Изобретение «Дирижабль с подъемной силой пара и комплексной электростанцией в качестве автоматической высотной многофункциональной станции» относится к летательным аппаратам, использующим для полета подъемную силу несущего газа и работу двигателей на электрической энергии, предназначено для объектов связи и размещения различных антенн беспроводной связи, ретрансляционного оборудования различных типов и назначений, для расположения оборудования для слежения за летательными объектами, размещения фотоаппаратуры для съемок местности и другого аналогичного оборудования.The invention “An airship with a lifting force of steam and an integrated power plant as an automatic high-altitude multifunctional station” relates to aircraft using the lifting force of a carrier gas and the operation of engines powered by electric energy for flight, intended for communication facilities and for placing various wireless communication antennas, relay equipment of various types and purposes, for the location of equipment for tracking aircraft, placement of cameras for shooting locations and and other similar equipment.
Известны различные виды таких аппаратов, например дирижабли с жестким, комбинированным, мягким корпусом и с силовой установкой с применением ДВС и электродвигателями. В качестве прототипа изобретения принято изобретение «Летательный аппарат на основе дирижабля с электродвигателем» (патент RU №2478518 С1, от 26.07.2011 г.). Летательный аппарат выполнен с жестким корпусом, крыльями, двигатели которого работают от электроэнергии, вырабатываемой секционной канальной ветряной электрической станцией, которую располагают в служебных помещениях-секциях, которые размещены над сквозным ветряным каналом, и от энергии аккумуляторных батарей, которые также заряжают током, вырабатываемым электрической станцией. В оборудование секции включено: ветряное колесо с горизонтальной осью вращения, промежуточные шкивы, ускоряющие скорость вращения генераторов, по меньшей мере один генератор, а также аккумуляторные батареи, мощность упомянутой электрической станции зависит от количества секций и размеров летательного аппарата, она обеспечивает упомянутые двигатели летательного аппарата и подзарядку аккумуляторных батарей. Данное изобретение принято за прототип предлагаемого изобретения. Но в нем есть определенные недостатки, увеличение мощности двигателей требует значительного увеличения размеров корпуса дирижабля, что вызывает увеличение сопротивления полету дирижабля, а значит, и уменьшение скорости полета, удорожание его изготовления и увеличение расхода материалов для изготовления корпуса дирижабля, требует больших затрат на оплату увеличенного объема несущего газа, необходимого для полета дирижабля, создает определенные сложности с его доставкой и заправкой в корпус дирижабля. Все эти недостатки исчезают полностью при использовании изобретения «Дирижабль с подъемной силой пара и комплексной электростанцией в качестве автоматической высотной многофункциональной станции».Various types of such devices are known, for example, airships with a rigid, combined, soft body and with a power plant using internal combustion engines and electric motors. As a prototype of the invention, the invention was adopted “Aircraft based on an airship with an electric motor” (patent RU No. 2478518 C1, dated July 26, 2011). The aircraft is made with a rigid body, wings, the engines of which are powered by electricity generated by a sectional channel wind power station, which is located in service rooms-sections, which are located above the through wind channel, and from the energy of the batteries, which are also charged with the current generated by the electric station. The section equipment includes: a wind wheel with a horizontal axis of rotation, intermediate pulleys accelerating the speed of rotation of the generators, at least one generator, as well as batteries, the power of the said electric station depends on the number of sections and dimensions of the aircraft, it provides the mentioned engines of the aircraft and recharging the batteries. This invention is taken as a prototype of the invention. But there are certain drawbacks in it, an increase in engine power requires a significant increase in the size of the airship’s hull, which causes an increase in flight resistance of the airship, which means a decrease in flight speed, an increase in the cost of its manufacture and an increase in the consumption of materials for the manufacture of the airship’s, require large expenses for paying for the increased the volume of carrier gas necessary for the flight of the airship creates certain difficulties with its delivery and refueling in the airship body. All these shortcomings disappear completely when using the invention "Airship with a lifting force of steam and an integrated power plant as an automatic high-altitude multifunctional station."
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Задачей предлагаемого изобретения является увеличение радиуса действия аппаратуры, установленной на многофункциональной станции дирижабля, с целью приближения ее работы к работе космических спутников связи с аналогичными задачами.The objective of the invention is to increase the range of the equipment installed on the multifunctional station of the airship, in order to bring its work closer to the work of space communication satellites with similar tasks.
Общеизвестно, что на высоте 20-25 километров существуют постоянные воздушные потоки с достаточно небольшой скоростью, что дает возможность размещения в них дирижабля с многофункциональной станцией и воздушными винтами, которые используют электрическую энергию для своей работы. При расположении дирижабля входным соплом навстречу ветру, уменьшают сопротивление движению дирижабля, воздушные винты, расположенные на станции, обеспечивают ему возможность поддерживать скорость полета, равную скорости воздушных потоков. Это позволяет многофункциональным станциям работать на одном месте, как аналогичные космические спутники связи, и значительно увеличить радиус действия их аппаратуры. В отличие от космических спутников автоматические высотные многофункциональные станции требуют значительно меньших материальных, денежных ресурсов и трудозатрат для их изготовления и эксплуатации, обеспечивают экологическую безопасность их функционирования, способствуют развитию и удешевлению связи и всех остальных вышеуказанных направлений работы многофункциональных станций. Заявленный технический результат достигают тем, что в качестве несущего газа используют водяной пар, получаемый нагревом воды в корпусе дирижабля электронагревателями. Этим дирижабль обеспечивают дешевой, технологически легко получаемой и изменяемой подъемной силой. Температуру пара внутри корпуса дирижабля регулируют терморегуляторами, что позволяет целенаправленно управлять его подъемной силой за счет снижения или повышения температуры в отдельных отсеках корпуса. Электрооборудование дирижабля и аппаратуру многофункциональной станции снабжают электроэнергией ветряная и солнечная части комплексной электростанции, расположенные внутри корпуса дирижабля и на внешней защитной обшивке его мягкого корпуса, с помощью проводов. Наличие ветряной и солнечной частей на дирижабле в составе комплексной электростанции увеличивает ее мощность, обеспечивая работу двигателей воздушных винтов, для нахождения его на одном месте в атмосфере. Корпус дирижабля представляет из себя сборный цилиндр, который начинают и заканчивают одинаковыми входным и выходным соплом с диаметром, равным диаметру этого цилиндра, что также обеспечивает нахождение многофункциональной станции на одном месте, уменьшает сопротивление воздушного потока полету дирижабля и обеспечивает максимальную скорость воздушному потоку в сквозном ветряном канале ветряной части комплексной электростанции. Сопла соединяют проходящим внутри корпуса дирижабля теплоизолированным сквозным ветряным каналом с помещениями-секциями ветряной части комплексной электростанции, их располагают внутри корпуса дирижабля. Это уменьшает сопротивление полету дирижабля и обеспечивает работу ветряной части комплексной электростанции. Корпус дирижабля мягкий сборный теплоизолированный со стороны наружной атмосферы. Он состоит из сегментов, которые собирают из отдельных отсеков, их большое количество увеличивает безопасность эксплуатации многофункциональной станции при возможных незначительных повреждениях корпуса. Под корпусом дирижабля, в его центре, располагают автоматическую многофункциональную станцию в форме корпуса самолета с воздушными винтами на крыльях, выбранная для нее форма корпуса снижает сопротивление воздушных потоков при его полете. Ее крепят к корпусу дирижабля с помощью крепежных лент. В ней размещают силовую установку для работы воздушных винтов, инвертор, преобразователь постоянного тока в переменный и необходимую для работы станции аппаратуру. Управляют многофункциональной станцией автоматически, с помощью компьютера на борту станции и с земли.It is well known that at an altitude of 20-25 kilometers there are constant air flows with a fairly low speed, which makes it possible to place an airship in them with a multifunctional station and propellers that use electrical energy for their work. When the airship is positioned with the inlet nozzle facing the wind, the airship’s movement resistance is reduced, the propellers located at the station provide it with the ability to maintain a flight speed equal to the speed of air flows. This allows multifunctional stations to work in one place, like similar space communications satellites, and significantly increase the range of their equipment. In contrast to space satellites, automatic high-altitude multifunctional stations require significantly less material, financial resources and labor costs for their manufacture and operation, ensure the environmental safety of their functioning, and contribute to the development and cheapening of communication and all other areas of multifunctional stations mentioned above. The claimed technical result is achieved by the fact that as the carrier gas, water vapor is used, obtained by heating water in the airship body by electric heaters. This provides the airship with cheap, technologically easy to obtain and variable lift. The temperature of the steam inside the airship’s body is controlled by temperature regulators, which makes it possible to purposefully control its lifting force by lowering or raising the temperature in individual sections of the airship. The electric equipment of the airship and the equipment of the multifunctional station supply electric power to the wind and solar parts of the integrated power station located inside the airship’s body and on the external protective casing of its soft body using wires. The presence of wind and solar parts on the airship as part of an integrated power plant increases its power, ensuring the operation of propeller engines to find it in one place in the atmosphere. The airship body is a prefabricated cylinder, which starts and ends with the same inlet and outlet nozzle with a diameter equal to the diameter of this cylinder, which also ensures that the multifunctional station is in one place, reduces airflow resistance to the airship’s flight and ensures maximum airflow speed in a through wind channel of the wind part of an integrated power plant. The nozzles are connected by a thermally insulated through wind channel passing inside the airship’s hull with the sections of the wind section of the integrated power plant, and they are located inside the airship’s hull. This reduces the flight resistance of the airship and ensures the operation of the wind part of the integrated power plant. The airship body is soft, prefabricated, insulated from the outside atmosphere. It consists of segments that are assembled from separate compartments, their large number increases the safety of operation of a multifunctional station with possible minor damage to the hull. Under the airship’s casing, in its center, there is an automatic multifunctional station in the form of an airplane’s hull with propellers on the wings, the shape of the hull chosen for it reduces the airflow resistance during its flight. It is attached to the airship body using fixing tapes. A power plant for operating propellers, an inverter, a DC-to-AC converter and the equipment necessary for the operation of the station are placed in it. Manage a multifunctional station automatically, using a computer on board the station and from the ground.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Корпус дирижабля в заявленном изобретении мягкий сборный и состоит из двух видов сегментов, которые называют концевые и внутренние. Сегмент - это часть корпуса дирижабля, ограниченная одним поперечным сечением, это концевой сегмент с входным или выходным соплом, и двумя поперечными сечениями, это внутренний сегмент. Они имеют одинаковые диаметры, и их собирают из отдельных отсеков. Количество отсеков во всех сегментах равно шести. Во внутреннем сегменте, это нижний, самый маленький по объему отсек, средний, который располагают под сквозным ветряным каналом и помещениями-секциями ветряной части комплексной электростанции, два боковых сегмента, их располагают с обеих сторон ветряного канала и помещений-секций, средний, его располагают над ветряным каналом и помещениями-секциями, и верхний. В том же порядке располагают отсеки в концевых сегментах. Отсеки изготавливают из общеизвестной прочной водонепроницаемой синтетической морозоустойчивой и теплоустойчивой, интервал температур составляет от минус 100 до плюс 200 градусов по Цельсию, ткани, общеизвестным способом. Они оборудованы шлангами с обратными клапанами для заливки воды в отсеки. С наружной атмосферной стороны отсеки теплоизолируют общеизвестной многослойной пленочной теплоизоляцией, собирают отсеки в сегменты, общеизвестным способом, так чтобы они внутри сегмента соприкасались неизолированными поверхностями, а снаружи их закрепляют, общеизвестным способом, внешней защитной обшивкой мягкого корпуса дирижабля. Ее же используют и для сборки, общеизвестным способом, сегментов в единый корпус дирижабля. После сборки сегментов в единый корпус дирижабля все отсеки заполняют водой. Общеизвестно, что при кипячении одного объема воды, при нормальном атмосферном давлении, получают около 1600 объемов водяного пара и, следовательно, необходимые объемы воды легко рассчитывают. При заливке воды в отсеки самый минимальный объем воды заливают в нижний отсек сегмента. От входного сопла концевого сегмента до выходного сопла, по центру корпуса дирижабля, проходит сквозной ветряной канал. Он состоит из частей двух видов. Один вид, который граничит с соплом и помещениями секциями, это мягкие рукава, которые изготавливают из материала отсеков, другой вид - это помещения-секции, которые граничат только с мягкими рукавами, их герметично монтируют из плоских сборных элементов и общеизвестной фасонной соединительной арматуры, которую изготавливают из углеполимерного материала с использованием общеизвестных крепежных и изоляционных материалов. Сквозной ветряной канал и помещения-секции теплоизолируют общеизвестной многослойной пленочной теплоизоляцией и прикрепляют, с помощью растяжек, к отсекам так, чтобы между ними был воздушный промежуток. Все части обоих видов ветряного канала герметично соединяют между собой и с входным и выходным соплами, они образуют единый сквозной ветряной канал для прохождения воздушного потока. Его наличие в корпусе дирижабля снижает сопротивление движению дирижабля в полете и обеспечивает работу помещений-секций ветряной части комплексной электростанции. В состав каждого помещения-секции входят: часть сквозного ветряного канала, имеющая, в начале секции, отверстие в верхней стенке для установки ветряного колеса с горизонтальной осью вращения, расположенной перпендикулярно ветряному каналу, ветряное колесо, ускоряющие шкивы, шкивы, предназначенные для передачи вращения ветряного колеса генераторам, генераторы и аккумуляторы в количествах от одного и более и само помещение-секции над ним, которое образует с частью сквозного ветряного канала единое герметичное пространство. Ветряное колесо, верхняя половина которого расположена в помещении-секции, нижней половиной входит в часть сквозного ветряного канала. Оно получает вращение от движения ветряного потока в нем. Ветряное колесо состоит из оси и трех воздушных лопастей. Это три пластины, оканчивающиеся круглым стержнем с одной длинной стороны. Их вставляют в круглые отверстия со щелью на оси колеса, диаметр которых равен диаметру круглого стержня на длинной стороне воздушной лопасти, а ширина щели в оси равна толщине плоской части воздушной лопасти. Отверстия располагают на одном расстоянии от центра оси, под углом в 120 градусов. С торцов воздушные лопасти закрепляют, общеизвестным способом, двумя шкивами со сплошными стенками, диаметр которых равен диаметру ветряного колеса. В помещениях-секциях располагают также ускоряющие шкивы, связанные со шкивами ветряного колеса, и шкивы, которые передают вращение генераторам, их располагают в этих же помещениях-секциях вместе с аккумуляторами, в количествах от одного и более. Все шкивы связаны между собой кинематически, их оси, включая ось ветряного колеса, оборудуют подшипниками. Солнечную часть комплексной электростанции, ее гибкие фотоэлементы размещают, общеизвестным способом, на защитной обшивке мягкого корпуса дирижабля Электрический ток, который вырабатывают генераторы ветряной части и гибкие фотоэлементы солнечной части комплексной электростанции, через инвертор, находящийся в помещении автоматической многофункциональной станции, направляют на обеспечение работы аппаратуры станции, работы нагревателей для получения пара, работы другого оборудования дирижабля и зарядку аккумуляторов. В качестве несущего газа в предлагаемом изобретении используют водяной пар, который получают путем нагрева воды в отсеках мягкого корпуса дирижабля электронагревателями. Они представляют из себя общеизвестные нагревательные элементы, которые заключают в герметичные круглые плоские электроизоляционные корпуса с хорошей теплопроводимостью. Эти корпуса прикрепляют к плоским частям внутри защитных полусфер, изготовленных из теплоизоляционного материала с отверстиями на их выпуклых частях, которые обеспечивают свободный доступ воде и пару к нагревательным элементам, но препятствуют прямому контакту нагревательных элементов с мягкой оболочкой корпуса дирижабля. Электронагреватели располагают на нижней и боковых стенках отсеков. Максимальное количество нагревателей располагают в нижнем отсеке на нижней стенке отсека, что позволяет использовать температуру пара нижнего отсека для поднятия температуры в вышележащих отсеках. Температуру в отсеках регулируют общеизвестными терморегуляторами, диапазон регулирования от 0 до 200 градусов по Цельсию. Меняя температуру в симметричных по отношению к центру корпуса дирижабля отсеках, можно регулировать его подъемную силу, за счет остывания пара и превращения его в воду, и наоборот. Все электрооборудование дирижабля и аппаратуру многофункциональной станции снабжают электроэнергией ветряная и солнечная части комплексной электростанции. Дирижабль начинают и заканчивают концевыми сегментами, у которых входное и выходное сопло одинаковые, их диаметры равны диаметру поперечного сечения корпуса дирижабля, так что корпус дирижабля представляет из себя цилиндр со сквозным отверстием. Оба сопла соединены проходящими внутри, по центру его корпуса, теплоизолированными сквозным ветряным каналом с помещениями-секциями ветряной части комплексной электростанции. Размеры мягкого корпуса дирижабля зависят от необходимой мощности комплексной электростанции. Всю аппаратуру многофункциональной станции, инвертор, силовую установку с воздушными винтами для полетов располагают на герметичной многофункциональной станции, которую изготавливают из углеполимерного материала общеизвестным способом изготовления корпуса самолета. Ее помещают под центром корпуса дирижабля и крепят к нему, общеизвестным способом, углеполимерными крепежными лентами. Она имеет форму самолета с крыльями, оборудованными воздушными винтами и сигнальными огнями, с размерами, которые обеспечивают размещение на ней необходимой аппаратуры. Управление многофункциональной станцией осуществляют с помощью компьютера на ее борту и с пункта управления на земле.The airship body in the claimed invention is soft prefabricated and consists of two types of segments, which are called end and internal. A segment is a part of the airship body limited by one cross section, it is an end segment with an inlet or outlet nozzle, and two cross sections, this is the inner segment. They have the same diameters and are assembled from separate compartments. The number of compartments in all segments is six. In the inner segment, this is the lower, smallest compartment in volume, the middle one, which is located under the through wind channel and the section rooms of the wind part of the integrated power station, two side segments, they are located on both sides of the wind channel and the section rooms, the middle one, it is located above the wind channel and section rooms, and the upper one. The compartments are placed in the same order in the end segments. The compartments are made of a well-known durable waterproof synthetic frost-resistant and heat-resistant, the temperature range is from minus 100 to plus 200 degrees Celsius, fabrics, in a well-known manner. They are equipped with hoses with check valves for filling the water in the compartments. From the outside atmospheric side, the compartments are thermally insulated with a well-known multilayer film thermal insulation, the compartments are assembled into segments in a well-known manner, so that they are in contact with non-insulated surfaces inside the segment, and outside, they are fixed, in a well-known way, with the outer protective casing of the soft airship body. It is also used for assembling, in a well-known way, segments in a single airship body. After assembling the segments into a single airship body, all compartments are filled with water. It is well known that when boiling one volume of water, at normal atmospheric pressure, about 1600 volumes of water vapor are obtained and, therefore, the required volumes of water are easily calculated. When pouring water into the compartments, the smallest amount of water is poured into the lower compartment of the segment. From the inlet nozzle of the end segment to the outlet nozzle, a through wind channel passes through the center of the airship body. It consists of two parts. One view, which borders the nozzle and the rooms in sections, is soft sleeves that are made of material from the compartments, the other view is room-sections that border only soft sleeves, they are hermetically mounted from flat prefabricated elements and well-known shaped fittings, which made of carbon polymer material using well-known fasteners and insulation materials. The through wind channel and room sections are thermally insulated with the well-known multilayer film thermal insulation and are attached, using stretch marks, to the compartments so that there is an air gap between them. All parts of both types of the wind channel are hermetically connected to each other and with the inlet and outlet nozzles, they form a single through wind channel for the passage of air flow. Its presence in the airship body reduces the resistance to the movement of the airship in flight and ensures the operation of rooms-sections of the wind part of a complex power plant. Each room-section includes: a part of the through wind channel, having, at the beginning of the section, an opening in the upper wall for installing a wind wheel with a horizontal axis of rotation perpendicular to the wind channel, a wind wheel, accelerating pulleys, pulleys designed to transmit the rotation of the wind wheels to generators, generators and accumulators in quantities of one or more, and the room section itself above it, which forms a single tight space with a part of the through wind channel. The wind wheel, the upper half of which is located in the room-section, the lower half is part of the through wind channel. It receives rotation from the movement of the wind flow in it. The wind wheel consists of an axis and three air blades. These are three plates ending with a round shaft on one long side. They are inserted into round holes with a slit on the axis of the wheel, the diameter of which is equal to the diameter of a round rod on the long side of the air blade, and the width of the gap in the axis is equal to the thickness of the flat part of the air blade. The holes are located at the same distance from the center of the axis, at an angle of 120 degrees. At the ends, the air blades are fixed, in a generally known manner, by two pulleys with solid walls, the diameter of which is equal to the diameter of the wind wheel. Accelerating pulleys associated with the pulleys of the wind wheel and pulleys that transmit the rotation to the generators are also located in sections, and they are located in the same rooms-sections together with batteries, in quantities of one or more. All pulleys are kinematically connected, their axes, including the axis of the wind wheel, are equipped with bearings. The solar part of the integrated power plant, its flexible photocells are placed, in a well-known manner, on the protective sheathing of the soft airship casing. The electric current generated by the wind part generators and flexible solar cells of the solar part of the integrated power plant is directed through the inverter located in the premises of the automatic multifunctional station to ensure the operation of the equipment stations, the operation of heaters to produce steam, the operation of other airship equipment and the charging of batteries. In the present invention, water vapor is used as a carrier gas, which is obtained by heating water in the compartments of the soft airship casing with electric heaters. They are well-known heating elements that are enclosed in sealed round flat electrical insulating housings with good heat conductivity. These cases are attached to flat parts inside protective hemispheres made of heat-insulating material with holes on their convex parts, which provide free access to water and steam to the heating elements, but prevent direct contact of the heating elements with the soft shell of the airship. Electric heaters are located on the bottom and side walls of the compartments. The maximum number of heaters is located in the lower compartment on the lower wall of the compartment, which allows the steam temperature of the lower compartment to be used to raise the temperature in the overlying compartments. The temperature in the compartments is regulated by well-known temperature regulators, the control range is from 0 to 200 degrees Celsius. By changing the temperature in the compartments that are symmetrical with respect to the center of the airship body, one can regulate its lift by cooling the steam and turning it into water, and vice versa. All electric equipment of the airship and the equipment of the multifunctional station supply the wind and solar parts of the integrated power station with electric power. The airship begins and ends with end segments, in which the input and output nozzles are the same, their diameters equal to the diameter of the cross section of the airship body, so that the airship body is a cylinder with a through hole. Both nozzles are connected passing inside, in the center of its body, thermally insulated through a wind channel with rooms-sections of the wind part of a complex power plant. The dimensions of the soft airship hull depend on the required power of the integrated power plant. All the equipment of a multifunctional station, an inverter, a power plant with propellers for flights are located on a sealed multifunctional station, which is made of carbon-polymeric material by the well-known method of manufacturing an airplane body. It is placed under the center of the airship’s hull and attached to it, in a well-known manner, with carbon-polymer fastening tapes. It has the shape of an airplane with wings equipped with propellers and signal lights, with dimensions that ensure that the necessary equipment is placed on it. The multifunctional station is controlled by a computer on its board and from a control point on the ground.