RU40289U1 - ATTACHED AEROSTAT - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области воздухоплавания и может быть использована при создании перспективных привязных аэростатов, предназначенных, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту. Привязной аэростат содержит корпус (1), образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, по меньшей мере одним вертикальным хвостовым оперением (2) и удерживающим устройством (3). Корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла. Хвостовое оперение закреплено на задней кромке крыла. Крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку. При этом величина угла атаки крыла находится в пределах от 1 до 10 градусов. Аэростат может быть снабжен двумя хвостовыми оперениями, разнесенными относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закрепленными на его задней кромке. Конструктивные особенности предлагаемого аэростата позволяют улучшить аэродинамические и эксплуатационные характеристики.The utility model relates to the field of aeronautics and can be used to create promising tethered balloons intended for lifting apparatus and equipment to a given height. The tethered balloon contains a housing (1) formed by a gas-tight elastic shell filled with gas lighter than air, at least one vertical tail unit (2) and a holding device (3). The body is made in the form of an aerodynamic wing symmetrical with respect to a vertical plane passing through the central chord of the wing profile. The tail is mounted on the trailing edge of the wing. The wing is set at an angle of attack to the incoming flow. Moreover, the angle of attack of the wing is in the range from 1 to 10 degrees. The balloon can be equipped with two tail units, spaced relative to the vertical plane passing through the central chord of the wing profile, and fixed on its trailing edge. The design features of the proposed balloon allow to improve aerodynamic and operational characteristics.

Description

Полезная модель относится к области воздухоплавания и может быть использована при создании перспективных привязных аэростатов, предназначенных, в частности, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту и ведения наблюдения за земной поверхностью.The utility model relates to the field of aeronautics and can be used to create promising tethered balloons intended, in particular, for lifting apparatus and equipment to a given height and for monitoring the earth's surface.

Известен привязной аэростат, содержащий корпус, образованный эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха (Заманов М.Б. Основы расчета и конструирования аэростатов. М.: Русское воздухоплавательное общество, 2000).Known tethered balloon containing a housing formed by an elastic shell filled with gas lighter than air (Zamanov MB Fundamentals of calculation and design of balloons. M .: Russian Aeronautical Society, 2000).

Известен привязной аэростат (прототип), содержащий, как и заявленный, корпус, образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха (RU 2214346 С2, 20.10.2003). В известном аэростате корпус выполнен шарообразной формы. Такой аэростат имеет плохие аэродинамические характеристики, а именно большой коэффициент лобового сопротивления и, следовательно, при наличии ветра большой угол сноса относительно вертикали. Причем характерным является практически прямая зависимость угла сноса от скорости ветра (чем больше скорость ветра, тем больше угол сноса). Для уменьшения угла сноса необходимо увеличивать вертикальную составляющую в схеме распределения сил, действующих на аэростат. Для аэростатов шарообразной формы, увеличить вертикальную составляющую сил можно только за счет увеличения геометрических размеров корпуса. Но при этом возрастает сила лобового сопротивления, что снижает эффект от увеличения вертикальной составляющей. Кроме того, большие геометрические размеры корпуса усложняют конструкцию удерживающей Known tethered balloon (prototype), containing, as claimed, a housing formed by a gas-tight elastic shell filled with gas lighter than air (RU 2214346 C2, 10.20.2003). In the well-known balloon, the body is made spherical in shape. Such a balloon has poor aerodynamic characteristics, namely a large drag coefficient and, therefore, in the presence of wind, a large drift angle relative to the vertical. Moreover, the direct dependence of the drift angle on the wind speed is characteristic (the greater the wind speed, the greater the drift angle). To reduce the drift angle, it is necessary to increase the vertical component in the distribution of forces acting on the balloon. For balloons of a spherical shape, it is possible to increase the vertical component of forces only by increasing the geometric dimensions of the hull. But at the same time, the drag force increases, which reduces the effect of increasing the vertical component. In addition, the large geometric dimensions of the housing complicate the design of the holding

(привязной) системы и эксплуатацию аэростата в целом, а также уменьшают его надежность и устойчивость особенно при достижении скорости ветра, близкой к штормовым и ураганным значениям (20-60 м/с).(tethered) systems and the operation of the aerostat as a whole, and also reduce its reliability and stability, especially when the wind speed is close to storm and hurricane values (20-60 m / s).

Задача полезной модели заключалась в разработке конструкции привязного аэростата, которая обеспечивает улучшение аэродинамических и эксплуатационных характеристик, включая повышение устойчивости и надежности, путем уменьшения зависимости угла сноса от скорости ветра без увеличения объема аэростата.The objective of the utility model was to develop the design of a tethered balloon, which provides improved aerodynamic and operational characteristics, including increased stability and reliability, by reducing the dependence of the drift angle on wind speed without increasing the volume of the balloon.

Указанный технический результат достигается тем, что привязной аэростат, содержащий корпус, образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, согласно полезной модели, снабжен по меньшей мере одним вертикальным хвостовым оперением. Корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла. Причем крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку.The specified technical result is achieved by the fact that a tethered balloon containing a body formed by a gas-tight elastic shell filled with gas lighter than air, according to a utility model, is equipped with at least one vertical tail unit. The body is made in the form of an aerodynamic wing symmetrical with respect to a vertical plane passing through the central chord of the wing profile. Moreover, the wing is installed at an angle of attack to the incoming flow.

Кроме того, крыло может иметь двояковыпуклый симметричный профиль с положительной кривизной или двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, или плосковыпуклый профиль, или S-образный профиль. Целесообразно, чтобы S-образный профиль был выполнен с относительной толщиной 20%.In addition, the wing may have a biconvex symmetric profile with positive curvature or a biconvex asymmetric profile with positive curvature, or a plano-convex profile, or an S-shaped profile. It is advisable that the S-shaped profile was made with a relative thickness of 20%.

Рекомендуется, чтобы величина угла атаки крыла находилась в пределах от 1 до 10 градусов.It is recommended that the angle of attack of the wing be in the range from 1 to 10 degrees.

Предусмотрено, что крыло в плане может иметь прямоугольную форму или стреловидную форму, или трапециевидную форму, или треугольную форму, или овальную форму.It is envisaged that the wing in the plan may have a rectangular shape or an arrow-shaped shape, or a trapezoidal shape, or a triangular shape, or an oval shape.

Предусмотрено также, что аэростат может быть снабжен по меньшей мере двумя хвостовыми оперениями, разнесенными относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закрепленными на задней кромке крыла.It is also envisaged that the balloon may be provided with at least two tail units spaced relative to a vertical plane passing through the central chord of the wing profile and fixed to the trailing edge of the wing.

На фиг.1 приведен схематичный чертеж привязного аэростата и показана система сил, действующих на аэростат.Figure 1 shows a schematic drawing of a tethered balloon and shows a system of forces acting on the balloon.

На фиг.2 показана зависимость коэффициента лобового сопротивления и подъемной силы от угла атаки для аэростата с корпусом в форме крыла.Figure 2 shows the dependence of the drag coefficient and lift on the angle of attack for a balloon with a wing-shaped body.

На фиг.3 показана зависимость угла сноса от скорости ветра для аэростатов одинакового объема с корпусом в форме шара и с корпусом в форме крыла.Figure 3 shows the dependence of the drift angle on wind speed for balloons of the same volume with a ball-shaped body and with a wing-shaped body.

Привязной аэростат содержит корпус (1), образованный эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, по меньшей мере одним хвостовым оперением (2) и удерживающим устройством (3). Удерживающее устройство, состоит в основном из лебедки и привязного троса (фала), закрепленного одним концом на барабане лебедки, а другим на корпусе аэростата. Корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла. Крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку. Крыло может иметь двояковыпуклый симметричный профиль с положительной кривизной или двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной, или плосковыпуклый профиль, или S-образный профиль. Для увеличения подъемной силы целесообразно, чтобы в качестве S-образного профиля был использован профиль серии TF 66-S-196 с относительной толщиной 20% (Атлас профилей. ЦАГИ, 1968). С этой же целью рекомендуется, The tethered balloon contains a housing (1) formed by an elastic shell filled with gas lighter than air, at least one tail unit (2) and a holding device (3). The holding device consists mainly of a winch and a tethered rope (halyard) fixed at one end to the winch drum and the other to the aerostat body. The body is made in the form of an aerodynamic wing symmetrical with respect to a vertical plane passing through the central chord of the wing profile. The wing is set at an angle of attack to the incoming flow. The wing can have a biconvex symmetric profile with positive curvature or a biconvex asymmetric profile with positive curvature, or a plano-convex profile, or an S-shaped profile. To increase the lifting force, it is advisable that the TF 66-S-196 series profile with a relative thickness of 20% be used as an S-shaped profile (Atlas of profiles. TsAGI, 1968). For the same purpose, it is recommended

чтобы величина угла атаки крыла находилась в пределах от 1 до 10 градусов. Крыло в плане может иметь прямоугольную форму или стреловидную форму, или трапециевидную форму, или треугольную форму, или овальную форму.so that the angle of attack of the wing is in the range from 1 to 10 degrees. The wing in the plan can have a rectangular shape or an arrow-shaped shape, or a trapezoidal shape, or a triangular shape, or an oval shape.

Предусмотрено, что, для улучшения ориентации по ветру и повышения устойчивости, аэростат может быть снабжен двумя хвостовыми оперениями, которые разнесены относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закреплены на его задней кромке.It is envisaged that, to improve orientation in the wind and increase stability, the aerostat can be equipped with two tail units, which are spaced relative to the vertical plane passing through the central chord of the wing profile and are fixed on its trailing edge.

На аэростат действуют следующие силы:The following forces act on a balloon:

G - масса груза (с учетом массы оболочки и привязного фала);G is the mass of the cargo (taking into account the mass of the sheath and the tether);

Y - всплывающая сила аэростата, которая прямо пропорциональна его объему;Y - balloon strength, which is directly proportional to its volume;

Y_кр - подъемная сила крыла, которая рассчитывается по следующей формуле:Y _cr - the lifting force of the wing, which is calculated by the following formula:

где - производная от коэффициента подъемной силы профиля крыла;Where - derivative of the lift coefficient of the wing profile;

α - угол атаки крыла;α is the angle of attack of the wing;

ρ_н - атмосферное давление на высоте Н;ρ _n - atmospheric pressure at a height of H;

V - скорость ветра;V is the wind speed;

S_кр - площадь крыла.S _cr - wing area.

Как видно из этой формулы, возникающая подъемная сила прямо пропорциональна производной коэффициента подъемной силы профиля крыла , в определенных пределах углу атаки а, квадрату скорости ветра и его площади S_кр.As can be seen from this formula, the resulting lift is directly proportional to the derivative of the lift coefficient of the wing profile , within certain limits of the angle of attack a, the square of the wind speed and its area S _cr .

Х_кр - сила лобового сопротивления крыла, которая рассчитывается по следующей формуле:X _cr - the force of drag of the wing, which is calculated by the following formula:

где - коэффициент лобового сопротивления профиля крыла;Where - drag coefficient of the wing profile;

ρ_н - атмосферное давление на высоте Н;ρ _n - atmospheric pressure at a height of H;

V - скорость ветра;V is the wind speed;

S_кр - площадь крыла.S _cr - wing area.

Как видно из этой формулы величина лобового сопротивления Х_кр зависит от тех же переменных, что и подъемная сила Y_кр, но учитывая то, что профиль крыла является удобообтекаемым телом и коэффициент его лобового сопротивления С_хкр крайне мал (см. фиг.2), то и величина лобового сопротивления пренебрежимо мала по сравнению с величиной подъемной силы при прочих равных условиях. Привязной аэростат работает следующим образом.As can be seen from this formula, the drag coefficient X _cr depends on the same variables as the lift force Y _cr , but given that the wing profile is a streamlined body and its drag coefficient C _{hcr is} extremely small (see _figure 2), then the value of drag is negligible compared to the magnitude of the lifting force ceteris paribus. A tethered balloon works as follows.

Аэростат предложенной конструкции всплывает в воздушной среде за счет аэростатической всплывающей силы, обусловленной наполнением внутренней полости корпуса (газонепроницаемой оболочки) газом легче воздуха, а также за счет подъемной силы корпуса (1), выполненного в форме крыла с аэродинамическим высоконесущим профилем. Упомянутые силы расходуются на подъем массы аэростата и полезной нагрузки. Аэростат поднимается на заданную высоту и фиксируется удерживающим (привязным) устройством (3). При наличии ветра аэростат ориентируется по ветру за счет вертикального хвостового оперения (2), а корпус крыльевого профиля создает дополнительную подъемную силу, которая и позволяет уменьшить угол сноса, причем, чем больше скорость ветра, тем меньше угол сноса.The balloon of the proposed design floats in the air due to aerostatic floating force due to the filling of the internal cavity of the body (gas-tight shell) with gas lighter than air, and also due to the lifting force of the body (1), made in the form of a wing with an aerodynamic highly bearing profile. Mentioned forces are spent on lifting the mass of the balloon and payload. The balloon rises to a predetermined height and is fixed by a holding (tethered) device (3). In the presence of wind, the balloon is oriented in the wind due to the vertical tail unit (2), and the wing profile body creates additional lifting force, which allows to reduce the drift angle, and the higher the wind speed, the smaller the drift angle.

Как показывают полученные заявителем результаты математического моделирования, которые подтверждены экспериментально, угол сноса аэростата предлагаемой формы θ_кр при малых скоростях ветра V (до 5 м/с) соизмерим, хотя и меньше, чем угол сноса аэростата обычной формы такого же объема, и существенно меньше при больших скоростях ветра (20-30 м/с), причем, чем больше скорость ветра, тем меньше угол сноса (см. фиг.3). Установка крыла с небольшим углом атаки (до +10 градусов) относительно набегающего потока еще больше усиливает полученный эффект уменьшения угла сноса.As shown by the results of mathematical modeling obtained by the applicant, which are confirmed experimentally, the drift angle of the balloon of the proposed form θ _cr at small wind speeds V (up to 5 m / s) is comparable, although less than the drift angle of a conventional balloon of the same shape of the same volume, and significantly smaller at high wind speeds (20-30 m / s), and the higher the wind speed, the smaller the drift angle (see figure 3). The installation of a wing with a small angle of attack (up to +10 degrees) relative to the incoming flow further enhances the effect of reducing the drift angle.

Таким образом, улучшение аэродинамических и эксплуатационных характеристик привязного аэростата обусловлено его конструктивными особенностями, в частности, выполнением корпуса в форме надувного крыла с аэродинамическим высоконесущим профилем, а также установкой крыла под углом атаки к набегающему потоку.Thus, the improvement of the aerodynamic and operational characteristics of the tethered balloon is due to its design features, in particular, the construction of the body in the form of an inflatable wing with an aerodynamic highly bearing profile, as well as the installation of the wing at an angle of attack to the incoming flow.

Claims (13)

1. Привязной аэростат, содержащий корпус, образованный газонепроницаемой эластичной оболочкой, заполненной газом легче воздуха, отличающийся тем, что аэростат снабжен по меньшей мере одним вертикальным хвостовым оперением, корпус выполнен в форме аэродинамического крыла, симметричного относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, причем крыло установлено под углом атаки к набегающему потоку.1. A tethered balloon containing a body formed by a gas-tight elastic shell filled with gas lighter than air, characterized in that the balloon is equipped with at least one vertical tail unit, the body is made in the form of an aerodynamic wing, symmetrical with respect to the vertical plane passing through the central chord of the wing profile and the wing is set at an angle of attack to the oncoming flow. 2. Аэростат по п.1, отличающийся тем, что крыло имеет двояковыпуклый симметричный профиль с положительной кривизной.2. The balloon according to claim 1, characterized in that the wing has a biconvex symmetric profile with positive curvature. 3. Аэростат по п.1, отличающийся тем, что крыло имеет двояковыпуклый несимметричный профиль с положительной кривизной.3. The balloon according to claim 1, characterized in that the wing has a biconvex asymmetric profile with positive curvature. 4. Аэростат по п.1, отличающийся тем, что крыло имеет плосковыпуклый профиль.4. The balloon according to claim 1, characterized in that the wing has a plano-convex profile. 5. Аэростат по п.1, отличающийся тем, что крыло имеет S-образный профиль.5. The balloon according to claim 1, characterized in that the wing has an S-shaped profile. 6. Аэростат по п.5, отличающийся тем, что S-образный профиль выполнен с относительной толщиной 20%.6. The balloon according to claim 5, characterized in that the S-shaped profile is made with a relative thickness of 20%. 7. Аэростат по п.2, или 3, или 4, или 6, отличающийся тем, что величина угла атаки крыла находится в пределах от 1 до 10°.7. The balloon according to claim 2, or 3, or 4, or 6, characterized in that the wing angle of attack is in the range from 1 to 10 °. 8. Аэростат по п.7, отличающийся тем, что крыло в плане имеет прямоугольную форму.8. The balloon according to claim 7, characterized in that the wing in the plan has a rectangular shape. 9. Аэростат по п.7, отличающийся тем, что крыло в плане имеет стреловидную форму.9. The balloon according to claim 7, characterized in that the wing in the plan has an arrow-shaped shape. 10. Аэростат по п.7, отличающийся тем, что крыло в плане имеет трапециевидную форму.10. The balloon according to claim 7, characterized in that the wing in the plan has a trapezoidal shape. 11. Аэростат по п.7, отличающийся тем, что крыло в плане имеет треугольную форму.11. The balloon according to claim 7, characterized in that the wing in the plan has a triangular shape. 12. Аэростат по п.7, отличающийся тем, что крыло в плане имеет овальную форму.12. The balloon according to claim 7, characterized in that the wing in the plan has an oval shape. 13. Аэростат по п.8, или 9, или 10, или 11, или 12, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере двумя вертикальными хвостовыми оперениями, разнесенными относительно вертикальной плоскости, проходящей через центральную хорду профиля крыла, и закрепленными на задней кромке крыла.13. The aerostat of claim 8, or 9, or 10, or 11, or 12, characterized in that it is equipped with at least two vertical tail units spaced relative to the vertical plane passing through the central chord of the wing profile and mounted on the back wing edge.