Аеростатичний апарат

Аеростатичний апарат, який містить заповнену газом оболонку, впускний та випускний клапани, систему керування, стабілізатор і прив'язний трос, який відрізняється тим, що всередині оптично 33790 зовнішнім покриттям для відбору та використання тепла сонячної енергії з метою утворення тяги. Канал має вхідний пристрій з впускним клапаном і сопло з випускним клапаном, яке звернене в сторону стабілізатора, для направлення утвореної в прямотечійному каналі тяги, організації утилізації стравленого з оболонки газу. Зовнішнє покриття каналу має коефіцієнт поглинання, близький до одиниці, при тепловій випромінювальній здатності, близький до нуля, для максимального використання енергії сонячного випромінювання та утворення тяги. Оболонка складається з окремих лінзових елементів, виконаних як одне ціле, фокуси яких, для максимальної концентрації променевої енергії на зовнішньому покритті каналу та найбільш повному її використанню для утворення тяги у пристрої, розташовані на зовнішньому покритті. Відрізняльні ознаки винаходу є загальними суттєвими ознаками, необхідними та достатніми для отримання технічного результату і досягнення поставленої задачі. На фіг. 1 схематично показано загальний вигляд пристрою, на фіг. 2 показано виконання прозорої оболонки з лінзових елементів. Аеростатичний апарат містить заповнену газом оболонку 1 з оптично-прозорого матеріалу, наприклад поліетілентерефталата. В середині оболонки 1 по горизонтальній осі 2, яка проходить через центр ваги апарату, встановлено прямотечійний канал 3 з теплопровідними стінками, який містить зовнішнє покриття 4. Прямотечійний канал 3 включає вхідний пристрій 5, з'єднаний з впускним клапаном 6, і сопло 7, що містить на вході випускний клапан 8. Сопло 7 звернено в сторону стабілізатора 9. Зовнішнє покриття 4 прямотечійного каналу 3 виконано із матеріалу на основі Аl, Ni, Ag, що має коефіцієнт поглинання, близький до 1, а теплова випромінювальна здатність близька до 0. Оптично-прозора оболонка 1 складається з окремих лінзових елементів 10, виконаних як одне ціле. При цьому фокуси, лінзових елементів 10 знаходяться на зовнішньому покритті 4 прямотечійному каналі 3. Місце з'єднання оболонки 1 з прямотечійним каналом 3 загерметизовано переходниками 11, які виконані з теплоізолюючого матеріалу, наприклад, фторопласту. Для фіксації відносно землі аеростатичний апарат оснащено прив'язним тросом 12. Система керування аеростатичного апарату містить систему датчиків, мікропроцесор та блок живлення (на фіг. 1 не показано). Пристрій працює у такий спосіб. Аеростатичний апарат, зафіксований відносно землі прив'язним тросом 12 завдяки наявності стабілізатора 9 завжди виявляється орієнтованим назустріч повітряному потоку. При наборі висоти за сигналом датчиків системи керування відбувається відкривання впускного клапану 6. Оболонка заповнюється газом при закритому випускному клапані 8 прямотечійного каналу 3. Надходження через вхідний пристрій 5 потоку повітря призводить до збільшення тиску в прямотечійному каналі 3. Одночасно в прямотечійному каналі 3 відбувається нагрівання надходжуючого повітряного потоку підводом тепла через теплопровідну стінку від сконцентрованої лінзовими елементами 10 на зовнішньому покритті 4 прямотечійному каналі 3 енергії. Нагрітий повітряний потік, прискорюючись у прямоточному каналі 3, через сопло 7 витікає, утворюючи при цьому тягове зусилля, доста тнє для протидії набігаючому повітряному потоку. В той час, коли тиск в оболонці перебільшить розрахунковий, при знаходженні аеростату на заданій висоті, за сигналом з датчиків системи керування відкривається випускний клапан 8. Для зниження тиску газ із оболонки 1 стравлюється, утворюючи додаткову тягу. Приклад розрахунку тягового з усилля прямоточного каналу в середині аеростатичного апарату. Рівень тяги, що утворюється прямоточним каналом 3 є достатнім для протидії вітровим навантаженням, діючим на аеростатичний апарат. Завдяки тому, що швидкість вітру в атмосфері з імовірністю 50% на висотах 20-25 км становить менше 15 м/с [5], при густині атмосфери на цих же висотах - 0,0927-0,042 кг/м 3 [5, 6], то потужність набігаючого потоку на 1 м 2 міделя апарату становить відповідно 0,314-0,142 кВт. В той же час при густині потоку сонячних променів від 0,5 до 1,4 кВт/м 2 [5, 7, 9] та ККД використання потоку сонячної енергії у прямоточному каналі рівним 0,35 [8, 9], потужність тягового зусилля становить 0,175-0,49 кВт/м 2 міделя апарату. Величину тягового зусилля прямоточного каналу можна розрахува ти так. Термічний ККД сонячного колектора [9] можна обчислити за формулою hтерм = é ù Q Q = f ê( ta) Tср - Tокр ú Qk Qk ë û ( ) де- QK - інтенсивність падаючої сонячної енергії (приймаємо QK=1000 Вт/м 2); Q - енергія , яка передається повітрю у каналі; f - коефіцієнт ефективності передачі тепла від нагрітої поверхні до газу (повітря) (f~0,86-0,9); t - коефіцієнт, що враховує втрати в оптично-прозорих покриттях ; a - коефіцієнт поглинання сонячного випромінювання; Q коефіцієнт теплових витрат (- 3,6 Вт/м 2 град); Тcр середня температура газу у каналі. При різниці температур Тср-Токр = 50°С, hтерм =68%. Нехай потужність потоку сонячної енергії на поверхню, що нагрівається, прямоточного каналу становить Nпов=28 кВт, тоді потужність, що передається потоку повітря N=Nпов.×hтерм.= 28.0,68=19 кВт=4,55 ккал/с. Якщо уявити канал як циліндричну тр убу з еквівалентним діаметром Dекв=0,64 м і гідравлічним радіусом rгідр.=Dекв/4 =0,16 м, то для прийнятої швидкості польоту 15 м/с і ламінарної області течії [10, 11] швидкість потоку на вході в канал становить - 10 м/с, середня швидкість в каналі буде рівною 2/3 від максимальної, а розподіл швидкостей буде параболічним. Звідки находимо, що швидкість потоку в каналі становить vср=6,67 м/с. Якщо прийняти температуру повітря, що входить в канал, рівною 25°С, то вагові виграти потоку повітря через канал при зовнішньому атмосферному тиску становлять G= 2 pD 2екв × vсрf = 2,54 кг / с 4 33790 а питомий тепловідвод Q уд = ресурсів та розширення його тактико-технічних можливостей і, відповідно, має підвищену маневреність та надійність. Джерела інформації. 1. В. Г. Броуде. Воздухоплавательные летательные аппараты. - М.: Ма шиностроение, 1976. 2. К. Е. Вейгелин. Очерки по истории летного дела. - М., Оборонгиз, 1940. 3. Патент США № 3993269. 4. Патент США № 4125233. 5. B. П. Бурдаков, Ю. И. Данилов. Физические проблемы космической тяговой энергетики. - М.: Атомиздат, 1969. 6. Г. Эберт. Краткий справочник по физике. М.: Изд-во. физико-математической литературы, 1963. 7. Свен Уделл. Солнечная энергия и другие альтернативные источники энергии. - М.: Изд. Знание, 1980. 8. Г. Н. Абрамович. Прикладная газовая динамика. - М.: Наука, 1976. 9. Д. Мак-Вейг. Применение солнечной энергии. - М.: Энергоиздат, 1981. 10. Аэродинамика. / Под ред. В.Ф. Дюранда. М.: Оборонгиз, 1940. - Т. 6. 11. Современное состояние гидроаэродинамики вязкой жидкости. / Под ред. С. Гольдштейна. - М.: Госиздатдат иностранной литературы, 1946. Т. 1. N = 1,8 ккал/кг G При повному розширенні в каналі [8] A( v ср ) 2 2g + Q уд = A( v вых ) 2 2g звідки vвых=124 м/с. Величина тяги без урахування витрат теплоти становить F = m( vв ых - vв х ) = 2,54 (124 - 15) = 28,8 кг 9,8 Таким чином, зменшення впливу повітряних потоків на оболонку аеростату знижує навантаження на прив'язний трос, збільшуючи при цьому надійність його роботи, що дозволяє використовувати апарат для більшого діапазону висот. Наявність жорсткого прямотечійного каналу всередині оболонки підвищує механічну міцність апарату, що також підвищує його надійність. Крім того, викид тепла, що надходить у канал з оболонки, дозволяє зменшити інтервал підіймальної сили аеростату при переході від денного до нічного часу та знизити непродуктивні витрати баласту газу, збільшивши термін безвідказної роботи аеростата. Таким чином, пропонований аеростатичний апарат має підвищену тягоспроможність за рахунок використання зовнішніх масо-енергетичних Фіг. 1 3 33790 Фіг. 2 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4