СССР 1821411, МПК В 64 В 1/58, опубл. 15.06.1993 г., бюл. 22). A soft shell of an aerostatic aircraft is also known, containing cables attached to it, the second ends of which are wound on the drums of the winch coupling mechanisms mounted on a rigid base located under the shell. The rigid base has the shape of the lower part of the shell in a fully executed state, mirrored relative to an imaginary horizontal plane passing through the bottom point of the shell. In this case, the coupling mechanisms are placed around the perimeter of the rigid base. The shell is equipped with small hermetic enclosures placed inside it, filled with lifting gas (see ed. Certificate of the USSR 1821411, IPC B 64 V 1/58, publ. 06/15/1993, bull. 22).
Однако эта установка также имеет недостаточную устойчивость против ветровых нагрузок, так как не рассчитана на длительное зависание в одной точке, и при ветровых нагрузках требуется дополнительный расход топлива. Кроме этого, известная установка имеет низкую надежность в аварийных ситуациях, так как в случае значительного повреждения основной оболочки в верхней части несущий газ выйдет не только из основной оболочки, но из нее вылетят и малые шары (маломерные внутренние оболочки). However, this installation also has insufficient stability against wind loads, since it is not designed for long-term hovering at one point, and with wind loads additional fuel consumption is required. In addition, the known installation has low reliability in emergency situations, since in case of significant damage to the main shell in the upper part, the carrier gas will not only come out of the main shell, but small balls (small-sized inner shells) will also fly out of it.
Известен привязной аэростат, содержащий газонесущую оболочку, состоящую из двух частей: верхней - сферической и нижней - конической, и привязной такелаж. При этом нижняя коническая часть оболочки втянута внутрь объема верхней сферической части и удерживается упругими тяжами, одни концы которых связаны с нижней частью, а другие закреплены на внутренней поверхности вершины верхней части оболочки (см. авт. свид. СССР 378340, МПК В 64 В 1/50, опубл. 18.04.1973 г., бюл. 19). Known tethered balloon containing a gas-bearing shell, consisting of two parts: the upper - spherical and lower - conical, and tethered rigging. The lower conical part of the shell is drawn into the volume of the upper spherical part and is held by elastic bands, some ends of which are connected to the lower part, while others are fixed on the inner surface of the top of the upper part of the shell (see ed. Certificate of the USSR 378340, IPC В 64 В 1 / 50, publ. 04/18/1973, bull. 19).
К недостаткам этой сферическо-конической конструкции относятся низкая грузоподъемность и слабая устойчивость против ветровых нагрузок, так как наилучшее соотношение между объемом, обеспечивающим подъемную силу, и площадью поверхности, воспринимающей ветровую нагрузку, имеет шар. The disadvantages of this spherical-conical design include a low load capacity and poor stability against wind loads, since the ball has the best ratio between the volume that provides lifting force and the surface area that receives wind load.
Известен также привязной аэростат, содержащий круглую в плане обтекаемую оболочку, наполненную газом легче воздуха, грузовой модуль, привязную систему в виде расчалок с лебедками, равномерно распределенных по периметру и прикрепленных к оболочке и наземным платформам. Аэростат снабжен полой телескопической штангой, установленной на земле, и модулем-накопителем, при этом грузовой модуль закреплен на верхней, а модуль-накопитель - на нижней секциях штанги. Секции штанги снабжены электрозамками и дополнительными расчалками, свободные концы которых соединены с лебедками, а полость штанги соединена газопроводом с источником сжатого газа (см. патент РФ 2028249, МПК В 64 В 1/50, опубл. 09.02.1995 г., бюл. 4). A tethered balloon is also known, containing a round, streamlined envelope filled with gas lighter than air, a load module, a tethered system in the form of braces with winches uniformly distributed around the perimeter and attached to the shell and ground platforms. The balloon is equipped with a hollow telescopic rod mounted on the ground and a storage module, while the cargo module is mounted on the top and the storage module on the lower sections of the rod. The sections of the rod are equipped with electric locks and additional braces, the free ends of which are connected to the winches, and the cavity of the rod is connected by a gas pipeline to a source of compressed gas (see RF patent 2028249, IPC B 64 V 1/50, published 09.02.1995, bull. 4 )
К недостаткам известной конструкции относятся относительно небольшая высота подъема, ограниченная высотой полой телескопической штанги, а также усложнение конструкции из-за наличия телескопической штанги, электрозамков и лебедок. В аварийных ситуациях известная конструкция имеет низкую устойчивость из-за воздействия больших ветровых нагрузок на полую штангу при совместном действии привязанных к ней растяжек. The disadvantages of the known design include a relatively small lifting height, limited by the height of the hollow telescopic rod, as well as the complexity of the design due to the presence of the telescopic rod, electric locks and winches. In emergency situations, the known design has low stability due to the impact of large wind loads on the hollow rod under the combined action of the stretch marks attached to it.
Известен привязной аэростат для воздушной транспортировки и удержания груза на заданной высоте, содержащий газонаполненную оболочку, выполненную в форме тела вращения, платформу поддержки, подвешенную ниже аэростата, платформу оборудования с радиопередатчиком, подвешенную ниже платформы поддержки, средства крепления (натяжное устройство), включающие, по крайней мере, три оттяжки (тяговый и удерживающий тросы), одним концом присоединенные к платформе поддержки, а другим - к барабанам лебедки, установленной на нулевой отметке (земле). Аэростат содержит средства общего управления с радиоприемником, расположенные на земле и включающие средства для управления высотой полета аэростата, средства для управления горизонтальным перемещением аэростата и средства контроля растяжения оттяжки, обеспечивая управление высотой и направлением перемещения аэростата с грузом. Аппарат позволяет в сильнопересеченной местности обеспечить движение (буксировку) груза вертикально и горизонтально в многократных курсах полета, а также перемещение и удержание груза на заданной высоте (см. патент США 5080302, МПК В 64 В 1/50, НКИ 244/31, 33, опубл. 14.01.1992 г.). Known tethered balloon for air transportation and holding cargo at a given height, containing a gas-filled shell made in the form of a body of revolution, a support platform suspended below the aerostat, an equipment platform with a radio transmitter suspended below the support platform, fasteners (tensioner), including at least three guy wires (traction and holding cables), one end attached to the support platform, and the other to the winch drums mounted at zero (ground). The aerostat contains general controls with a radio located on the ground and includes means for controlling the flight height of the aerostat, means for controlling the horizontal movement of the aerostat, and means for controlling the stretching of the guy, providing control of the height and direction of movement of the aerostat with cargo. The device allows in heavily rough terrain to ensure the movement (towing) of cargo vertically and horizontally in multiple flight courses, as well as moving and holding the cargo at a given height (see US patent 5080302, IPC 64 V 1/50, NKI 244/31, 33, published on January 14, 1992).
Недостатками известного привязного аэростата являются сложность конструкции за счет наличия лебедки, требующей затрат энергии на ее привод; ограничение высоты подъема аэростата из-за невозможности выполнения конструкции многоярусной, а также снижение надежности и устойчивости несущей конструкции при воздействии сильных ветровых нагрузок, так как всю нагрузку принимают канаты с наветренной стороны, что может привести к их разрыву. The disadvantages of the known tethered balloon are the design complexity due to the presence of the winch, which requires energy for its drive; limitation of the lift height of the balloon due to the inability to complete a multi-tier structure, as well as a decrease in the reliability and stability of the supporting structure when exposed to strong wind loads, since the ropes from the windward side take up the entire load, which can lead to their rupture.
Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является привязной аэростат (змейковый летательный аппарат), содержащий дисковый корпус, образованный оболочкой, выполненной из газонепроницаемого материала, заполненной газом легче воздуха и состоящей из кольцевых секций, расположенных концентрично, при этом осевое сечение дискового корпуса выполнено в виде несимметричного аэродинамического профиля, и привязную систему, включающую привязной канат, одним концом закрепленный на земле, а другим связанный с уздечкой, состоящей из нескольких тросов, закрепленных на дисковом корпусе. Аппарат снабжен дополнительно несколькими привязными системами и лебедками, установленными на земле, к которым присоединены привязные канаты, а тросы каждой уздечки присоединены к дисковому корпусу в одной центральной точке и в трех точках по его периметру, и снабжен ретрансляционными антеннами, заключенными в обтекатель, выполненный из радиопрозрачного материала и установленный над дисковым корпусом. Оболочка снабжена центральным газонаполненным ребром жесткости, выполненным в виде тора, охваченным жестким каркасом, на котором закреплен обтекатель, и газонаполненными неврютами, расположенными радиально. Центральное отверстие тора снизу закрыто оболочкой, выполненной из радиопрозрачного материала. При этом центр тяжести летательного аппарата расположен ниже точки приложения аэростатической подъемной силы, а тангенс угла наклона каждого привязного каната к горизонтальной плоскости приблизительно равен аэродинамическому качеству летательного аппарата при нулевом угле атаки (см. патент РФ 2005649, МПК В 64 В 1/50, опубл. 15.01.1994 г., бюл. 1). The closest technical solution for the totality of features selected as a prototype is a tethered balloon (kite flying machine) containing a disk housing formed by a shell made of a gas-tight material, filled with gas lighter than air and consisting of annular sections arranged concentrically, with axial the cross section of the disk casing is made in the form of an asymmetric aerodynamic profile, and a tethered system including a tethered rope fixed at one end to the ground, and rugim linked with a bridle consisting of several ropes attached to the disk enclosure. The apparatus is additionally equipped with several tethered systems and winches installed on the ground, to which tethered ropes are attached, and the cables of each bridle are attached to the disk enclosure at one central point and at three points along its perimeter, and is equipped with relay antennas enclosed in a cowl made of translucent material and mounted above the disk enclosure. The shell is provided with a central gas-filled stiffening rib made in the form of a torus, covered by a rigid frame on which the fairing is fixed, and gas-filled neurity located radially. The central hole of the torus from below is covered by a shell made of radiolucent material. The center of gravity of the aircraft is located below the point of application of aerostatic lifting force, and the tangent of the angle of inclination of each tethered rope to the horizontal plane is approximately equal to the aerodynamic quality of the aircraft at zero angle of attack (see RF patent 2005649, IPC B 64 V 1/50, publ. January 15, 1994, bull. 1).
Недостатками известной установки являются снижение надежности конструкции в случае повреждения отсеков из-за малого количества концентрических отсеков (7 штук) с несущим газом и низкая устойчивость при ветровых нагрузках из-за недостаточной подъемной силы дискового корпуса, образованного оболочкой, заполненной газом. Отсеки не съемные, что усложняет ремонт конструкции при длительной эксплуатации. Даже если предусмотреть концентрические отсеки съемными, то для их съема и установки необходимо выпустить несущий газ из объема внешней оболочки. Наличие привязных систем и лебедок также усложняет конструкцию. The disadvantages of the known installation are the decrease in the reliability of the structure in case of damage to the compartments due to the small number of concentric compartments (7 pieces) with carrier gas and low stability under wind loads due to insufficient lifting force of the disk casing formed by the shell filled with gas. The compartments are not removable, which complicates the repair of the structure during long-term operation. Even if the concentric compartments are provided as removable, for their removal and installation it is necessary to release carrier gas from the volume of the outer shell. The presence of tethered systems and winches also complicates the design.
Таким образом, исследование уровня техники показало, что общим недостатком известных привязных систем, содержащих корпус, образованный оболочкой, заполненной газом легче воздуха, является то, что канаты этих систем нагружены равномерно только в безветренную погоду. При ветре вся нагрузка воздействует только на канаты с наветренной стороны, а канаты с подветренной стороны провисают и являются паразитными. Это не позволяет известным привязным системам выдерживать значительную избыточную подъемную силу и тем самым противостоять повышенным ветровым нагрузкам. Thus, a study of the prior art has shown that a common drawback of known tethered systems containing a housing formed by a shell filled with gas lighter than air is that the ropes of these systems are loaded uniformly only in calm weather. In wind, the entire load affects only the ropes on the windward side, and the ropes on the leeward side are sagging and parasitic. This does not allow known tethered systems to withstand significant excess lifting force and thereby withstand high wind loads.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание высотной несущей конструкции (до километра и более), повышение ее устойчивости в аварийных ситуациях, в частности при воздействии ураганных ветровых нагрузок, а также повышение надежности несущей оболочки, заполненной газом легче воздуха, и создание условий для ремонта конструкции при длительной эксплуатации без опускания ее на землю. The task to which the invention is directed is to create a high-rise load-bearing structure (up to a kilometer or more), increase its stability in emergency situations, in particular when exposed to hurricane wind loads, and also increase the reliability of the load-bearing shell filled with gas lighter than air, and create conditions for repairing the structure during long-term operation without lowering it to the ground.
Для решения поставленной задачи в привязном аэростате, содержащем корпус, образованный оболочкой, выполненной из газонепроницаемого материала, заполненной газом легче воздуха, и привязную систему, согласно изобретению, оболочка выполнена в виде шара, собранного из отдельных съемных элементов, а привязная система состоит из узла неподвижных блоков, распределенных по периметру основания и закрепленных на земле, узла подвижных блоков, связанных с газонесущей оболочкой, и каната, выполненного в виде кольца, связывающего узел подвижных блоков с узлом неподвижных блоков. To solve the problem in a tethered balloon containing a housing formed by a shell made of gas-tight material filled with gas lighter than air, and the tethered system according to the invention, the shell is made in the form of a ball assembled from separate removable elements, and the tethered system consists of a fixed assembly blocks distributed around the perimeter of the base and fixed on the ground, the node of the movable blocks associated with the gas-bearing shell, and a rope made in the form of a ring connecting the node of the mobile units s with the fixed block assembly.
Целесообразно, чтобы съемные элементы были выполнены в виде вертикально ориентированных полых сегментов сферы, внешние кромки которых являются дугами шаровой поверхности, а каждый полый сегмент сферы был расположен в кожухе и разделен непроницаемыми перегородками, по меньшей мере, на две камеры. It is advisable that the removable elements were made in the form of vertically oriented hollow segments of the sphere, the outer edges of which are arcs of the spherical surface, and each hollow segment of the sphere was located in the casing and divided by impermeable partitions into at least two chambers.
Привязная система содержит, по меньшей мере, два одинаковых каната, выполненных в виде колец, связывающих узел подвижных блоков с узлом неподвижных блоков, располагающихся друг под другом в эквидистантных поверхностях. The attachment system contains at least two identical ropes, made in the form of rings, connecting the node of the moving blocks with the node of the fixed blocks, located one below the other in equidistant surfaces.
В частном случае корпус привязного аэростата может быть выполнен многоярусным в форме правильной пирамиды с основанием в виде правильного многоугольника, причем узел подвижных блоков связан канатами, выполненными в виде колец, с нижним и верхним ярусами и дополнительно снабжен верхними блоками для связи с верхним ярусом, при этом верхние блоки являются зеркальным отражением нижних блоков узла подвижных блоков. В многоярусную конструкцию может быть введена дополнительная привязная система, имеющая меньший угол наклона канатов, выполненных в виде колец, к горизонтали и дополнительные блоки в узле подвижных блоков и в узле неподвижных блоков, при этом канаты, выполненные в виде колец, дополнительной привязной системы проходят через узлы подвижных блоков, снабженных дополнительными блоками. In a particular case, the body of the tethered balloon can be made multi-tiered in the form of a regular pyramid with a base in the form of a regular polygon, and the node of the movable blocks is connected by rings made in the form of rings with the lower and upper tiers and is additionally equipped with upper blocks for communication with the upper tier this upper blocks are a mirror image of the lower blocks of the node of the moving blocks. An additional tethered system can be introduced into the multi-tiered structure, having a smaller angle of inclination of the ropes made in the form of rings to the horizontal and additional blocks in the node of the movable blocks and in the node of the fixed blocks, while the ropes made in the form of rings of the additional tethered system pass through nodes of mobile blocks equipped with additional blocks.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного привязного аэростата, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна". The analysis of the prior art carried out by the applicant has made it possible to establish that there are no analogs characterized by sets of features identical to all the features of the claimed tethered balloon. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "novelty."
В результате поиска известных решений в данной области техники не обнаружена известность влияния, предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения, преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень". As a result of the search for known solutions in this technical field, the popularity of the influence provided for by the essential features of the claimed invention, transformations on the achievement of the specified technical result was not found. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 показан общий вид привязного аэростата; на фиг.2 - привязная система, вид сверху; на фиг.3 - узел подвижных блоков для одноярусной несущей конструкции; на фиг.4 - разрез А-А на фиг.3; на фиг.5 изображены векторные диаграммы избыточной подъемной силы и динамической ветровой силы в состоянии равновесия при различных углах наклона канатов привязной системы; на фиг.6 - многоярусная пирамидальная несущая конструкция. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a general view of a tethered balloon; figure 2 - tethered system, top view; figure 3 - node movable blocks for a single-tier supporting structure; figure 4 is a section aa in figure 3; figure 5 shows vector diagrams of excessive lifting force and dynamic wind force in a state of equilibrium at different angles of inclination of the ropes of the tethered system; figure 6 - multi-tiered pyramidal bearing structure.
Чертежи имеют следующие цифровые позиции: 1 - корпус, образованный газонесущей оболочкой, выполненной в виде шара; 2 - узел подвижных блоков; 3 - неподвижные блоки, закрепленные на земле; 4 - канат (выполненный в виде кольца) привязной системы; 5 - площадка для посадки обслуживающих вертолетов и приема грузов. The drawings have the following digital positions: 1 - a housing formed by a gas-bearing shell made in the form of a ball; 2 - node mobile blocks; 3 - fixed blocks fixed to the ground; 4 - rope (made in the form of a ring) of a tethered system; 5 - a platform for landing service helicopters and receiving goods.
В реализации указанных признаков предлагается привязной аэростат с большой подъемной силой, от тысячи до десятков тысяч тонн, что позволит конструкции иметь большую избыточную подъемную силу и тем самым противостоять ветровым нагрузкам и нести значительную полезную нагрузку. Под избыточной подъемной силой понимается сила, полученная из подъемной силы гелиевого привязного аэростата (шара) за вычетом веса самой конструкции и полезной нагрузки. In the implementation of these features, a tethered balloon with a large lift, from a thousand to tens of thousands of tons, is proposed, which will allow the structure to have a large excess lift and thereby withstand wind loads and carry a significant payload. Excessive lifting force is understood to mean the force obtained from the lifting force of a helium tethered balloon (ball) minus the weight of the structure itself and the payload.
Корпус привязного аэростата образован газонесущей оболочкой, выполненной в виде шара 1. Привязная блоковая система предлагаемого привязного аэростата состоит из узла подвижных блоков 2, закрепленного в центре несущей гелиевой оболочки 1 и воспринимающего всю избыточную подъемную силу, неподвижных блоков 3, закрепленных на земле и расположенных равномерно по периметру основания, каната 4, выполненного в виде кольца, соответствующим образом соединяющего подвижные 2 и неподвижные 3 блоки. В верхней части корпуса 1 привязного аэростата размещена площадка 5 для посадки обслуживающих вертолетов и приема грузов (фиг.1-4). The body of the tethered balloon is formed by a gas-bearing shell made in the form of a ball 1. The tethered block system of the proposed tethered balloon consists of a node of
Для придания привязной системе необходимого запаса прочности канатов 4 (изготовленных в виде кольца) можно выполнить несколько, совершенно одинаковыми и расположенными друг под другом в эквидистантных (равноотстоящих) поверхностях. Несущая гелиевая оболочка, выполненная в виде шара 1, набирается из отдельных съемных элементов (аналог "апельсиновых долек"), причем каждый съемный элемент выполнен в виде вертикально ориентированного полого сегмента сферы, внешние кромки которого являются дугами шаровой поверхности. Каждый полый сегмент сферы разделен непроницаемыми перегородками, по меньшей мере, на две камеры. Для защиты от солнечной радиации, метеофакторов и совместного восприятия ветровой нагрузки корпус привязного аэростата, выполненный в виде шара 1, собранного из отдельных съемных элементов, покрывается мягким защитным покрытием - оболочкой. Для защиты несущих съемных элементов шара от повреждения привязными канатами последние в объеме шара располагаются в кожухах. To give the tethered system the necessary safety margin of the ropes 4 (made in the form of a ring), several can be made completely identical and located one under the other in equidistant (equally spaced) surfaces. The carrier helium shell, made in the form of a ball 1, is composed of separate removable elements (analogue of "orange slices"), each removable element is made in the form of a vertically oriented hollow segment of the sphere, the outer edges of which are arcs of the spherical surface. Each hollow segment of the sphere is divided by impermeable partitions into at least two chambers. To protect against solar radiation, meteorological factors and the joint perception of wind load, the body of a tethered balloon made in the form of a ball 1 assembled from separate removable elements is covered with a soft protective coating - a shell. To protect the load-bearing removable elements of the ball from damage by tethered ropes, the latter are located in the casings in the volume of the ball.
С целью получения большей высоты (более километра) конструкция изготавливается многоярусной, при этом узлы подвижных блоков связываются канатами, выполненными в виде кольца, и с нижним и с верхним ярусами, а сами узлы подвижных блоков имеют еще дополнительные (верхние) блоки для связи с верхним ярусом. Дополнительные блоки получаются при зеркальном отражении нижних блоков узла подвижных блоков одноярусной конструкции. Для придания многоярусной конструкции большей устойчивости против ветровых нагрузок она может иметь дополнительную (вторую) привязную блочную систему, у которой канаты располагаются под меньшим углом к горизонтали, при этом канаты, выполненные в виде кольца, дополнительной (второй) привязной системы проходят через существующие узлы подвижных блоков, снабженные дополнительными блоками для второй канатной системы. Данная конструкция выполняется в форме правильной пирамиды с основанием в виде правильного многоугольника, например квадрата или шестиугольника (фиг.6). In order to obtain a greater height (more than a kilometer), the structure is made in many tiers, while the nodes of the moving blocks are connected by ropes made in the form of a ring to both the lower and upper tiers, and the nodes of the moving blocks themselves have additional (upper) blocks for communication with the upper tier. Additional blocks are obtained by mirroring the lower blocks of the node of the moving blocks of a single-tier structure. To make the multi-tiered structure more stable against wind loads, it can have an additional (second) tethered block system, in which the ropes are located at a smaller angle to the horizontal, while the ropes made in the form of a ring of an additional (second) tethered system pass through the existing nodes of the movable blocks equipped with additional blocks for the second cable system. This design is made in the form of a regular pyramid with a base in the form of a regular polygon, such as a square or hexagon (Fig.6).
Пример. Для получения подъемной силы использовался гелиевый шар с небольшим избыточным давлением порядка 100 мм водяного столба (0,01 кг/см2), который для повышения надежности собирался из большого количества отдельных съемных элементов (наподобие "апельсиновых долек"). Для большей надежности от разрыва каждый съемный элемент в свою очередь разделялся непроницаемыми перегородками на несколько камер. В качестве материала для изготовления съемных несущих элементов был использован, например, полиэтилен. Отдельные съемные элементы (в виде "апельсиновых долек") для большей надежности, лучшей технологичности при изготовлении, монтаже и ремонте можно выполнять в виде оболочки из крупноячеистой сети (500•500 мм) из капроновой нити, например, внутри которой находится большое количество наполненных гелием полиэтиленовых полостей (камер), расположенных перпендикулярно вертикальной оси несущей съемной полости, длиною от внешней огибающей сегмента до вертикальной оси полости.Example. To obtain the lifting force, a helium ball was used with a slight excess pressure of about 100 mm water column (0.01 kg / cm 2 ), which was collected from a large number of individual removable elements (like "orange slices") to increase reliability. For greater reliability against tearing, each removable element was in turn divided by impermeable partitions into several chambers. As a material for the manufacture of removable load-bearing elements was used, for example, polyethylene. Separate removable elements (in the form of "orange slices") for greater reliability, better manufacturability in the manufacture, installation and repair can be performed in the form of a shell from a coarse mesh network (500 • 500 mm) of kapron filament, for example, inside which there is a large amount filled with helium polyethylene cavities (chambers) located perpendicular to the vertical axis of the bearing removable cavity, the length from the outer envelope of the segment to the vertical axis of the cavity.
Подъемная сила шара определялась как объем шара, умноженный на разность удельных весов воздуха и гелия. Удельный вес воздуха и гелия при нормальных условиях принимался по известным данным (см., например, Рабинович В.А., Хавин З. Я. Краткий химический справочник. - Л.: Химия, Ленинградское отделение, 1978, с.20 и 61). Расчеты показали, что для создания подъемной силы в 1000 т требуется гелиевый шар диаметром 124 м. Динамическая ветровая нагрузка определялась по известной формуле (см., например, Мурин Г.А. Теплотехнические измерения. - М. : Энергия, 1979, с.208). В качестве поверхности, воспринимающей ветровую нагрузку, принималась плоскость круга диаметром 124 м. Обтекаемая форма шара в расчете не учитывалась, т.е. принимались более жесткие условия. Расчеты показали, что при скорости ветра 30 м/сек (108 км/час), это штормовой ветер, величина динамической силы на шар диаметром 124 м составляет 702 т. Если принять избыточную подъемную силу конструкции равной динамической силе при скорости ветра 30 м/сек, т.е. равной 702 т, то вес несущей конструкции (в сумме с полезной нагрузкой) составит 1000-702=298 т. Оценка веса производилась для конструкции высотой 500 м, изображенной на фиг. 1 и 2. The lifting force of the ball was defined as the volume of the ball, multiplied by the difference in the specific gravities of air and helium. The specific gravity of air and helium under normal conditions was taken according to well-known data (see, for example, Rabinovich V.A., Khavin Z. Ya. Brief chemical reference book. - L.: Chemistry, Leningrad Branch, 1978, p.20 and 61) . The calculations showed that to create a lifting force of 1000 tons a helium ball with a diameter of 124 m is required. The dynamic wind load was determined by the well-known formula (see, for example, G. Murin. Thermotechnical measurements. - M.: Energia, 1979, p.208 ) The plane plane of a circle with a diameter of 124 m was taken as the surface perceiving the wind load. The streamlined shape of the ball was not taken into account in the calculation, i.e. more stringent conditions were adopted. Calculations showed that at a wind speed of 30 m / s (108 km / h), it is a gale, the dynamic force per ball with a diameter of 124 m is 702 tons. If we take the excess lifting force of the structure equal to the dynamic force at a wind speed of 30 m / s , i.e. equal to 702 tons, then the weight of the supporting structure (in total with the payload) will be 1000-702 = 298 tons. The weight was estimated for the structure with a height of 500 m, shown in FIG. 1 and 2.
Привязные канаты имеют угол наклона к горизонтали 45 градусов. Отсюда длина одного привязного каната составляет 705 м. Если принять к установке 8 неподвижных блоков (их может быть сколь угодно, от трех и выше), то общий вес каната, выполненного в виде кольца, будет складываться из 16-ти частей по 705 м. Примем привязной канат диаметром 51 мм (по ГОСТ 18901-73 "Стальные канаты"). Разрывное усилие данного каната составляет 248 т. Вес 100 м каната составляет 1,4635 т. Суммарное разрывное усилие 16-ти канатов составит 248•16= 3968 т. Суммарный вес 16-ти канатов составляет 165 т. Суммарное разрывное усилие за вычетом веса канатов составит 3968-165=3803 т. Safety ropes have an angle of inclination to the horizontal of 45 degrees. Hence, the length of one tethered rope is 705 m. If you accept 8 fixed blocks (they can be arbitrarily three or more), then the total weight of the rope, made in the form of a ring, will be composed of 16 parts of 705 m. We take a tethered rope with a diameter of 51 mm (according to GOST 18901-73 "Steel ropes"). The tensile strength of this rope is 248 tons. The weight of 100 m of the rope is 1.4635 tons. The total tensile strength of 16 ropes will be 248 • 16 = 3968 tons. The total weight of 16 ropes is 165 tons. The total tensile strength minus the weight of the ropes will be 3968-165 = 3803 t.
Оценим суммарное натяжное усилие на привязную систему от избыточной подъемной силы в 702 т и ветровой нагрузки в 702 т при скорости ветра 30 м/сек. Учитывая, что сложение сил векторное (см. фиг.5) и угол наклона каната составляет 45 градусов, суммарное натяжное усилие на канаты составит 990 т. Разделив суммарное разрывное усилие канатов за вычетом их веса на суммарное натяжное усилие, получим запас прочности канатной натяжной системы 3803: 990=3,84. Вес канатной системы составляет основную долю веса конструкции. Если на вес оболочки, вес узла подвижных блоков и другие непредвиденные конструкционные нагрузки отвести 33 т, то и тогда вес полезной нагрузки составит 100 т (298-165-33=100 т). Учитывая, что имеется практически 4-кратный запас прочности привязной системы, можно сформировать привязную систему для увеличения ее надежности из 3-х одинаковых канатов, выполненных в виде кольца, как показано на фиг. 4. Для этого целесообразно подбирать канаты меньшего поперечного сечения, в сумме дающие тот же запас прочности. В принципе кольцевых канатов можно выбирать сколь угодно. Let us estimate the total tensile force on the tethered system from an excess lifting force of 702 tons and a wind load of 702 tons at a wind speed of 30 m / s. Given that the addition of forces is vector (see figure 5) and the angle of inclination of the rope is 45 degrees, the total tensile force on the ropes will be 990 tons. Dividing the total tensile strength of the ropes minus their weight by the total tensile force, we obtain the safety margin of the rope tension system 3803: 990 = 3.84. The weight of the cable system is the bulk of the weight of the structure. If 33 tons are allocated to the weight of the shell, the weight of the unit of moving blocks and other unforeseen structural loads, then the weight of the payload will be 100 tons (298-165-33 = 100 tons). Considering that there is an almost 4-fold safety margin of the tethered system, a tethered system can be formed to increase its reliability from 3 identical ropes made in the form of a ring, as shown in FIG. 4. To do this, it is advisable to select ropes of a smaller cross section, in total giving the same margin of safety. In principle, ring ropes can be chosen arbitrarily.
Привязной аэростат работает при различных ветровых нагрузках (по силе и направлению) следующим образом. A tethered balloon operates at various wind loads (in strength and direction) as follows.
В безветренную погоду под действием избыточной силы конструкция занимает симметричное вертикальное положение. При этом все канаты 4 загружены равномерно. При возникновении динамической ветровой нагрузки канаты 4 с наветренной стороны получают дополнительную нагрузку, а канаты 4 с подветреной стороны получают ослабление нагрузки. В этой ситуации несущая оболочка 1 и связанный с ней узел подвижных блоков 2 перемещаются по направлению ветра в новое равновесное состояние, соответствующее данной ветровой нагрузке. При этом канат 4, выполненный в виде кольца, проскальзывая по блокам 2, принимает положение, при котором все его части нагружаются равномерно. В случае, когда конструкцией предусмотрено несколько совершенно одинаковых канатов 4, выполненных в виде кольца, расположенных друг под другом в эквидистантных поверхностях, они ведут себя совершенно аналогично и нагружаются равномерно. Узел подвижных блоков 2 располагается в центре несущей оболочки 1 и воспринимает всю избыточную подъемную силу. В этом случае вне зависимости от силы ветра оболочка 1 сохраняет неизменной свою вертикальную ось. Несущую оболочку 1 можно размещать под узлом подвижных блоков 2, располагая его на вершине несущей оболочки. В этом случае необходимо предусмотреть конструктивные элементы, удерживающие несущую оболочку под вершиной привязной системы. In calm weather, under the influence of excessive force, the structure occupies a symmetrical vertical position. Moreover, all the
Для пояснения механизма возникновения равновесного положения конструкции при различных ветровых нагрузках представлена векторная диаграмма сил, изображенная на фиг.5. Из диаграммы видно, что равновесное состояние конструкция принимает в ситуации, когда равны проекции избыточной подъемной силы и динамической ветровой силы на линию, перпендикулярную натяжному канату с наветренной стороны. Как видно из той же диаграммы, при неизменной избыточной подъемной силе, для уменьшения угла наклона каната с наветренной стороны, требуется с уменьшением угла все большая динамическая сила. Так, при вертикальном положении каната достаточно небольшой динамической силы, а при угле 45 градусов к горизонтали, как показано на фиг.1, требуется динамическая нагрузка, равная избыточной подъемной силе. Таким образом, описанная выше конструкция будет занимать устойчивое вертикальное положение до ветра силой 30 м/сек. При дальнейшем усилении ветра конструкция начнет смещаться от вертикали по направлению ветра. Однако, как видно из диаграммы на фиг.5 и как показывают расчеты, при угле 30 градусов требуется динамическая сила, в 1,73 раза превышающая избыточную подъемную силу. Для приведенного в описании изобретения примера это должен быть ветер силой 52 м/сек (187 км/час). Такие ветры наблюдаются исключительно редко, хотя запас прочности канатной системы и избыточное давление в несущей оболочке позволяют конструкции с легкостью противостоять и таким ветровым нагрузкам. Особый эффект устойчивости дают канаты на основе синтетических волокон. Они обладают практически таким же разрывным усилием, что и стальные, но значительно их легче. Это позволяет при аналогичных условиях иметь большую избыточную подъемную силу. Необходимо отметить устойчивость предлагаемой конструкции и против землетрясений. To explain the mechanism of the appearance of the equilibrium position of the structure at various wind loads, a vector diagram of the forces shown in Fig. 5 is presented. It can be seen from the diagram that the structure takes on an equilibrium state in a situation where the projections of the excess lifting force and the dynamic wind force are equal to the line perpendicular to the tension rope from the windward side. As can be seen from the same diagram, with a constant excess lifting force, in order to reduce the angle of inclination of the rope from the windward side, an ever greater dynamic force is required with decreasing angle. So, when the vertical position of the rope is quite small dynamic force, and at an angle of 45 degrees to the horizontal, as shown in figure 1, requires a dynamic load equal to the excess lifting force. Thus, the construction described above will occupy a stable vertical position up to a wind of 30 m / s. With further strengthening of the wind, the structure will begin to shift from the vertical in the direction of the wind. However, as can be seen from the diagram in figure 5 and as the calculations show, at an angle of 30 degrees, a dynamic force is required, 1.73 times higher than the excess lifting force. For the example given in the description of the invention, this should be a wind of 52 m / s (187 km / h). Such winds are extremely rare, although the safety factor of the cable system and the excess pressure in the bearing shell allow the structure to easily withstand such wind loads. A special effect of stability is given by ropes based on synthetic fibers. They have almost the same tensile strength as steel, but they are much lighter. This allows under similar conditions to have a large excess lift. It should be noted the stability of the proposed design and against earthquakes.
Полезную нагрузку можно привязывать на весу к узлу подвижных блоков 2, а также можно располагать на грузовой площадке 5 (фиг.1). Грузовую площадку 5 можно размещать на легкой ажурной конструкции, связанной с узлом подвижных блоков 2, а можно использовать для удержания грузовой площадки избыточную силу в несущей оболочке. Так, для принятой в расчетах полезной нагрузки в 100 т и избыточном давлении 100 мм водяного столба (0,01 кг/см2) требуется опорная площадка размером 1000 м2. Это площадка 33х33 м при диаметре несущего шара 124 м. Более удобной для размещения и крепления грузовой площадки представляется схема с размещением узла подвижных блоков на вершине несущего шара.The payload can be tied by weight to the node of the
С целью достижения большей высоты, которая ограничена для конструкции, изображенной на фиг.1, разрывным усилием каната, предлагается многоярусная конструкция, показанная на фиг. 6. Такие конструкции можно изготавливать высотой до нескольких километров. Конструкция представляет собой правильную пирамиду, в основании которой лежит правильный многоугольник, например квадрат или шестиугольник. Узел подвижных блоков такой конструкции должен связывать свою несущую оболочку (шар) 1 как с нижним, так и с верхним ярусами. С этой целью узел подвижных блоков снабжается второй системой блоков, связываемых с верхним ярусом и которые получаются при зеркальном отражении вверх узла, изображенного на фиг.3. Для увеличения устойчивости против ветровых нагрузок данная модель может снабжаться второй привязной системой, аналогичной первой, но имеющей меньший угол наклона к горизонтали. На фиг.6 она изображена пунктирной линией. Вторая привязная система получается, когда канат от нижнего яруса к верхнему ярусу протягивается не до ближайшего шара 1, как в первой привязной системе, а до следующего на данном ярусе. Вторая привязная система проходит через те же узлы подвижных блоков, что и первая система. Для этого подвижные блочные узлы снабжаются еще двумя уровнями блоков. Для конструкции, изображенной на фиг. 6, имеющей для первой привязной системы угол 45 градусов, вторая привязная система будет иметь угол к горизонтали порядка 20-ти градусов. Это делает конструкцию исключительно устойчивой против ветровых нагрузок, а большое количество шаров 1, в свою очередь имеющих много съемных элементов, делает конструкцию очень надежной. Эта конструкция может нести полезные нагрузки в сотни и тысячи тонн. In order to achieve a greater height, which is limited for the structure shown in FIG. 1, by the breaking strength of the rope, a multi-tiered structure is shown as shown in FIG. 6. Such designs can be made up to several kilometers high. The design is a regular pyramid, at the base of which lies a regular polygon, such as a square or hexagon. A node of movable blocks of such a design must bind its bearing shell (ball) 1 with both the lower and upper tiers. To this end, the node of the moving blocks is equipped with a second system of blocks connected to the upper tier and which are obtained by mirroring upwards the node shown in Fig. 3. To increase stability against wind loads, this model can be equipped with a second tethered system, similar to the first, but having a smaller angle of inclination to the horizontal. In Fig.6 it is depicted by a dashed line. The second tethered system is obtained when the rope from the lower tier to the upper tier extends not to the nearest ball 1, as in the first tethered system, but to the next on this tier. The second tethered system passes through the same nodes of the moving blocks as the first system. For this, movable block units are equipped with two more levels of blocks. For the structure shown in FIG. 6, having an angle of 45 degrees for the first tethered system, the second tethered system will have an angle to the horizontal of the order of 20 degrees. This makes the structure extremely stable against wind loads, and a large number of balls 1, which in turn have many removable elements, makes the structure very reliable. This design can carry payloads of hundreds and thousands of tons.
Необходимо отметить, что устойчивость предлагаемых конструкций против ветровых нагрузок возрастает с увеличением диаметра используемых в конструкции несущих шаров. Объем шара, а следовательно, и подъемная сила несущего шара 1 зависит от диаметра в кубической зависимости, площадь же, а следовательно, и динамическая ветровая нагрузка имеют квадратичную зависимость от диаметра. При увеличении диаметра шара в два раза подъемная сила возрастает в восемь раз, а ветровая нагрузка - в четыре раза. Предлагаемая конструкция при высоте, сопоставимой с известными башнями, просто очевидна своей многократно меньшей стоимостью. В предлагаемых конструкциях отсутствуют дополнительные затраты бетона на привязные системы, сопоставимые по весу с величиной избыточной подъемной силы и ветровых нагрузок. Достаточно привязную систему закрепить к бетонным лоткам, глубоко зарытым в землю. It should be noted that the stability of the proposed structures against wind loads increases with increasing diameter of the bearing balls used in the design. The volume of the ball, and therefore the lifting force of the bearing ball 1, depends on the diameter in cubic dependence, the area, and therefore the dynamic wind load, have a quadratic dependence on the diameter. When the diameter of the ball is doubled, the lift increases eight times, and the wind load increases four times. The proposed design at a height comparable to the known towers, is simply obvious for its many times lower cost. In the proposed designs, there is no additional cost of concrete for tie systems, comparable in weight to the amount of excess lifting force and wind loads. It is enough to fasten the tethered system to concrete trays deeply buried in the ground.
Предлагаемая конструкция обладает высокой ремонтопригодностью, так как все виды ремонтов можно производить без ее опускания на землю. Так, замена изношенной съемной несущей полости практически совершенно не отразится на грузоподъемности конструкции. Для замены каната 4, выполненного в виде кольца, достаточно разъединить кольцо, к одному концу изношенного каната присоединить новый канат, а за другой конец изношенного каната потянуть и изношенный канат сойдет со своих блоков, протянув за собой на свое место новый канат, которому необходимо только соединить концы. При этом надежность привязной системы будет обеспечиваться другими канатами, выполненными в виде кольца и расположенными в эквидистантных поверхностях. The proposed design has high maintainability, since all types of repairs can be made without lowering it to the ground. So, replacing a worn-out removable bearing cavity will practically not affect the carrying capacity of the structure. To replace the
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001118118A RU2214346C2 (en) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | Captive balloon |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2001118118A RU2214346C2 (en) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | Captive balloon |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2001118118A RU2001118118A (en) | 2003-07-27 |
| RU2214346C2 true RU2214346C2 (en) | 2003-10-20 |
Family
ID=31988231
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2001118118A RU2214346C2 (en) | 2001-06-29 | 2001-06-29 | Captive balloon |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2214346C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111547221A (en) * | 2020-04-15 | 2020-08-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | Non-forming distribution method for stratospheric airship |
-
2001
- 2001-06-29 RU RU2001118118A patent/RU2214346C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111547221A (en) * | 2020-04-15 | 2020-08-18 | 中国科学院空天信息创新研究院 | Non-forming distribution method for stratospheric airship |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6224015B1 (en) | Aerial cableway leading to an aerostatic airborne body | |
| US20070102570A1 (en) | Aircraft | |
| AU2012229599B2 (en) | Airborne platform | |
| CA2755046A1 (en) | Method and arrangement for transporting elongated, bulky loads | |
| CN1118414C (en) | Launching of high altitude airships | |
| ITMI20091340A1 (en) | PERFORMED AUTOSTABLE BALLOON AND RELATIVE INVOLVATION AND RECOVERY SYSTEM | |
| CN102939239A (en) | Airborne elevator apparatus | |
| US11618589B2 (en) | Anchoring platform for captive lighter-than-air aircraft | |
| US20090184196A1 (en) | Wide area aerial crane system | |
| ES2431070T3 (en) | Installation of wind turbine generator by airship | |
| RU2214346C2 (en) | Captive balloon | |
| WO2003097450A1 (en) | Air transportation apparatus | |
| RU2174482C2 (en) | Nonballast airship | |
| RU2201379C2 (en) | Aerostatic apparatus | |
| CN107697315B (en) | Buoyancy transfer method applied to large airship load transfer | |
| CN104343251A (en) | Sky plaza | |
| CN207956023U (en) | Floating load carrier | |
| PT108532A (en) | MULTIFUNCTIONAL AIR TRANSPORT SYSTEM | |
| RU2005649C1 (en) | Serpent-like aircraft | |
| RU2612492C1 (en) | Terrestrial aeronautical wind turbine generator | |
| CN218563182U (en) | Floating sightseeing amusement facility | |
| CN109703795B (en) | Stratospheric probe | |
| CN106654519A (en) | Arrangement structure of captive balloon-carrying antenna | |
| CN110685472A (en) | Artificial floating island | |
| RU2030309C1 (en) | Contact network for air transportation means |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20080630 |