RU2457149C2 - Термобалансируемый дирижабль - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области воздухоплавания. Дирижабль содержит заполненную гелием верхнюю жесткую оболочку, маршевый двигатель-движитель, гондолу, солнечные батареи на верхней теплопроводящей оболочке, которая снизу отделена посредством эластичной теплоизолирующей перегородки от нижней мягкой эластичной оболочки, заполненной подогреваемым воздухом при атмосферном давлении. Система создания подъемной силы включает верхнюю оболочку, ресивер-теплообменник, тепловой насос, компрессор и детандер, образующие замкнутый контур. Ресивер-теплообменник размещен внутри нижней оболочки. Общий вал компрессора, детандера и силового привода теплового насоса через муфту сцепления соединен с внешним пропеллером маршевого двигателя-движителя. Силовой привод выполнен в виде обратимой электромашины или радиационно-магнитного двигателя, у которого вал ферромагнитного ротора соединен с общим валом компрессора, детандера и муфты сцепления, а статор термически связан с радиатором охлаждения. Изобретение направлено на повышение быстродействия системы создания подъемной силы. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

Description

Изобретение относится к воздухоплаванию, в частности к термобалансируемым дирижаблям, которые могут перемещаться в воздушном пространстве практически без расхода горючего.

Известен дирижабль по патенту РФ №2177894, МПК В64В 1/62, который содержит оболочку, резервуар с гелием, рули поворота, холодильники, теплообменник, гондолу, коллектор, распределительную гребенку, регулирующий кран, маршевые двигатели. Гребенка предназначена для подачи тепла обезвоженных и подогретых отходящих газов от маршевых двигателей на лобовую часть оболочки дирижабля. На оболочку нанесена гидрофобная жидкость. Тепло маршевых двигателей используется для предотвращения обледенения оболочки и не участвует в управлении подъемной силы.

Известен дирижабль, включающий гондолу, оболочку с жестким каркасом, маршевые двигатели, систему создания подъемной силы, состоящей из вихревой трубы, силовой привод в виде электродвигателя и трубопровода горячего воздуха, конец которого выведен в верхнюю часть оболочки, а в качестве реактивных двигателей применены поворотные сопла, соединенные с трубопроводом холодного воздуха вихревой трубы, при этом оболочка с жестким каркасом имеет форму шарового сегмента и на ее поверхности закреплены солнечные батареи (прототип, см. патент РФ 2300482).

Недостатком известного дирижабля является низкое быстродействие системы создания подъемной силы и небольшой энергетический КПД разделения холодного и нагретого воздуха, который слабо влияет на подъемную силу всего дирижабля.

Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы 1) повысить быстродействие системы создания подъемной силы и 2) повысить эффективность отбора и разделения тепла за счет использования тепловой и кинетической энергии атмосферного воздуха.

Заявляется:

дирижабль, содержащий верхнюю, заполненную гелием оболочку с жестким каркасом, маршевый двигатель-движитель, гондолу, систему создания подъемной силы, включающую силовой привод и трубопроводы холодного и горячего газа, солнечные батареи, размещенные на поверхности верхней оболочки, отличающийся тем, что верхняя герметичная оболочка выполнена теплопроводящей и заполнена легким несущим газом гелием, который одновременно является рабочим телом теплонасоса; верхняя оболочка отделена посредством эластичной теплоизолирующей перегородки от нижней мягкой оболочки, скрепленной с гондолой и заполненной подогреваемым воздухом при атмосферном давлении; система создания подъемной силы выполнена в виде теплового насоса замкнутого цикла повышенного давления с переключателем режимов работы и с рабочим телом из того же легкого газа гелия, которым заполнена верхняя оболочка, что обеспечено посредством соединения входного и выходного трубопроводов рабочего тела теплового насоса с верхней оболочкой геометрически в диаметрально противоположных точках для обеспечения их наибольшего удаления друг от друга; при этом оребренный ресивер-теплообменник теплового насоса размещен внутри нижней оболочки; при этом в тепловом насосе последовательно подключены: входной трубопровод - первая секция регенеративного противоточного теплообменника - радиатор охлаждения силового привода - компрессор-переключатель режимов работы в виде переключаемого вентиля - оребренный ресивер-теплообменник с управляемым редукционным клапаном - вторая секция регенеративного противоточного теплообменника - детандер, выход которого подключен также к переключаемому вентилю - выходной трубопровод теплового насоса, при этом общий вал компрессора, детандера и силового привода через муфту сцепления коробки перемены передач соединен с внешним пропеллером маршевого двигателя-движителя.

Силовой привод может быть выполнен в виде обратимой электромашины, снабженной электронной схемой управления и соединенной с аккумулятором, который запитан от солнечных батарей, размещенных на верхней оболочке дирижабля.

Также в качестве силового привода может быть установлен радиационно-магнитный двигатель Шпади по авторскому свидетельству СССР №776432, H01L 37/04, публ. 20.10.1997 г., у которого вал ферромагнитного ротора кинематически соединен с общим валом компрессора и детандера теплового насоса и муфтой сцепления автоматической коробки перемены передач, а статор термически связан с радиатором охлаждения силового привода теплового насоса.

На входном валу муфты сцепления коробки перемены передач в качестве маршевого двигателя-движителя может быть установлен винтовой пропеллер или пропеллер Шпади по патенту РФ №2330791, у последнего лопасти закреплены на ступице вала конечными участками с образованием петлеобразных лопастей и закручены вдоль оси пропеллера с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фигуре 1 представлен эскиз общего вида дирижабля с функциональной схемой теплового насоса и силового привода. На фигуре 2 показан пример применения маршевого двигателя-движителя пропеллерного типа с дополнительным приводом от радиационно-магнитного двигателя.

Предлагаемый дирижабль включает верхнюю жесткую теплопроводящую герметичную оболочку 1, например, из листового алюминия, с внутренним каркасом (на чертеже не показан), заполненную гелием. Верхняя оболочка отделена эластичной теплоизолирующей перегородкой 2 от нижней мягкой оболочки 3, заполненной атмосферным воздухом и соединенной с гондолой 4.

Система создания подъемной силы дирижабля выполнена в виде теплового насоса замкнутого цикла повышенного давления с переключателем режимов работы.

Рабочим телом теплового насоса является тот же легкий одноатомный газ гелий, которым заполнена верхняя оболочка.

Режим работы теплового насоса по схеме "замкнутого цикла повышенного давления" обеспечивает мощный поток тепла Q₁ из атмосферы (отбор тепла из атмосферы обозначен на фигуре минус Q₁) и от силового привода (минус Q₂) вовнутрь мягкой воздушной оболочки (+Q₃), величина которого в несколько раз превосходит тепловой эквивалент механической мощности силового привода теплового насоса со значительно увеличенным отопительным коэффициентом, так как показатель адиабаты одноатомных газов гораздо выше, чем у многоатомных газов, образующих воздух (см. Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики "АНТЭ-2009": материалы V Всероссийской НТК; T.1. - Казань: КГТУ, 2009. С.587). Также известны конструкции переключателей режимов работы в виде вентилей, клапанов, заслонок, обеспечивающих переключение между трубопроводами. В качестве примера можно указать на селекторный клапан, см. Воронин Г. и др. Аэродромные кондиционеры. М.: Транспорт, 1968. С.606, рис.8-37.

Узлы теплового насоса дирижабля размещены и соединены следующим образом. На одном валу с маршевым двигателем-движителем 5 через муфту сцепления 6 автоматической коробки перемены передач автомобильного типа установлены силовой привод 7, детандер 8 и компрессор 9. Оребренный ресивер-теплообменник 10 размещен над гондолой 4 в воздушном объеме нижней мягкой оболочки 3, в которой находится воздух под атмосферным давлением.

Входной 11 и выходной 12 трубопроводы рабочего тела теплового насоса соединены с полостью верхней оболочки 1 геометрически в диаметрально противоположных точках с возможностью их наибольшего удаления друг от друга, что увеличивает эффективность теплообмена гелия и воздуха атмосферы через верхнюю оболочку.

В тепловом насосе последовательно соединены входной трубопровод 11 - первая секция регенеративного противоточного теплообменника 13 - радиатор охлаждения 14 силового привода 7 теплового насоса - компрессор 9 - переключатель режимов работы в виде переключаемого вентиля 15 - оребренный ресивер-теплообменник 10 с управляемым редукционным клапаном 16 - вторая секция регенеративного противоточного теплообменника 13 - детандер 8, выход которого подключен также к переключаемому вентилю 15 - выходной трубопровод 12 теплового насоса.

Силовой привод выполнен в виде обратимой электромашины 7 с электронной схемой управления, которая соединена с аккумулятором 17, запитанным от солнечных батарей 18, расположенных на верхней жесткой оболочке 1 дирижабля. Электрическая схема и провода питания силового привода на фигуре не показаны, но возможность осуществления схемы управления показана, например, в кн. "Электрооборудование бронетанковой техники", М.: Военное изд-во МО СССР, 1976, с.88-91 - о реле стартера и реле блокировки к генератору Г. - 290.

Маршевый двигатель-движитель 5 дирижабля выполнен пропеллерного типа, например, в виде винта. В режиме ветродвигателя при вращении лопастей под воздействием ветра он обеспечивает зарядку аккумулятора 17. В режиме воздушного движителя силовой привод 7 через муфту сцепления 6 коробки перемены передач обеспечивает вращение пропеллера и создание горизонтальной тяги дирижабля.

В конструкции такого дирижабля целесообразно применение в качестве маршевого двигателя-движителя пропеллера Шпади по патенту РФ №2330791. Пропеллер имеет относительно малые вес и размер, тягу, большую в 2-2,5 раза, чем у известных винтов, высокооборотный, малошумящий. Пропеллер Шпади содержит лопасти, закрепленные на ступице приводного вала конечными участками с образованием петлеобразных лопастей и закрученные вдоль оси пропеллера с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти.

Начальный участок каждой лопасти имеет прямую саблевидность и плавно переходит в конечный участок обратной саблевидности. При двух лопастях обе лопасти образуют единую поверхность Мебиуса, и ось пропеллера находится в одной плоскости с поверхностью конечных участков обеих лопастей.

Дирижабль функционирует следующим образом.

На стоянке нижняя мягкая оболочка 3 заполнена воздухом, имеющим температуру окружающей атмосферы. Солнечные батареи 18 подают электроэнергию на аккумулятор 17, пополняя его энергозапасы, как и обратимая электромашина 7, которая при включенной муфте сцепления 6 автоматической коробки перемены передач вращается пропеллером 5 под воздействием ветрового движения атмосферы. При этом гелий практически беспрепятственно циркулирует по тепловому насосу при атмосферном давлении, минуя ресивер-теплообменник 10, который перекрыт переключающим вентилем 15 и управляемым редукционным клапаном 16. Подъемная сила гелия в верхней жесткой оболочке 1 несколько меньше необходимой силы для взлета дирижабля, так как значительная часть гелия находится под давлением в несколько атмосфер внутри ресивера-теплообменника 10.

Перед вертикальным взлетом муфтой сцепления 6 коробки перемены передач пропеллер 5 отключается, переключающий вентиль 15 соединяет компрессор 9 с ресивером-теплообменником 10, из которого сжатый гелий через радиатор охлаждения 14, противоточный теплообменник 13 и входной трубопровод 11 проникает в верхнюю жесткую оболочку 1, прогибает вниз эластичную оболочку 2 и вытесняет более тяжелый воздух из нижней мягкой оболочки 3. Дирижабль быстро взлетает, после чего муфта сцепления 6 и аккумулятор 17 подключаются к обратимой электромашине 7, которая работает в двигательном режиме, вращая общий вал детандера 8 и компрессора 9, который подает сжатый и нагревшийся гелий в ресивер-теплообменник 10.

В результате штатной работы теплового насоса этот ресивер-теплообменник подогревает воздух нижней мягкой оболочки 3 пропорционально уровню срабатывания управляемого редукционного клапана 16, а охлажденный гелий, проходящий под теплопроводящей жесткой оболочкой 1, отнимает от окружающей атмосферы соответствующее количество теплоты Q₁, которое суммируется с теплотой Q₂ радиатора охлаждения 14 и тепловым эквивалентом работы электромашины 7, так что их сумма Q₃ передается нагреваемому воздуху нижней мягкой оболочки 3.

Благодаря этому можно в широких пределах менять величину суммарной подъемной силы дирижабля за счет тепловой и кинетической энергии атмосферы, а также радиационного излучения солнца посредством солнечных батарей и радиоактивных изотопов при использовании радиационно-магнитного двигателя Шпади в качестве электромашины 7. Радиационно-магнитный двигатель Шпади содержит ротор с постоянным магнитом, ферромагнитный ротор, средства отвода тепла и систему изменения магнитных свойств ротора. Ротор выполнен стаканообразным из радиационно-чувствительного ферромагнитного материала, например феррита бария. Система изменения магнитных свойств ротора снабжена устройством для поворота ее вокруг собственной полуоси и выполнена в виде двух полуцилиндров, размещенных на общей полуоси соосно ротору, один из которых является источником радиоактивного излучения, другой радиационным экраном для радиоактивного излучения. При использовании радиационно-магнитного двигателя Шпади обеспечивается прямое преобразование энергии радиоактивного излучения различных изотопов в механическую работу силового привода и тепло, утилизируемое радиатором охлаждения 14 силового привода теплового насоса, размещенного и на статоре такого двигателя (на чертеже не показано). При этом пропеллер Шпади обеспечивает большую тягу даже на весьма высоких оборотах, характерных для этого радиационного двигателя.

Пропеллер Шпади имеет на единицу тяги малый вес, габариты, практически отсутствует кавитационный шум, вибрации, что и позволяет работать пропеллеру на высоких оборотах.

На фигуре 2 показан пример применения маршевого двигателя-движителя пропеллерного типа, например, в виде винта 19. Также показано, что в качестве силового привода может быть установлен радиационно-магнитный двигатель Шпади по авторскому свидетельству СССР №776432, позиция 20, у которого вал ферромагнитного ротора кинематически соединен с общим валом компрессора 9 и детандера 8 теплового насоса, а также муфтой сцепления 6 автоматической коробки перемены передач. При этом вращающий момент со стороны двигателя 20 может регулироваться как до реверса, так и до нуля. В последнем случае он совершенно не мешает работе электромашины 7. Поэтому каждый из силовых приводов может функционировать как основной, как резервный или совместно.

Поскольку отопительный коэффициент теплового насоса обычно изменяется в пределах 3-5 единиц, то это значит, что на 1 киловатт электрической или механической мощности силового привода нагреваемому в мягкой оболочке 3 воздуху передается от 3 до 5 киловатт тепловой мощности, что существенно, в десятки раз, превышает теплопередачу вихревой трубы прототипа. Причем использование одноатомного газа гелия позволяет в полтора-два раза повысить температуру адиабатного сжатия при одной и той же степени сжатия по сравнению с воздухом и другими двух- и многоатомными газами вроде N₂, О₂, СО₂ и т.д.

Все это обеспечивает длительный легко управляемый полет дирижабля почти без использования горючего и повышает степень его надежности и пожарной безопасности, так как у теплового насоса в принципе нет деталей с высокой температурой, а его размеры гораздо меньше, чем у вихревой трубы эквивалентной тепловой мощности.

Claims (5)

1. Термобалансируемый дирижабль, содержащий верхнюю заполненную гелием оболочку с жестким каркасом, маршевый двигатель-движитель, гондолу, систему создания подъемной силы, включающую силовой привод и трубопроводы холодного и горячего газа, солнечные батареи, размещенные на поверхности верхней оболочки, отличающийся тем, что верхняя герметичная оболочка выполнена теплопроводящей и заполнена гелием, который одновременно является рабочим телом теплонасоса; верхняя оболочка отделена посредством эластичной теплоизолирующей перегородки от нижней мягкой оболочки, заполненной подогреваемым воздухом при атмосферном давлении и скрепленной с гондолой; система создания подъемной силы выполнена в виде теплового насоса замкнутого цикла повышенного давления с переключателем режимов работы с рабочим телом из того же гелия, которым заполнена верхняя оболочка, что обеспечено посредством соединения входного и выходного трубопроводов рабочего тела теплового насоса с верхней оболочкой геометрически в диаметрально противоположных точках для обеспечения их наибольшего удаления друг от друга; оребренный ресивер-теплообменник теплового насоса размещен внутри нижней оболочки; в тепловом насосе последовательно подключены: входной трубопровод, первая секция регенеративного противоточного теплообменника, радиатор охлаждения силового привода теплового насоса, компрессор, переключатель режимов работы в виде переключаемого вентиля, оребренный ресивер-теплообменник с управляемым редукционным клапаном, вторая секция регенеративного противоточного теплообменника, детандер, выход которого подключен также к переключаемому вентилю, выходной трубопровод теплового насоса, общий вал компрессора, детандера и силового привода через муфту сцепления коробки перемены передач соединен с внешним пропеллером маршевого двигателя-движителя.

2. Дирижабль по п.1, отличающийся тем, что силовой привод выполнен в виде обратимой электромашины, снабженной электронной схемой управления и соединенной с аккумулятором, который запитан от солнечных батарей, размещенных на верхней оболочке дирижабля.

3. Дирижабль по п.1, отличающийся тем, что в качестве силового привода установлен радиационно-магнитный двигатель, у которого вал ферромагнитного ротора кинематически соединен с общим валом компрессора и детандера теплового насоса и муфтой сцепления автоматической коробки перемены передач, а статор термически связан с радиатором охлаждения силового привода теплового насоса.

4. Дирижабль по п.1, отличающийся тем, что на входном валу муфты сцепления коробки перемены передач в качестве маршевого двигателя-движителя установлен винтовой пропеллер.

5. Дирижабль по п.1, отличающийся тем, что на входном валу муфты сцепления коробки перемены передач в качестве маршевого двигателя-движителя установлен пропеллер, у которого лопасти закреплены на ступице вала конечными участками с образованием петлеобразных лопастей и закручены вдоль оси пропеллера с обеспечением плавного изменения угла атаки по всей лопасти.

Images