Літальний апарат прив’язний

Изобретение относится к области техники, занимающейся проектированием и созданием привязных летательных аппаратов. Предложенное устройство может быть использовано для подъема в атмосферу на большие высоты (например, 10-12 км) и удерживания в последующем в статическом положении материальных объектов, масса которых распределена на высоте, например, кабель теле- и радиоантенн, ретрансляторов, ветроэлектрические преобразователи и т.д. Привязные летательные аппараты существуют двух видов: легче воздуха (аэростатические) и тяжелее воздуха (аэродинамические). Привязные летательные аппараты легче воздуха (аэростаты) представляют собой оболочку (баллон), наполненную газом, плотность которого меньше плотности воздуха (водород, гелий и т.д.). Подъемная аэростатическая сила в соответствии с законом Архимеда пропорциональна объему оболочки и разности плотностей воздуха и газа. Привязные летательные аппараты тяжелее воздуха (воздушные змеи) поднимаются в воздух за счет подъемной (аэродинамической) силы, создаваемой при обтекании ветром несущего элемента, имеющего определенную аэродинамическую форму. Известны также комбинированные летательные аппараты, содержащие статическое подъемное устройство легче воздуха и динамическое подъемное устройство тяжелее воздуха, например, [1], [2]. Наиболее близким по своей сути к предлагаемому устройству является устройство под названием "Летающее крыло" [3]. Это также комбинированный летательный аппарат, но не свободный, как вышеуказанные, а привязной, т.к. подъемное устройство удерживается присоединенным к нему тросом. Основной недостаток указанных привязных летательных аппаратов состоит в том, что высота их подъема ограничивается прочностью удерживающего троса. Сила натяжения троса равна векторной сумме силы аэродинамического сопротивления на аппарат и подъемной силы, минимальное значение которой в свою очередь равно весу троса и полезной нагрузки (например, весу кабеля), Расчет показывает, что при высоте подъема равном 12-14 км вес троса (тип ЛКР) равняется разрывному усилию. Если учитывать также вес полезной нагрузки, аэродинамическое сопротивление, а также принимая во внимание коэффициент запаса, то допустимая высота подъема привязного летательного аппарата будет существенно меньшей. Задача же подъема ряда технических объектов в атмосферу на значительную высоту весьма актуальна. Задачей изобретения является создание привязного летательного аппарата, способного поднимать в верхние слои атмосферы материальные объекты, масса которых распределена по высоте. Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый привязной летательный аппарат представляет собой цепочку, расположенных по высоте двух или более гибридных (аэростатический и аэродинамических) подъемных устройств, соединяемых с привязным тросом посредством двух подвижных по углу кинематических соединений. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый привязной летательный аппарат от известного отличается тем, что состоит из цепочки расположенных по высоте двух или более подъемных устройств, обладающих аэростатическими и аэродинамическими свойствами, которые соединены с привязным тросом посредством двух подвижных по углу кинематических соединений. Таким образом, заявляемый привязной летательный аппарат соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 дан общий вид устройства; на фиг.2 - узел А на фиг.1. Заявляемый привязной летательный аппарат представляет собой цепочку вертикально расположенных аэроподъемных устройств 1, обладающих аэростатическими и аэродинамическими свойствами. Устройство 1 изготовлено из легкого и прочного материала (например, пластмассы) в виде планера летательного аппарата (например, самолета) с наличием в нем пустот 2 для заполнения их газом более легким, чем воздух. Каждое аэроподъемное устройство соединяется с привязным тросом 3 посредством двух подвижных по углу кинематических соединений 4. Один конец троса свободен, а второй закреплен на лебедке 5. Принцип действия заявляемого летательного аппарата основан на законах аэростатики и аэродинамики. При подъеме устройства и удерживании его в воздушном пространстве на него действуют следующие силы: r r аэростатическая (архимедова) сила Fa , подъемная аэродинамическая сила Y , сила лобового r сопротивления Q , сила натяжения троса S и силы G тяжести троса и полезной нагрузки (например, кабеля). Максимальное значение архимедовой силы будет у поверхности земли, где плотность воздуха наибольшая. С увеличением высоты плотность воздуха уменьшается, а следовательно, уменьшается и архимедова сила. Однако при этом возрастает скорость ветра, а значит и аэродинамическая подъемная сила. В действующих привязных летательных аппаратах привязной элемент (трос 3) наибольше нагружен в месте крепления троса r к аэроподъемному устройству. Сила натяжения троса S в этом месте больше силы веса троса, которая в свою очередь при высоте 12-14 км равна разрывному усилию троса. Это и является ограничением высоты подъема аппарата. В заявляемом привязном летательном аппарате расположение подъемных устройств цепочкой по вертикали с определенным шагом делает натяжение во всех сечениях троса существенно меньшим. Это и позволит осуществить подъем аппарата на значительную высоту. Каждое аэроподъемное устройство соединяется с привязным тросом 3 посредством двухподвижного по углу кинематического соединения 4. Это обеспечит возможность аэроподъемному устройству 1 поворачиваться вокруг оси троса 3, изменяя угол рыскания, и вокруг поперечной оси, перпендикулярной вертикальной плоскости симметрии (перпендикулярной чертежу), изменяя угол тангажа. В целом эти два угловых движения обеспечат ориентацию аэроподъемных устройств по направлению вектора скорости ветра. При этом возможна ситуация со значительными сдвигами и закрученностью по высоте ветра, вследствие чего аэроподъемные устройства на разных высотах будут направлены в разные стороны вплоть до противоположных. Движение аэроподъемного устройства по крену ограничивается натянутым тросом. Аэродинамическая эффективность работы цепочкой расположенных по высоте привязных подъемных устройств зависит от параметра густоты t = b/t, где b - средняя аэродинамическая хорда крыла, a t - шаг расположения по высоте. При большой густоте расположения подъемных устройств, когда t > 1,2, крылья подъемных устройств создают решетку профилей, которая может работать на больших углах атаки (при вертикальных порывах ветра) без возникновения срыва пограничного слоя. Такой вариант конструктивного исполнения ЛАП может быть рекомендован при использовании на местности, где нет условий и проявлений значительных градиентов скорости и различного направления вектора скорости ветра по высоте. При использовании ЛАП в условиях высокоградиентных сдвигов ветра по высоте может быть рекомендован второй вариант конструктивного исполнения ЛАП с малой густотой расположения подъемных устройств t ≤ 1,2. В этом случае предусмотренные шарнирные двухстепенные узлы закрепления подъемных устройств на тросе позволяют ориентироваться каждому из подвесных устройств по фактическому направлению вектора скорости ветра на каждой из высот. Предложенные два варианта конструктивного исполнения отличаются величиной граничной густоты расположения подъемных устройств t = 1,2, определенной на основании теории обтекания решетки профилей потоком несжимаемой жидкости [4]. Введение цепочки летательных аппаратов в работу из наземного положения осуществляется путем последовательного подъема в атмосферу одного ЛА за другим, начиная с верхнего концевого. Приземление осуществляется в обратном порядке. Перспективность данного технического решения очевидна. С его помощью представляется возможность создать теле- и радиоантенны с большим радиусом действия, отпадает необходимость строительства значительного количества ретрансляторов. Чрезвычайно важным является возможность создания ветроэлектрических станций в свободной атмосфере, где имеются значительные запасы энергии ветра.