[go: up one dir, main page]

RU2506204C1 - Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform - Google Patents

Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform Download PDF

Info

Publication number
RU2506204C1
RU2506204C1 RU2012140234/11A RU2012140234A RU2506204C1 RU 2506204 C1 RU2506204 C1 RU 2506204C1 RU 2012140234/11 A RU2012140234/11 A RU 2012140234/11A RU 2012140234 A RU2012140234 A RU 2012140234A RU 2506204 C1 RU2506204 C1 RU 2506204C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
cable
altitude
bunch
platform
Prior art date
Application number
RU2012140234/11A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Маврицкий
Андрей Владимирович Редькин
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ") filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского" (ФГУП "ЦАГИ")
Priority to RU2012140234/11A priority Critical patent/RU2506204C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2506204C1 publication Critical patent/RU2506204C1/en

Links

Images

Classifications

    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70Wind energy
    • Y02E10/72Wind turbines with rotation axis in wind direction

Landscapes

  • Wind Motors (AREA)

Abstract

FIELD: transport.
SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering. Proposed platform comprises bundle of aircraft coupled by flexible rope transmitting forces and incorporating electric power transmission and control signal channels. One of said aircraft carries windmill. Method of locating high-altitude platform consists in locating aircraft in stable wind flows displacing at different speed relative to earth and/or different directions. Besides, it includes retaining said bundle at preset point or its displacement relative to earth in preset direction by aerodynamic controls and power plants. Difference in energy of wind flows is used at invariable flight altitude to said end as well as power generated by windmill at one aircraft and transmitted to other aircraft. Payload is arranged at aircraft or connection rope.
EFFECT: longer high-altitude flight.
4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области авиации и воздухоплавания и может быть использовано при создании высотной стратосферной платформы, являющейся альтернативой геостационарным космическим аппаратам. Высотная платформа предназначена для подъема полезной нагрузки на высоту 15-25 км (высоту велопаузы и тропопаузы) и способна находиться в заданной точке в течение продолжительного времени.The invention relates to the field of aviation and aeronautics and can be used to create a high-altitude stratospheric platform, which is an alternative to geostationary spacecraft. The high-altitude platform is designed to lift the payload to an altitude of 15-25 km (the height of the bicycle and tropopause) and is able to stay at a given point for a long time.

Известны несколько вариантов создания высотной стратосферной платформы с использованием аэростатического модуля (высотный дирижабль) и самолетного модуля, а также гибридные варианты.Several options are known for creating a high-altitude stratospheric platform using an aerostatic module (high-altitude airship) and an aircraft module, as well as hybrid options.

Реализованный проект высотного дирижабля с силовой установкой на солнечной энергии наиболее полно отражен в патенте US 6607163 В2 от 19.08.2003, МПК B64B 29/00. В соответствии с описанной в патенте конструкцией был построен и успешно испытан высотный дирижабль.The completed project of a high-altitude airship with a solar-powered propulsion system is most fully reflected in US Pat. No. 6,607,163 B2 dated 08.19.2003, IPC B64B 29/00. In accordance with the design described in the patent, a high-rise airship was built and successfully tested.

В патенте US 4415133 от 15.11.1983, МПК B64D 27/02 показана конструкция высотного самолета с силовой установкой на солнечной энергии. Для данной конструкции характерно оригинальное сочетание вертикальных и горизонтальных поверхностей, создающих подъемную силу и служащих для размещения солнечных элементов. В настоящее время известно несколько проектов экспериментальных высотных самолетов на солнечной энергии с большой продолжительностью полета-Helios, Centurion, NASAPathfinder-Plus (http://www.nasa.gov/centers/dryden /news/FactSheets/FS-054-DFRC.htmn).In the patent US 4415133 from 11/15/1983, IPC B64D 27/02 shows the design of a high-altitude aircraft with a solar power plant. This design is characterized by an original combination of vertical and horizontal surfaces that create lift and serve to accommodate solar cells. Currently, there are several known projects of experimental high-altitude solar-powered aircraft with a long flight duration - Helios, Centurion, NASAPathfinder-Plus (http://www.nasa.gov/centers/dryden /news/FactSheets/FS-054-DFRC.htmn )

Данные экспериментальные аппараты рассчитаны на использование солнечной энергии в светлое время суток и аккумулированной днем энергии для их удержания ночью в заданной точке пространства относительно земли. Основная часть энергии в случае реализации аэростатического варианта необходима для перемещения высотного дирижабля в атмосфере со скоростью ветрового потока и удержания его в заданной точке относительно земной поверхности.These experimental devices are designed to use solar energy during daylight hours and the energy accumulated during the day to hold them at night at a given point in space relative to the earth. The bulk of the energy in the case of the implementation of the aerostatic option is necessary to move the high-altitude airship in the atmosphere with the speed of the wind flow and hold it at a given point relative to the earth's surface.

Самолетный вариант потребляет энергию, необходимую для создания аэродинамической подъемной силы, и, как правило, имеет крейсерскую скорость, превышающую скорость ветрового потока.Aircraft version consumes the energy necessary to create aerodynamic lift, and, as a rule, has a cruising speed exceeding the speed of the wind flow.

Использование солнечной энергии позволяет для данных типов ЛА добиться теоретически неограниченной продолжительности полета. В настоящее время достигнута продолжительность полета в несколько суток для самолетного варианта, но при полетах в экваториальной зоне.The use of solar energy allows for these types of aircraft to achieve theoretically unlimited flight duration. Currently, a flight duration of several days has been achieved for the aircraft version, but for flights in the equatorial zone.

Однако данные концепции имеют ряд существенных недостатков. Использование солнечной энергии требует размещения солнечных элементов на конструкции ЛА (в крыле и стабилизаторе для самолетного варианта, на оболочке или специальном пилоне для дирижабля) и системы аккумулирования, которые в сумме составляют более 50% взлетного веса ЛА и являются основным фактором, влияющим на размерность и стоимость ЛА. При этом масса полезной нагрузки составляет всего 3-8% от общей взлетной массы при реализации варианта, рассчитанного на непрерывное круглогодичное барражирование. Роль этих факторов увеличивается при проектировании высотной платформы для полетов в широтах 50-60° северной широты (с.ш.), что особенно актуально для нашей страны.However, these concepts have a number of significant drawbacks. The use of solar energy requires the placement of solar cells on the aircraft structure (in the wing and stabilizer for the aircraft version, on the shell or a special pylon for the airship) and the storage system, which in total make up more than 50% of the take-off weight of the aircraft and are the main factor affecting the size and the cost of the aircraft. At the same time, the payload mass is only 3-8% of the total take-off weight when implementing the option designed for continuous year-round barrage. The role of these factors increases when designing a high-altitude platform for flights in latitudes of 50-60 ° north latitude (N), which is especially important for our country.

Известны способ и устройство создания связок летательных аппаратов для реализации высотной платформы. Например, европейский патент ЕР 0385921 В1 от 05.09.1990, МПК B64D 1/22, B64D 27/24, B64C 37/02, взятый за прототип. В данном патенте описана связка летательных аппаратов (ЛА), представляющая собой аэростатический летательный аппарат, соединенный посредством кабель-тросов с тремя беспилотными самолетами, которые, двигаясь по круговой траектории относительно точки крепления, обеспечивают аэростатическому летательному аппарату фиксацию в заданной точке пространства. Необходимое усилие и перемещение системы в направлении, противоположном направлению воздушного потока относительно земли, происходит за счет натяжения троса, связывающего беспилотный самолет с аэростатическим аппаратом во время его движения в секторе круга, совпадающего с требуемым вектором перемещения.A known method and device for creating bundles of aircraft for the implementation of high-altitude platform. For example, European patent EP 0385921 B1 from 09/05/1990, IPC B64D 1/22, B64D 27/24, B64C 37/02, taken as a prototype. This patent describes a bunch of aircraft (LA), which is an aerostatic aircraft connected via cable cables to three unmanned aircraft, which, moving along a circular path relative to the attachment point, provide the aerostatic aircraft with fixation at a given point in space. The necessary effort and movement of the system in the direction opposite to the direction of the air flow relative to the earth occurs due to the tension of the cable connecting the unmanned aircraft with the aerostatic apparatus during its movement in the sector of the circle coinciding with the required displacement vector.

Полезная нагрузка размещается на аэростатическом аппарате. Беспилотные самолеты имеют максимально упрощенную конструкцию и электрическую силовую установку.The payload is placed on an aerostatic apparatus. Unmanned aircraft have the most simplified design and electric power plant.

Предлагается несколько вариантов энергоснабжения платформы: посредством размещенной на аэростате батареи солнечных элементов; посредством передачи микроволновой энергии от наземной станции к антенне, размещенной на аэростате; с помощью кабель-троса от наземного источника. Энергия от аэростата к беспилотным самолетам передается через соединяющие их кабель-тросы.There are several options for powering the platform: by means of a solar cell battery placed on a balloon; by transmitting microwave energy from a ground station to an antenna located on a balloon; using a cable from a ground source. Energy is transferred from the aerostat to unmanned aerial vehicles via cable cables connecting them.

Питание всей платформы посредством солнечной энергии имеет уже описанные выше недостатки при обеспечении продолжительного полета. Использование микроволновой энергии потребует создания мощной передающей станции. Передача электроэнергии по кабель-тросу на высоту выше 15000 м потребует большой длины троса, и, соответственно, его масса будет составлять значительную долю в массе всей системы. Также последние 2 варианта энергообеспечения не обеспечивают мобильности комплекса. Данная система не использует энергии ветровых потоков.Powering the entire platform through solar energy has the drawbacks already described above for ensuring long-term flight. The use of microwave energy will require the creation of a powerful transmitting station. The transmission of electricity through a cable to a height above 15,000 m will require a large cable length, and, accordingly, its mass will be a significant proportion of the mass of the entire system. Also, the last 2 options for energy supply do not provide mobility of the complex. This system does not use wind flow energy.

Задачей и техническим результатом настоящего изобретения является создание высотной платформы, использующей энергию ветровых потоков и обеспечивающей продолжительное барражирование при сохранении невысокой стоимости самой системы и стоимости ее жизненного цикла.The objective and technical result of the present invention is the creation of a high-altitude platform that uses the energy of wind flows and provides continuous barrage while maintaining a low cost of the system itself and the cost of its life cycle.

Технический результат достигается тем, что в способе размещения высотной платформы, состоящей из связки летательных аппаратов, заключающемся в подъеме платформы на заданную высоту, снабжении энергией и удержании в заданной точке, летательные аппараты располагают в устойчивых ветровых потоках, движущихся с различной относительно земли скоростью и (или) в различном направлении, а удержание данной связки в заданной точке или передвижение ее относительно земли в заданном направлении обеспечивают с помощью аэродинамических органов управления и силовых установок нескольких летательных аппаратов связки, используя разность энергий ветровых потоков при сохранении постоянной высоты полета, и (или) за счет энергии, полученной от ветрогенератора, установленного на одном из летательных аппаратов связки, и передаваемой через кабель-трос на силовые установки других (другого) летательных аппаратов, причем полезную нагрузку размещают или на летательных аппаратах, или на кабель-тросе, соединяющем летательные аппараты.The technical result is achieved by the fact that in the method of placing a high-altitude platform consisting of a bunch of aircraft, which consists in raising the platform to a predetermined height, supplying energy and holding it at a given point, the aircraft are placed in stable wind currents moving at different speeds relative to the ground and ( or) in a different direction, and the retention of a given bundle at a given point or its movement relative to the ground in a given direction is ensured by aerodynamic controls power plants of several aircraft of the bunch, using the energy difference of the wind flows while maintaining a constant flight height, and (or) due to the energy received from the wind generator installed on one of the aircraft of the bunch, and transmitted through a cable cable to power plants of others (other) aircraft, with the payload being placed either on the aircraft or on a cable cable connecting the aircraft.

Технический результат достигается также тем, что высотная платформа, включающая связку из нескольких летательных аппаратов, снабженных аэродинамическими органами управления, системами автоматического управления и силовыми установками и соединенных между собой посредством гибкого кабель-троса, обеспечивающего передачу усилий и содержащего каналы передачи электроэнергии и информационного управляющего сигнала от одного аппарата к другому, содержит в связке любые типы летательных аппаратов, причем на одном из летательных аппаратов связки установлен ветрогенератор.The technical result is also achieved by the fact that the high-altitude platform, including a bunch of several aircraft equipped with aerodynamic controls, automatic control systems and power plants and interconnected by means of a flexible cable, which provides power transmission and contains transmission channels of electricity and an information control signal from one device to another, contains in conjunction any type of aircraft, moreover, on one of the aircraft with yazki installed wind turbine.

Технический результат достигается также тем, что в высотную платформу, включающую связку из нескольких летательных аппаратов, входят летательные аппараты одинаковых типов.The technical result is also achieved by the fact that the high-altitude platform, including a bunch of several aircraft, includes aircraft of the same types.

Технический результат достигается также тем, что в высотную платформу, включающую связку из нескольких летательных аппаратов, входят летательные аппараты разных типов.The technical result is also achieved by the fact that the high-altitude platform, including a bunch of several aircraft, includes aircraft of various types.

На фиг.1 - высотная платформа - связка летательных аппаратов.Figure 1 - high-altitude platform - a bunch of aircraft.

На фиг.2 - широтное распределение скоростей и направлений ветра в летний период времени.Figure 2 - latitudinal distribution of wind speeds and directions in the summer.

На фиг.3 - вариант реализации связки из привязного аэростата и парашютной системы.Figure 3 is an embodiment of a bundle of a tethered balloon and a parachute system.

На фиг.4 - вариант реализации связки из планера с ветрогенератором и самолета с электрической силовой установкой.Figure 4 is an embodiment of a bundle of a glider with a wind generator and an airplane with an electric power plant.

На фиг.5 - схема сил, действующих на связку.Figure 5 - diagram of the forces acting on the bunch.

Высотная платформа - связка летательных аппаратов, как показано на фиг.1, представляет собой летательные аппараты ЛА1 и ЛА2, находящиеся на различных высотах H1 и H2, соединенные между собой кабель-тросом 3, который обеспечивает передачу нагрузок, электроэнергии и сигнала управления от одного ЛА к другому. На ЛА1 размещается ветрогенератор 4, а на ЛА2 - силовая установка с электрическим двигателем 5. Возможно также и обратное размещение ветрогенератора и силовой установки либо комплектация обоих ЛА и ветрогенератором, и силовой установкой в зависимости от ветровых условий полета высотной платформы, величины и направления скорости воздушных потоков Vп1 и Vп2.High-altitude platform - a bunch of aircraft, as shown in figure 1, is an aircraft LA1 and LA2, located at different heights H 1 and H 2 , interconnected by a cable cable 3, which provides the transmission of loads, electricity and control signal from one aircraft to another. Wind generator 4 is located on LA1, and a power plant with electric motor 5 is located on LA2. Reverse placement of the wind generator and power plant is also possible, or both aircraft can be equipped with a wind generator and power plant depending on the wind conditions of the high-altitude platform’s flight, size and direction of air speed threads V p1 and V p2 .

При необходимости ЛА1 и ЛА2 могут иметь систему накопления электроэнергии 6 (аккумуляторные, конденсаторные батареи, систему накопления с использованием электрохимического генератора) для компенсации суточных колебаний скорости ветровых потоков. Полезная нагрузка 7 может быть размещена как на ЛА1, так и на ЛА2, а также на кабель-тросе, если необходимо размещение элементов антенны для обеспечения ретрансляции. Данная схема на фиг.1 описывает конструктивную схему связки 2-х ЛА, однако при необходимости в связку может быть включено большее количество ЛА.If necessary, LA1 and LA2 can have an electric power storage system 6 (storage batteries, capacitor banks, an accumulation system using an electrochemical generator) to compensate for diurnal fluctuations in the speed of wind flows. The payload 7 can be placed both on the LA1, and on the LA2, as well as on the cable, if you need the placement of the antenna elements to ensure relaying. This diagram in FIG. 1 describes a structural diagram of a bundle of 2 aircraft, however, if necessary, a larger number of aircraft may be included in the bundle.

Суть данного изобретения заключается в использовании энергии ветровых потоков земной атмосферы, движущихся с разной скоростью и (или) в разных направлениях. Наиболее реально для реализации данной идеи использовать высоты 17-23 км. Исследования атмосферы на высотах 15-25 км показали (фиг.2), что в данном диапазоне высот существуют постоянные течения воздушных масс по направлению от экватора к полюсам на высотах 15-19 км и в противоположном направлении 19-25 км. Пограничная зона между этими противоположными потоками называется велопаузой и характеризуется малой скоростью ветра 0-15 м/с относительно земли в течение летнего периода (с апреля по ноябрь).The essence of this invention is to use the energy of the wind flows of the Earth’s atmosphere, moving at different speeds and (or) in different directions. It is most realistic to use heights of 17-23 km to implement this idea. Studies of the atmosphere at altitudes of 15-25 km showed (Fig. 2) that in this range of heights there are constant flows of air masses from the equator to the poles at altitudes of 15-19 km and in the opposite direction of 19-25 km. The border zone between these opposite streams is called a bicycle pause and is characterized by a low wind speed of 0-15 m / s relative to the ground during the summer period (from April to November).

Размеры данной зоны по высоте могут составлять ~2-3 км. Таким образом, мы имеем две воздушные среды, движущиеся в противоположных относительно земной поверхности направлениях и разграниченные между собой переходной областью в летний период.The dimensions of this zone in height can be ~ 2-3 km. Thus, we have two air media moving in opposite directions relative to the earth’s surface and delimited by a transitional region in summer.

В зимний период в диапазоне высот 15÷25 км существуют пограничные высотные зоны с одинаковым направлением ветра, но со значительной разницей в скорости ветрового потока. Эти течения имеют достаточно устойчивый характер в течение всего календарного года и действуют в областях от экваториальной зоны до северного и южного полярных кругов.In winter, in the altitude range of 15–25 km, there are boundary altitudinal zones with the same wind direction, but with a significant difference in the speed of the wind flow. These currents are quite stable throughout the calendar year and operate in areas from the equatorial zone to the northern and southern polar circles.

Расположив летательный аппарат так, чтобы он имел физическую связь между двумя противоположными потоками или потоками, имеющими значительную разницу в скорости, используют энергию движущихся сред для удержания аппарата в заданной точке и (или) для его перемещения с небольшой скоростью. Этот способ перемещения аналогичен принципу перемещения парусного корабля, использующего энергию ветра для передвижения по поверхности воды. Для того чтобы ЛА имел контакт с двумя воздушными потоками, необходимо, чтобы он имел соответствующие размеры, перекрывающие размеры тропопаузы. Достижение таких размеров одним ЛА - трудновыполнимое решение задачи и экономически нецелесообразное.Having positioned the aircraft so that it has a physical connection between two opposing streams or streams having a significant difference in speed, the energy of moving media is used to hold the device at a given point and (or) to move it at a low speed. This method of movement is similar to the principle of movement of a sailing ship using wind energy to move on the surface of the water. In order for the aircraft to have contact with two air currents, it is necessary that it has the appropriate dimensions that overlap the dimensions of the tropopause. Achieving such dimensions with one aircraft is a difficult task solution and economically inexpedient.

Два летательных аппарата располагают так, чтобы они находились в воздушных потоках, имеющих требуемую разницу в скорости относительно земли, над заданной точкой на разной высоте, и соединяют их кабель-тросом. При этом возможно сочетание любых типов ЛА в такой связке.Two aircraft are positioned so that they are in air currents having the required difference in speed relative to the ground, above a given point at different heights, and connect them with a cable. In this case, a combination of any types of aircraft in such a bundle is possible.

При практической реализации данной идеи требуется оптимальный выбор ЛА, соответствующих требуемому диапазону скоростей на заданных высотах и имеющих наилучшие удельные весовые и стоимостные показатели. Для совокупности имеющихся климатических условий связка двух ЛА может быть реализована в следующих описанных ниже вариантах.In the practical implementation of this idea, an optimal choice of aircraft is required, corresponding to the required speed range at given heights and having the best specific weight and cost indices. For the totality of the existing climatic conditions, a combination of two aircraft can be implemented in the following options described below.

Первый вариант предполагается как самый простой и логичный для условий летней велопаузы. При наличии двух ветровых потоков на разных высотах, имеющих противоположное направление относительно фиксированной точки на земной поверхности, располагают каждый из ЛА в этих потоках и соединяют их кабель-тросом 3, как показано на фиг.1. Уравновешивают силу сопротивления каждого ЛА, используя полезную подъемную силу для всех ЛА, максимально возможную при данных скоростях воздушных потоков. Для данных условий применяют следующую комбинацию из разных типов ЛА (фиг.3): верхний (основной) ЛА1 - привязной аэростат, суммарная подъемная сила которого соответствует суммарному весу собственной конструкции, весу кабель-троса и полезной нагрузки, и нижний или вспомогательный ЛА2 - параплан (парашют-крыло), несущий функцию паруса и управляющего элемента.The first option is supposed to be the simplest and most logical for the conditions of a summer cycle pause. In the presence of two wind streams at different heights, having the opposite direction relative to a fixed point on the earth's surface, each of the aircraft is located in these streams and connected by a cable cable 3, as shown in Fig. 1. Balance the drag force of each aircraft using the effective lift for all aircraft, the maximum possible at given air flow rates. For these conditions, the following combination of different types of aircraft is used (Fig. 3): the upper (main) aircraft LA1 is a tethered balloon, the total lifting force of which corresponds to the total weight of its own structure, the weight of the cable and payload, and the lower or auxiliary LA2 is a paraglider (parachute-wing), bearing the function of a sail and a control element.

Возможно использование любого типа ЛА в данной системе, например планера или автожира с авторотирующим винтом. Однако необходимо отметить, что данные типы ЛА, в отличие от привязного аэростата, аэростатическая подъемная сила которого не зависит от воздушной скорости, имеют ограниченный по минимальной скорости ветра диапазон применения, т.е. их минимальная воздушная скорость не должна быть меньше скорости сваливания для данного конкретного типа ЛА. Предлагаемый вариант комбинации, изображенный на фиг.3, имеет минимальный требуемый диапазон разности скоростей ветровых потоков и, следовательно, расширенную область применения по географическим и климатическим параметрам.It is possible to use any type of aircraft in this system, for example, a glider or a gyroplane with an autorotating screw. However, it should be noted that these types of aircraft, unlike a tethered balloon, whose aerostatic lift is independent of airspeed, have a range of application limited by the minimum wind speed, i.e. their minimum airspeed should not be less than the stall speed for this particular type of aircraft. The proposed combination option, depicted in figure 3, has the minimum required range of the difference in speed of wind flows and, therefore, an expanded scope for geographical and climatic parameters.

Такая комбинация ЛА в связке (фиг.3) практически позволяет уравновесить систему не только в условиях велопаузы, но и при наличии разности в скоростях ветровых потоков по высотам, имеющих одно направление относительно земли. Только в данном случае мы можем рассматривать равновесие системы в пространстве, движущейся с определенной скоростью и имеющей возможность перемещаться в направлениях, перпендикулярных воздушным потокам. Такая система также имеет преимущества по сравнению с обычными свободными аэростатами, так как позволяет сохранять заданную высоту полета без дополнительных затрат энергии, топлива или балласта и имеет неограниченную продолжительность полета.Such a combination of aircraft in conjunction (Fig. 3) practically makes it possible to balance the system not only under conditions of a bicycle pause, but also in the presence of a difference in the speeds of wind flows along heights having one direction relative to the ground. Only in this case can we consider the equilibrium of the system in space moving with a certain speed and having the ability to move in directions perpendicular to air flows. Such a system also has advantages over conventional free balloons, since it allows you to maintain a given flight altitude without additional energy, fuel or ballast and has an unlimited flight duration.

Второй вариант является последовательным усложнением первого и ориентирован на более распространенные атмосферные условия, когда ветровые потоки на разных высотах имеют одинаковое (преимущественно западное направление), но имеют значительную разность по скорости:The second option is a sequential complication of the first and is focused on more common atmospheric conditions, when wind flows at different heights have the same (mostly western direction), but have a significant difference in speed:

ΔV=Vп1-Vп2,ΔV = V p1 -V p2 ,

где Vп1 - скорость потока на высоте H1, Vп2 - скорость потока на высоте H2.where V p1 - flow rate at a height of H 1 , V p2 - flow rate at a height of H 2 .

Например, для условий острова Диксон в январе месяце разность в скорости ветра ΔV по высотам 16 и 24 км составляет до 14 м/с.For example, for the conditions of Dixon Island in the month of January, the difference in wind speed ΔV over heights of 16 and 24 km is up to 14 m / s.

В данной ситуации для фиксации системы относительно заданной точки на земной поверхности оба ЛА должны двигаться против направления ветровых потоков. Для реализации данной идеи используют кабель-трос 3 для осуществления энергообмена между связанными ЛА (фиг.4). Как следует из ветрового профиля, верхний ЛА1 будет находиться в потоке, имеющем большую скорость. На него установлен ветрогенератор 4 (аналог резервной энергосистеме для гражданских самолетов), который вырабатывает электроэнергию и передает ее на нижний ЛА2 через кабель-трос. При этом нижний ЛА2 становится основным и несущим полезную нагрузку 7, так как движется в потоке с меньшей скоростью, но с большей плотностью воздуха. Конструктивно оба ЛА соответствуют самолету с крылом большого удлинения и площади для полетов на больших высотах. Подъемная сила верхнего ЛА1 должна уравновешивать вес кабель-троса 3, ветрогенератора 4 и вес собственной конструкции.In this situation, to fix the system relative to a given point on the earth's surface, both aircraft must move against the direction of wind flows. To implement this idea, a cable cable 3 is used for energy exchange between connected aircraft (Fig. 4). As follows from the wind profile, the upper LA1 will be in a stream with a high speed. A wind generator 4 (an analogue of the backup power system for civilian aircraft) is installed on it, which generates electricity and transfers it to the lower LA2 via a cable cable. In this case, the lower LA2 becomes the main one and carries the payload 7, since it moves in the stream at a lower speed, but with a higher air density. Structurally, both aircraft correspond to an aircraft with a large elongation wing and area for flights at high altitudes. The lifting force of the upper LA1 must balance the weight of the cable cable 3, wind generator 4 and the weight of its own design.

На нижнем основном ЛА2 располагается силовая установка 5 с электроприводами, резервный источник энергии 6. В отличие от первого варианта в данном случае верхний ЛА1 не только вырабатывает полезную электроэнергию и передает ее на основной ЛА, но и создает дополнительное сопротивление, которое должно компенсироваться силовой установкой 5 основного нижнего ЛА2. Чтобы определить, при каких условиях энергетический баланс такого взаимодействия может быть положительным, необходимо сделать расчет всей системы на основе общих имеющихся технических и статистических данных для заданных ветровых условий предполагаемого района эксплуатации системы.On the lower main LA2 there is a power plant 5 with electric drives, a backup energy source 6. In contrast to the first option in this case, the upper LA1 not only generates useful electric energy and transfers it to the main LA, but also creates additional resistance, which must be compensated by the power plant 5 main lower LA2. To determine under what conditions the energy balance of such interaction can be positive, it is necessary to calculate the entire system on the basis of the general available technical and statistical data for the given wind conditions of the proposed area of operation of the system.

Описанные выше два возможных варианта создания связки ЛА, способной удерживать длительное время полезную нагрузку в заданной точке, не исключают и другие варианты реализации данной системы. Возможно более сложное пространственное движение двух соединенных тросом ЛА, способных совместно использовать энергию разности скоростей ветровых потоков, без энергообмена через кабель-трос.The above two possible options for creating a bunch of aircraft capable of holding a payload for a long time at a given point do not exclude other options for implementing this system. Perhaps a more complex spatial movement of two aircraft connected by a cable, capable of sharing the energy of the speed difference of wind flows, without energy exchange through a cable-cable.

Запуск и подъем на высоту такой системы может быть осуществлен в зависимости от того, какие ЛА входят в связку. Например, для реализации первого описанного выше варианта старт системы может быть осуществлен аналогично запуску высотного аэростата. ЛА2 - управляемая парашютная система - находится в собранном состоянии и закреплена на подвеске к аэростату в момент старта. Трос также закреплен на аэростате в смотанном автоматической лебедкой состоянии.The launch and rise to the height of such a system can be carried out depending on which aircraft are included in the bundle. For example, to implement the first option described above, the start of the system can be carried out similarly to the launch of a high-altitude balloon. LA2 - controlled parachute system - is in the assembled state and is mounted on the suspension to the balloon at the time of launch. The cable is also fixed to the balloon in the state wound by an automatic winch.

После выхода аэростатической системы на заданную для ЛА1 высоту лебедка начинает разматываться, опуская в нижние слои атмосферы контейнер с парашютной системой до требуемой для ЛА2 высоты. На этой высоте выполняется автоматическое раскрытие купола управляемой парашютной системы. После чего система управления всей связки с помощью органов управления уравновесит систему в атмосфере соответственно интенсивности ветровых потоков, как показано на фиг.3.After the aerostatic system reaches the height set for LA1, the winch begins to unwind, lowering the container with the parachute system into the lower atmosphere to the required height for LA2. At this height, the canopy of the guided parachute system is automatically opened. After that, the control system of the entire ligament using the controls will balance the system in the atmosphere according to the intensity of the wind flows, as shown in Fig.3.

На парашютной системе должна быть система строп, позволяющих как уменьшать эффективную площадь купола в требуемом диапазоне, так и изменять направление создаваемой силы сопротивления. Аэростат также должен иметь горизонтальные и вертикальные рули, позволяющие ему корректировать свое положение в атмосфере.The parachute system must have a sling system that allows both to reduce the effective area of the dome in the required range, and to change the direction of the created resistance force. The balloon should also have horizontal and vertical rudders, allowing it to adjust its position in the atmosphere.

Для второго варианта реализации изобретения используют ЛА самолетного типа, старт связки осуществляют с аэродрома, имеющего взлетно-посадочную полосу соответственно летно-техническим характеристикам ЛА связки. Старт выполняется аналогично схеме взлета для самолета - буксировщика и планера. Кабель-трос должен находиться на лебедке на ЛА1 или ЛА2. Перед стартом он разматывается на необходимую для взлета длину и закрепляется на другом ЛА.For the second embodiment of the invention, an aircraft-type aircraft is used, the launch of the ligament is carried out from an aerodrome having a runway corresponding to the flight performance of the aircraft ligament. The launch is carried out similarly to the take-off scheme for an aircraft - towing and glider. The cable should be on the winch on LA1 or LA2. Before the start, it is unwound to the necessary length for take-off and fixed on another aircraft.

На буксировщике ЛА2 при взлете и наборе высоты размещают дополнительный источник энергии, который позволяет связке взлететь и набрать необходимую высоту. После набора связкой высоты, необходимой для ЛА1, автоматическая лебедка разматывает кабель-трос, а ЛА2 снижается до заданной для него высоты. Затем запускают ветрогенератор, размещенный на ЛА1, уравновешивают и ориентируют связку в атмосфере соответственно полетному заданию и ветровым условиям (фиг.4).On the LA2 tugboat, during take-off and climb, an additional energy source is placed, which allows the ligament to fly up and gain the necessary height. After gaining a bunch of heights necessary for LA1, the automatic winch unwinds the cable, and LA2 is reduced to the height set for it. Then start the wind generator, placed on LA1, balance and orient the bunch in the atmosphere, respectively, flight mission and wind conditions (figure 4).

Выполним предварительный расчет первого варианта системы, когда два летательных аппарата, связанных тросом, уравновешиваются в пространстве только за счет аэродинамических сил (ЛА1 - привязной аэростат, ЛА2 - парашютная система). Связка находится в стационарном относительно Земли положении (фиг.5). Мы имеем два воздушных потока, движущихся в противоположных направлениях примерно с равными скоростями. Между ними - пограничная область минимальной скорости ветра относительно Земли. Условно примем точку нулевой относительной скорости на высоте H=20 км. Вверх и вниз от этой точки скорость ветра возрастает в противоположных направлениях. Максимальная разница высот ΔH для верхнего и нижнего летательных аппаратов составит 4 км или ±2 км от точки Vn=0, на H=20 км, а длина привязного троса Lmp~4,5÷6 км. Скорость ветра изменяется от Vn=0 до Vn=5÷25 м/с по параболическому закону в зависимости от высоты. Верхний ЛА1 несет массу троса ∑Gтр и массу полезной нагрузки Gпн. Нижний ЛА2 должен создавать эквивалентное натяжение троса, т.е. силу сопротивления ХЛА2, которая уравновесит силу сопротивления верхнего ЛА1 - ХЛА1. При необходимости ЛА1 может нести часть полезной нагрузки. Схема сил, действующих на связку, также показана на фиг.5.We will perform a preliminary calculation of the first version of the system, when two aircraft connected by a cable are balanced in space only due to aerodynamic forces (LA1 - tethered balloon, LA2 - parachute system). The ligament is stationary relative to the Earth (Fig. 5). We have two air currents moving in opposite directions with approximately equal speeds. Between them is the boundary region of the minimum wind speed relative to the Earth. We arbitrarily take a point of zero relative velocity at an altitude of H = 20 km. Up and down from this point, the wind speed increases in opposite directions. The maximum height difference ΔH to the upper and lower aircrafts is 4 km or ± 2 km from the point V n = 0, at H = 20 km, and the length of the cable harness L mp ~ 4,5 ÷ 6 km. The wind speed varies from V n = 0 to V n = 5 ÷ 25 m / s according to a parabolic law depending on the height. The upper LA1 carries the mass of the cable ∑G Tr and the mass of the payload G Mon Lower LA2 should create an equivalent cable tension, i.e. resistance force X LA2 , which will balance the resistance force of the upper LA1 - X LA1 . If necessary, LA1 can carry part of the payload. A diagram of the forces acting on the ligament is also shown in FIG.

Составим уравнения, описывающие систему в состоянии равновесия:We compose the equations describing the system in equilibrium:

Figure 00000001
Figure 00000001

где ХЛА1, ХЛА2, RmpX и YЛА1, YЛА2, RmpY - проекции результирующих аэродинамических сил на оси OX, OY, GЛА1, GЛА2, Gmp- вес ЛА и суммарный вес троса, ∑Mmp- суммарный аэродинамический момент троса, ∑Mi - моменты других сил, действующих на систему относительно центра приложения ∑Rmp, суммарной аэродинамической силы, действующей на трос, ФЛА1 - аэростатическая подъемная сила, действующая в том случае, если ЛА1 является аэростатическим летательным аппаратом.where X LA1 , X LA2 , R mpX and Y LA1 , Y LA2 , R mpY are the projections of the resulting aerodynamic forces on the axis OX, OY, G LA1 , G LA2 , G mp is the weight of the aircraft and the total weight of the cable, ∑M mp is the total aerodynamic moment of the cable, ∑M i - moments of other forces acting on the system relative to the application center ∑R mp , total aerodynamic force acting on the cable, Ф ЛА1 - aerostatic lifting force, if LA1 is an aerostatic aircraft.

Решение такой системы уравнений требует определения геометрических параметров троса, его положения в пространстве и аэродинамической силы, действующей на трос при обтекании ветровым потоком, разной силы и направления. Поэтому в первом приближении эта задача решается путем разбиения троса на элементарные участки и нахождения решения для каждого участка в отдельности, начиная от верхней точки троса (ЛА1) до нижней точки (ЛА2). При решении данной задачи принимаем допущение, что все силы расположены в одной плоскости XOY. В реальности воздушные потоки могут иметь любые вектора скорости и привязной трос будет иметь смещение по оси OZ, но на данном этапе важно определить соотношение сил и область возможного существования такой системы.The solution of such a system of equations requires determining the geometric parameters of the cable, its position in space and the aerodynamic force acting on the cable when it flows around a wind stream of different strength and direction. Therefore, in a first approximation, this problem is solved by dividing the cable into elementary sections and finding a solution for each section separately, starting from the upper point of the cable (LA1) to the lower point (LA2). In solving this problem, we assume that all forces are located in the same XOY plane. In reality, the air flows can have any velocity vector and the tethered cable will have an offset along the OZ axis, but at this stage it is important to determine the balance of forces and the area of possible existence of such a system.

Для расчетов были использованы известные данные по кабель-тросам из кевлара (разрывная длина 42 км), удельный вес конструкции аэростатического аппарата 40% от GЛА1.For calculations, we used the known data on cable cables from Kevlar (breaking length 42 km), the specific gravity of the aerostatic apparatus structure is 40% of G LA1 .

Расчет положения троса в пространстве показал, что для данного диапазона скорости ветрового потока от 0 до 20 м/с отклонения ЛА1 и ЛА2 по горизонтали (ось X, фиг.5) составит около 250 м при разнице в высоте между ЛА1 и ЛА2 - 4 км. Аэродинамическое сопротивление троса при данном диапазоне скоростей ветровых потоков не оказывает значительное влияние на положение ЛА.The calculation of the position of the cable in space showed that for a given range of wind flow speeds from 0 to 20 m / s, the horizontal deviations of LA1 and LA2 (X axis, Fig. 5) will be about 250 m with a difference in height between LA1 and LA2 of 4 km . The aerodynamic drag of a cable with a given range of wind flow velocities does not significantly affect the position of the aircraft.

Весовой расчет системы показал, что для данных расчетных ветровых и высотных условий потребный объем аэростатической оболочки ЛА1 составит 50370 м3, суммарный взлетный вес связки ЛА (высотной платформы) - 2560 кг при заданном весе полезной нагрузки в 500 кг. По данным весовым и габаритным параметрам высотная платформа - связка ЛА имеет преимущество в 3-5 раз по сравнению с высотными дирижаблями на солнечной энергии. Такой показатель позволяет сделать вывод об экономической целесообразности реализации предлагаемой идеи высотной платформы.The weight calculation of the system showed that for these calculated wind and altitude conditions, the required volume of the aerostatic shell LA1 will be 50370 m 3 , the total take-off weight of the LA bunch (high-altitude platform) is 2560 kg for a given payload weight of 500 kg. According to the weight and size parameters, the high-altitude platform - the LA aircraft has the advantage of 3-5 times in comparison with high-altitude airships powered by solar energy. This indicator allows us to conclude that it is economically feasible to implement the proposed idea of a high-altitude platform.

Изобретение может быть использовано при создании высотной стратосферной платформы, предназначенной для подъема полезной нагрузки на высоту 15÷25 км (высоту велопаузы и тропопаузы) и способной находиться в заданной точке от нескольких месяцев до года и более. Возможно использование данного изобретения и на меньших высотах при наличии необходимой разности в скорости и направлении воздушных потоков.The invention can be used to create a high-altitude stratospheric platform designed to lift the payload to a height of 15 ÷ 25 km (the height of the bicycle pause and tropopause) and capable of being at a given point from several months to a year or more. It is possible to use the present invention at lower altitudes if there is a necessary difference in the speed and direction of air flows.

Создание высотной платформы, имеющей продолжительность барражирования от одного месяца до года и более над заданной точкой поверхности земли, включая северные широты (до 75° с.ш.), при сохранении невысокой стоимости самой системы и стоимости ее жизненного цикла по сравнению со спутниковыми системами способно обеспечить значительное конкурентное преимущество.Creating a high-altitude platform with a duration of barrage of one month to a year or more above a given point on the surface of the earth, including northern latitudes (up to 75 ° N), while maintaining a low cost of the system itself and the cost of its life cycle compared with satellite systems, is capable of provide significant competitive advantage.

Claims (4)

1. Способ размещения высотной платформы, состоящий из связки летательных аппаратов (ЛА), заключающийся в подъеме платформы на заданную высоту, снабжении энергией и удержании в заданной точке, отличающийся тем, что летательные аппараты располагают в устойчивых ветровых потоках, движущихся с различной относительно земли скоростью и(или) в различном направлении, а удержание данной связки в заданной точке или передвижение ее относительно земли в заданном направлении обеспечивают с помощью аэродинамических органов управления и силовых установок нескольких ЛА связки, используя разность энергий ветровых потоков при сохранении постоянной высоты полета, и(или) за счет энергии, полученной от ветрогенератора, установленного на одном из ЛА связки, и передаваемой через кабель-трос на силовые установки других (другого) ЛА, причем полезную нагрузку размещают или на летательных аппаратах, или на кабель-тросе, соединяющем летательные аппараты.1. The method of placing a high-altitude platform, consisting of a bunch of aircraft (LA), which consists in lifting the platform to a predetermined height, supplying energy and holding it at a given point, characterized in that the aircraft are placed in stable wind currents moving at different speeds relative to the ground and (or) in a different direction, and holding this ligament at a given point or moving it relative to the ground in a given direction is provided by aerodynamic controls and power the probe of several aircraft of the ligament, using the energy difference between the wind flows while maintaining a constant flight altitude, and (or) due to the energy received from a wind generator installed on one of the aircraft of the ligament, and transmitted through a cable-cable to the power plants of other (other) aircraft, moreover, the payload is placed either on aircraft, or on a cable cable connecting the aircraft. 2. Высотная платформа, включающая связку из нескольких летательных аппаратов, снабженных аэродинамическими органами управления, системой автоматического управления и силовыми установками, соединенных между собой посредством гибкого кабель-троса, обеспечивающего передачу усилий и содержащего каналы передачи электроэнергии и информационного управляющего сигнала от одного аппарата к другому, отличающаяся тем, что платформа содержит в связке любые типы летательных аппаратов, причем на одном из летательных аппаратов связки установлен ветрогенератор.2. A high-altitude platform, including a bunch of several aircraft equipped with aerodynamic controls, an automatic control system and power plants, interconnected by means of a flexible cable cable that provides power transmission and contains electric power transmission channels and an information control signal from one device to another , characterized in that the platform contains in conjunction any type of aircraft, moreover, on one of the aircraft ligaments installed in the generator. 3. Высотная платформа, включающая связку из нескольких летательных аппаратов по п.2, отличающаяся тем, что в связку входят летательные аппараты одинаковых типов.3. High-altitude platform, including a bunch of several aircraft according to claim 2, characterized in that the bunch includes aircraft of the same types. 4. Высотная платформа, включающая связку из нескольких летательных аппаратов по п.2, отличающаяся тем, что в связку входят летательные аппараты разных типов. 4. High-altitude platform, including a bunch of several aircraft according to claim 2, characterized in that the bunch includes aircraft of various types.
RU2012140234/11A 2012-09-20 2012-09-20 Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform RU2506204C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012140234/11A RU2506204C1 (en) 2012-09-20 2012-09-20 Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012140234/11A RU2506204C1 (en) 2012-09-20 2012-09-20 Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2506204C1 true RU2506204C1 (en) 2014-02-10

Family

ID=50032191

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012140234/11A RU2506204C1 (en) 2012-09-20 2012-09-20 Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2506204C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU180016U1 (en) * 2017-12-28 2018-05-30 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" DEVICE FOR MODELING THE CHARACTERISTICS OF NATURAL PANELS IN ELASTIC-LIKE MODELS OF BRIDGES
CN108255184A (en) * 2016-12-29 2018-07-06 北京卓翼智能科技有限公司 Unmanned plane and vehicular platform following control system and its follow-up control method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2373086A (en) * 1942-07-23 1945-04-10 Alabrune Francois Transportation method
US4375280A (en) * 1974-01-30 1983-03-01 Nicolaides John D Free wing flyer
JPH0224295A (en) * 1988-07-09 1990-01-26 Kiyoshi Tada Air flying body connected to ground by wire
US5074489A (en) * 1989-03-03 1991-12-24 Eliyahu Gamzon Method and system for supporting an airborne vehicle in space
RU2090452C1 (en) * 1994-04-18 1997-09-20 Виталий Григорьевич Федчишин Aviation platform for vertical takeoff and landing
US20100140390A1 (en) * 2006-01-26 2010-06-10 Peter Robert Goodall Flying Wind Energy Conversion Apparatus

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2373086A (en) * 1942-07-23 1945-04-10 Alabrune Francois Transportation method
US4375280A (en) * 1974-01-30 1983-03-01 Nicolaides John D Free wing flyer
JPH0224295A (en) * 1988-07-09 1990-01-26 Kiyoshi Tada Air flying body connected to ground by wire
US5074489A (en) * 1989-03-03 1991-12-24 Eliyahu Gamzon Method and system for supporting an airborne vehicle in space
RU2090452C1 (en) * 1994-04-18 1997-09-20 Виталий Григорьевич Федчишин Aviation platform for vertical takeoff and landing
US20100140390A1 (en) * 2006-01-26 2010-06-10 Peter Robert Goodall Flying Wind Energy Conversion Apparatus

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108255184A (en) * 2016-12-29 2018-07-06 北京卓翼智能科技有限公司 Unmanned plane and vehicular platform following control system and its follow-up control method
RU180016U1 (en) * 2017-12-28 2018-05-30 Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" DEVICE FOR MODELING THE CHARACTERISTICS OF NATURAL PANELS IN ELASTIC-LIKE MODELS OF BRIDGES

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9169014B2 (en) Unmanned aerial vehicle and method of launching
US10308346B2 (en) Solar-powered aircraft
US4697761A (en) High altitude reconnaissance platform
US5518205A (en) High altitude, long duration surveillance system
RU2236366C2 (en) Orientation of airship solar battery panel
US10005541B2 (en) Methods for providing a durable solar powered aircraft with a variable geometry wing
US20120091267A1 (en) adaptive tail assembly for solar aircraft
CN104943864B (en) A kind of Combined flat fluid layer flight system left a blank during captain unmanned based on solar energy
US9604715B2 (en) Solar powered aircraft with a variable geometry wing and telecommunications networks utilizing such aircraft
US4361295A (en) Solar power station
US10173769B2 (en) High-altitude drone
CN101384481A (en) aircraft with modular articulated wings
US20150183520A1 (en) Unmanned aerial vehicle and method for launching
WO2017130137A1 (en) Stratospheric drone
US9440739B2 (en) Device for maintaining the altitude of a payload having an altitude-maintenance energy source that is permanent and extracted from the surrounding medium
RU2506204C1 (en) Method of locating high-altitude platform and high-altitude platform
CN111717365A (en) An airship carrying multiple types of drones
US10775586B2 (en) Glitter belt: atmospheric reflectors to reduce solar irradiance
JP5811384B1 (en) Air levitation device and its air navigation
Galinski Preliminary study of an airplane for electric propulsion testing at high altitudes
RU2827131C1 (en) Hybrid airborne aerial surveillance system
Hallett Camera-ready copy of contribution not available
Wei et al. Stratospheric Airship's Analysis of Application Prospects and Exploration of Critical Technologies