RU231499U1

RU231499U1 - HYBRID Tethered Balloon

Info

Publication number: RU231499U1
Application number: RU2024135543U
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Свинин; Василий Сергеевич Чернов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "ПРО-Авиа"
Filing date: 2024-11-27
Publication date: 2025-01-29

Abstract

Полезная модель относится к области воздухоплавания, а именно к привязным аэростатам, обладающим устойчивостью к ветровой нагрузке, предназначенным, в частности, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту и ведения наблюдения за окружающей местностью. Гибридный привязной аэростат, содержащий оболочку с нервюрой-диафрагмой, заполненную подъемным газом, аэродинамические поверхности и систему подвеса с полезной нагрузкой, соединенную длинным подъёмным тросом, управляемой оператором лебедкой, установленной на стационарном или мобильном основании. Подъёмный трос может содержать кабель. Полезная нагрузка может быть размещена как снаружи, так и внутри оболочки, а также закреплена на подъемном тросе. Аэродинамическая поверхность, представляющая собой крыло малого удлинения и киль, выполнена в виде сплюснутого по вертикали обтекаемого тела, имеющего в плане форму сужающегося к хвосту овала с усечённым хвостом. Газонепроницаемый материал оболочки выполнен эластичным. Система подвеса полезной нагрузки и самого аэростата выполнена в виде систем нескольких жестких тросов. Киль снабжен распорками с расчалками. The utility model relates to the field of aeronautics, namely to tethered aerostats resistant to wind loads, intended, in particular, for lifting equipment and devices to a given height and observing the surrounding area. A hybrid tethered aerostat comprising a shell with a diaphragm rib filled with lifting gas, aerodynamic surfaces and a suspension system with a payload connected by a long lifting cable, a winch controlled by an operator, installed on a stationary or mobile base. The lifting cable may contain a cable. The payload may be placed both outside and inside the shell, and also secured to the lifting cable. The aerodynamic surface, which is a low aspect ratio wing and a keel, is made in the form of a vertically flattened streamlined body, having in plan the shape of an oval tapering towards the tail with a truncated tail. The gas-tight material of the shell is made elastic. The suspension system of the payload and the balloon itself is made in the form of systems of several rigid cables. The keel is equipped with struts with braces.

Description

Полезная модель относится к области воздухоплавания, а именно к привязным аэростатам, обладающим устойчивостью к ветровой нагрузке, предназначенные, в частности, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту и ведения наблюдения за окружающей местностью.The utility model relates to the field of aeronautics, namely to tethered balloons that are resistant to wind loads, intended, in particular, for lifting equipment and apparatus to a given height and for monitoring the surrounding area.

Известен патент РФ на полезную модель № 45127 «ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ НАБЛЮДЕНИЯ». Полезная модель относится к беспилотным воздушным средствам наблюдения за поверхностью земли. Задачей полезной модели является создание сравнительно недорогого и эффективного устройства для проведения наблюдений за поверхностью земли. Устройство предназначено для массового использования в народнохозяйственных и военных целях. Поставленная задача достигается тем, что в предложенном гибридном привязном аэростате наблюдения, содержащем оболочку или оболочки, заполненные подъемным газом, конструктивные элементы крепления оболочки к основанию, включающие подъемный трос или шнур, на конструктивных элементах крепления оболочки к основанию установлена видеокамера со сканером и часть оборудования телевизионной системы наблюдения, управляемые оператором с поверхности земли, а основание выполнена стационарным или мобильным; на элементах крепления оболочки к основанию установлены шарниры, на которых закреплена платформа, снабженная стабилизатором пространственного расположения, а сканер с видеокамерой закреплен на платформе; сканер установлен в положении практического совмещения вертикальной оси поворота с осью шнура или подъемного троса, а вторая ось размещена в корпусе сканера так, что не пересекается с первой.Known is the patent of the Russian Federation for utility model No. 45127 "TEGGED OBSERVATION BALLOON". The utility model relates to unmanned aerial vehicles for observation of the earth's surface. The objective of the utility model is to create a comparatively inexpensive and effective device for conducting observations of the earth's surface. The device is intended for mass use in the national economy and military purposes. The stated objective is achieved in that in the proposed hybrid tethered observation balloon, comprising a shell or shells filled with lifting gas, structural elements for fastening the shell to the base, including a lifting cable or cord, a video camera with a scanner and part of the equipment of the television surveillance system, controlled by an operator from the earth's surface, are installed on the structural elements for fastening the shell to the base, and the base is made stationary or mobile; hinges are installed on the elements for fastening the shell to the base, on which a platform equipped with a spatial arrangement stabilizer is fixed, and a scanner with a video camera is fixed to the platform; the scanner is installed in a position where the vertical axis of rotation is practically aligned with the axis of the cord or lifting cable, and the second axis is placed in the scanner body so that it does not intersect with the first.

Недостатком данного изобретения является то, что рассматриваемая конструкция сложна в изготовлении, при этом аэродинамический стабилизатор, установленный на платформе, стабилизирует только положение видеокамеры, при переменном ветре по силе и направлению вся конструкция не будет устойчива (может снести аэростат), потребуются дополнительные корректирующие команды оператора.The disadvantage of this invention is that the design in question is difficult to manufacture, and the aerodynamic stabilizer installed on the platform stabilizes only the position of the video camera; with variable wind strength and direction, the entire structure will not be stable (it may blow the balloon away), and additional corrective commands from the operator will be required.

Наиболее близким к заявляемой полезной модели является патент РФ на полезную модель № 85147 «ГИБРИДНЫЙ ПРИВЯЗНОЙ АЭРОСТАТ». Полезная модель относится к области воздухоплавания, а именно к привязным аэростатам, обладающим устойчивостью к ветровой нагрузке, предназначенные, в частности, для подъема аппаратуры и оборудования на заданную высоту и ведения наблюдения за земной поверхностью. Гибридный привязной аэростат состоит из оболочки, заполненной подъемным газом, аэродинамических поверхностей, выполненных из полотнищ, натянутых на каркас, представляющих собой крыло малого удлинения, киль, и системы подвеса, соединенной подъемным тросом, конец которого закреплен на управляемой оператором лебедке, установленной на стационарном или мобильном основании. Полезная нагрузка может быть размещена как снаружи, так и внутри оболочки, а также подвешена к ней системой подвеса, либо закреплена на подъемном тросе. Созданием данной конструкции обеспечивается аэродинамическая устойчивость заявляемой гибридного привязного аэростата при переменном по силе и направлению ветровом потоке.The closest to the claimed utility model is the patent of the Russian Federation for utility model No. 85147 "HYBRID Tethered Aerostat". The utility model relates to the field of aeronautics, namely to tethered balloons that are resistant to wind loads, intended, in particular, for lifting equipment and devices to a given height and observing the earth's surface. The hybrid tethered balloon consists of a shell filled with lifting gas, aerodynamic surfaces made of sheets stretched over a frame that is a low aspect ratio wing, a keel, and a suspension system connected by a lifting cable, the end of which is secured to a winch controlled by the operator, installed on a stationary or mobile base. The payload can be placed both outside and inside the shell, and also suspended from it by a suspension system, or secured to a lifting cable. The creation of this design ensures the aerodynamic stability of the claimed hybrid tethered balloon under variable wind flow strength and direction.

Недостатком данной полезной модели является то, что крыло малого удлинения выполнено из полотнищ, натянутых на каркас, которые плохо обтекаются набегающим потоком воздуха, поэтому имеет высокое аэродинамическое сопротивление и при буксировке или усилении ветра аэростат прижимает к земле в результате преобладания агрохимического сопротивления над аэростатической и аэродинамической подъемными силами.The disadvantage of this utility model is that the low aspect ratio wing is made of panels stretched over a frame, which are poorly flown by the oncoming air flow, therefore it has high aerodynamic resistance and when towing or when the wind increases, the balloon is pressed to the ground as a result of the predominance of agrochemical resistance over aerostatic and aerodynamic lifting forces.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание гибридного привязного аэростата, обладающего аэродинамической подъемной силой, обеспечивающей минимальный снос аэростата при подъёме полезной нагрузки в условиях переменного по силе и направлению ветрового потока, а также при буксировке его за движущимся транспортом.The technical result of the claimed utility model is the creation of a hybrid tethered aerostat with an aerodynamic lift force that ensures minimal drift of the aerostat when lifting a payload in conditions of a wind flow that varies in strength and direction, as well as when towing it behind a moving vehicle.

Технический результат достигнут за счет того, что гибридный привязной аэростат, содержащий оболочку с нервюрой-диафрагмой, заполненную подъемным газом, аэродинамические поверхности и систему подвеса с полезной нагрузкой, соединенную длинным подъёмным тросом, управляемой оператором лебедкой, установленной на стационарном или мобильном основании. Подъёмный трос может содержать кабель. Полезная нагрузка может быть размещена как снаружи, так и внутри оболочки, а также закреплена на подъемном тросе. Аэродинамическая поверхность, представляющая собой крыло малого удлинения и киль, выполнена в виде сплюснутого по вертикали обтекаемого тела, имеющего в плане форму сужающегося к хвосту овала с усечённым хвостом. Газонепроницаемый материал оболочки выполнен эластичным. Система подвеса полезной нагрузки и самого аэростата выполнена в виде систем нескольких жестких тросов. Киль снабжен распорками с расчалками.The technical result is achieved due to the fact that the hybrid tethered aerostat contains a shell with a diaphragm rib filled with lifting gas, aerodynamic surfaces and a suspension system with a payload connected by a long lifting cable, a winch controlled by the operator, installed on a stationary or mobile base. The lifting cable may contain a cable. The payload may be placed both outside and inside the shell, and also secured to the lifting cable. The aerodynamic surface, which is a low aspect ratio wing and a keel, is made in the form of a vertically flattened streamlined body, having in plan the shape of an oval tapering towards the tail with a truncated tail. The gas-tight material of the shell is made elastic. The suspension system of the payload and the aerostat itself is made in the form of systems of several rigid cables. The keel is equipped with struts with braces.

Сущность полезной модели заключается в том, что гибридный привязной аэростат состоит из: оболочки, заполненной подъемным газом в виде сплюснутого по вертикали обтекаемого тела, имеющего в плане форму сужающегося к хвосту овала с усечённым хвостом, большая ось которого расположена по полету и представляет собой крыло малого удлинения; киля; системы подвеса полезной нагрузки; системы подвеса аэростата, соединенной с подъемным тросом, второй конец которого закреплен на служащей для подъема, спуска и удержания на рабочей высоте лебедке, установленной на стационарном или мобильном основании. The essence of the utility model is that the hybrid tethered aerostat consists of: a shell filled with lifting gas in the form of a vertically flattened streamlined body, having in plan the shape of an oval tapering towards the tail with a truncated tail, the major axis of which is located along the flight path and is a low aspect ratio wing; a keel; a payload suspension system; an aerostat suspension system connected to a lifting cable, the second end of which is secured to a winch installed on a stationary or mobile base, which serves to lift, lower and hold the aerostat at a working altitude.

Полезная нагрузка может быть размещена как снаружи, так и внутри оболочки, а также подвешена к системе подвеса полезной нагрузки либо закреплена на подъемном тросе.The payload can be placed either outside or inside the shell, and can be suspended from the payload suspension system or attached to a lifting cable.

Оболочка аэростата изготовлена из эластичных (растяжимых и/или малорастяжимых) газонепроницаемых тканей или пленок и заполнена подъемным газом. Оболочка имеет одну или несколько внутренних вертикальных нервюр-диафрагм для поддержания сплюснутой формы. Нервюры-диафрагмы могут быть выполнены из листового эластичного материала (пленки) и/или набора эластичных шнуров и обеспечивают как поддержание формы оболочки, так и за счет своей эластичности поддержание необходимого избыточного давления в оболочке при изменении внешних условий и потере несущего газа. Усечённый хвост аэростата выполняется растянутым по ширине и сплюснутым по вертикали, для чего имеет горизонтальный элемент - распорку в виде жесткой трубки или надувной полости, не связанной с общим объемом оболочки.The aerostat envelope is made of elastic (stretchable and/or low-stretch) gas-impermeable fabrics or films and filled with lifting gas. The envelope has one or more internal vertical diaphragm ribs to maintain the flattened shape. The diaphragm ribs can be made of sheet elastic material (film) and/or a set of elastic cords and provide both support for the envelope shape and, due to their elasticity, maintenance of the required excess pressure in the envelope when external conditions change and the carrier gas is lost. The truncated tail of the aerostat is made stretched in width and flattened vertically, for which it has a horizontal element - a strut in the form of a rigid tube or an inflatable cavity not connected to the overall volume of the envelope.

Присоединенный снизу оболочки киль выполнен в виде каркаса с натянутым полотном или в виде надувной конструкции, не связанной с общим объемом оболочки. Для обеспечения жесткости и передачи нагрузки киль имеет расчалки к оболочке. The keel attached to the bottom of the shell is made in the form of a frame with a stretched canvas or in the form of an inflatable structure not connected to the overall volume of the shell. To ensure rigidity and load transfer, the keel has braces to the shell.

При необходимости, например на оболочках большого объема, для уменьшения высоты аэростата может быть установлено несколько килей уменьшенного размера. If necessary, for example on large-volume shells, several reduced-size keels can be installed to reduce the height of the balloon.

Оболочка и полотно киля могут быть выполнены из прозрачных пленочных материалов, что существенно снижает визуальную заметность аэростата.The shell and keel fabric can be made of transparent film materials, which significantly reduces the visual visibility of the balloon.

Отличительной особенностью заявляемого гибридного привязного аэростата является то, что в условиях действия ветровой нагрузки за счет создания аэродинамической подъемной силы крыла малого удлинения он обеспечивает минимальный снос аэростата от точки запуска, а также сохраняет способность к подъему полезной нагрузки при малых значениях избыточной аэростатической подъемной силы. Эта особенность позволяет уменьшить габаритные размеры, объем газа и соответственно удешевить конструкцию и уменьшить эксплуатационные расходы. A distinctive feature of the claimed hybrid tethered aerostat is that under wind load conditions, due to the creation of aerodynamic lift of a low aspect ratio wing, it ensures minimal drift of the aerostat from the launch point, and also maintains the ability to lift the payload at low values of excess aerostatic lift. This feature allows to reduce overall dimensions, gas volume and, accordingly, reduce the cost of the design and reduce operating costs.

Наличие киля обеспечивает установку аэростата навстречу ветровому потоку при изменении направления ветра.The presence of a keel ensures that the balloon is positioned facing the wind flow when the wind direction changes.

Таким образом, благодаря наличию описанной выше способности аэростата создавать аэродинамическую подъемную силу обеспечивается аэродинамическая устойчивость заявляемого аэростата при действии переменного по силе и направлению ветрового потока, а также при буксировке его за движущимся транспортным средством.Thus, due to the presence of the above-described ability of the aerostat to create an aerodynamic lift force, the aerodynamic stability of the claimed aerostat is ensured when exposed to a wind flow of variable strength and direction, as well as when towing it behind a moving vehicle.

Сущность полезной модели поясняется чертежами:The essence of the utility model is explained by drawings:

На фиг. 1 – вид ¼ спереди, размещение полезной нагрузки.Fig. 1 – front ¼ view, placement of payload.

На фиг. 2 – вид ¼ сзади.Fig. 2 – ¼ view from the back.

На фиг. 3 – вид сверху.Fig. 3 – top view.

Гибридный привязной аэростат 1, содержащий оболочку 2 с нервюрой-диафрагмой 12, заполненную подъемным газом, аэродинамические поверхности и систему подвеса с полезной нагрузкой 5, соединенную длинным подъёмным тросом 6, с управляемой оператором лебедкой 9, установленной на стационарном 8 или мобильном 10 основании. Подъёмный трос 6 содержит кабель 7. Полезная нагрузка 17 может быть размещена как снаружи, так и внутри оболочки 2, а также закреплена на подъемном тросе 6. Аэродинамическая поверхность, представляющая собой крыло малого удлинения 11 и киль 3, выполнена в виде сплюснутого по вертикали обтекаемого тела 13, имеющего в плане форму сужающегося к хвосту овала с усечённым хвостом 14. Газонепроницаемый материал оболочки выполнен эластичным. Система подвеса полезной нагрузки 5 и самого аэростата 4 выполнена в виде систем нескольких жестких тросов. Киль 3 снабжен распорками 15 с расчалками 16.A hybrid tethered aerostat 1 comprising a shell 2 with a diaphragm rib 12 filled with lifting gas, aerodynamic surfaces and a suspension system with a payload 5 connected by a long lifting cable 6 to a winch 9 controlled by an operator and installed on a stationary 8 or mobile 10 base. The lifting cable 6 comprises a cable 7. The payload 17 can be placed both outside and inside the shell 2 and also secured to the lifting cable 6. The aerodynamic surface, which is a low aspect ratio wing 11 and a keel 3, is made in the form of a vertically flattened streamlined body 13, having in plan the shape of an oval tapering towards the tail with a truncated tail 14. The gas-tight material of the shell is made elastic. The suspension system of the payload 5 and the aerostat 4 itself is made in the form of systems of several rigid cables. The keel 3 is equipped with struts 15 with braces 16.

Энергия, необходимая для обеспечения работы полезной нагрузки может быть запасена на самом аэростате, либо подаваться на аэростат с земли посредством кабеля, размещенного в подъемном тросе, либо вырабатываться на аэростате, в том числе генерироваться ветрогенератором за счет набегающего потока воздуха.The energy required to operate the payload can be stored in the balloon itself, or supplied to the balloon from the ground via a cable placed in the lifting cable, or generated in the balloon, including by a wind generator due to the oncoming air flow.

Гибридный привязной аэростат работает следующим образом. The hybrid tethered balloon works as follows.

Подъем аэростата осуществляется за счет аэростатической подъемной силы путем разматывания несущего троса с лебедки. В безветренную погоду аэростат удерживает подъемный трос, натянутый только аэростатической подъемной силой. The balloon is lifted by aerostatic lift by unwinding the lifting cable from the winch. In windless weather, the balloon is held by the lifting cable, which is tensioned only by aerostatic lift.

При наличии ветра на крыле малого удлинения создаётся аэродинамическая подъемная сила, направление которой определяется коэффициентом аэродинамического качества при установленном угле атаки аэростата. Возникающая от набегающего потока сила существенно превышает как всплывную аэростатическую силу, так и вес аэростата с полезной нагрузкой, поэтому можно считать, что подъемная сила равна по величине и противоположна по направлению реакции троса. Для крыла малого удлинения, используемого как оболочка аэростата аэродинамическое качество, к примеру равно 2, поэтому угол сноса (без учета прогиба троса от действия набегающего воздушного потока) не будет превышать примерно 30 градусов от вертикали. Крыло малого удлинения имеет большие (превышающие 45 градусов) углы срыва, что позволяет аэростату уверенно держаться в набегающем воздушном потоке с переменной скоростью и направлением, в том числе с вертикальными порывами.In the presence of wind, an aerodynamic lift force is created on a low aspect ratio wing, the direction of which is determined by the aerodynamic quality coefficient at a set angle of attack of the balloon. The force arising from the oncoming flow significantly exceeds both the floating aerostatic force and the weight of the balloon with the payload, so it can be considered that the lift force is equal in magnitude and opposite in direction to the reaction of the cable. For a low aspect ratio wing used as the shell of an aerostat, the aerodynamic quality, for example, is 2, so the drift angle (excluding the deflection of the cable from the action of the oncoming air flow) will not exceed approximately 30 degrees from the vertical. A low aspect ratio wing has large (exceeding 45 degrees) stall angles, which allows the balloon to confidently stay in the oncoming air flow with variable speed and direction, including with vertical gusts.

Аэродинамическая сила, возникающая на киле, разворачивает аэростат «по ветру». The aerodynamic force generated on the keel turns the balloon "downwind".

Для аэростата с полезной нагрузкой, суммарный вес которых превышает аэростатическую подъемную силу, возможно выполнить подъем в процессе буксировки его транспортным средством, при этом подъем будет осуществляться за счет аэродинамической подъемной силы, создаваемой набегающим потоком воздуха на крыле малого удлинения.For an aerostat with a payload, the total weight of which exceeds the aerostatic lift, it is possible to perform a lift during towing by a vehicle, and the lift will be carried out due to the aerodynamic lift created by the oncoming air flow on the low aspect ratio wing.

Спуск аэростата осуществляется с помощью лебедки, путем сматывания подъёмного троса.The balloon is lowered using a winch by winding up the lifting cable.

Таким образом, совокупность аэростатических и аэродинамических сил, позволяет аэростату занимать необходимое пространственное положение по высоте подъема и углу отклонения подъемного троса от вертикали, в широком диапазоне ветровой нагрузки.Thus, the combination of aerostatic and aerodynamic forces allows the balloon to occupy the required spatial position in terms of lift height and the angle of deviation of the lifting cable from the vertical, in a wide range of wind loads.

В качестве полезной нагрузки, на аэростат можно устанавливать оборудование для выполнения панорамного видеонаблюдения и видеосъемки, аэрофотосъемки, метеонаблюдений, контроля загрязнения атмосферы, научных исследований, передачи, приема, ретрансляции и отражения радиосигнала и т.п. Кроме того, ввиду малого объема, предлагаемые аэростаты могут применяться для оперативного подъема флагов, рекламы, а также мишеней и небольших БЛА.As a payload, the aerostat can be equipped with equipment for panoramic video surveillance and filming, aerial photography, meteorological observations, air pollution control, scientific research, transmission, reception, retransmission and reflection of radio signals, etc. In addition, due to their small volume, the proposed aerostats can be used for the rapid raising of flags, advertising, as well as targets and small UAVs.

Промышленная применимостьIndustrial applicability

Все вышесказанное говорит о достижении технического результата, а именно, создание аэродинамической подъемной силы, обеспечивающей минимальный снос аэростата при подъёме полезной нагрузки в условиях переменного по силе и направлению ветрового потока, а также при буксировке его за движущимся транспортом. Всё вышесказанное говорит о промышленной применимости предлагаемой полезной модели.All of the above indicates the achievement of a technical result, namely, the creation of an aerodynamic lift force that ensures minimal drift of the balloon when lifting the payload in conditions of a wind flow that varies in strength and direction, as well as when towing it behind a moving vehicle. All of the above indicates the industrial applicability of the proposed utility model.

Перечень позиций:List of positions:

1. гибридный привязной аэростат 1. hybrid tethered balloon

2. оболочка 2. shell

3. киль3. keel

4. система подвеса аэростата4. balloon suspension system

5. система подвеса полезной нагрузки5. payload suspension system

6. подъемный трос6. lifting rope

7. кабель 7. cable

8. основание стационарное 8. stationary base

9. лебедка 9. winch

10. основание мобильное10. mobile base

11. крыло малого удлинения 11. low aspect ratio wing

12. нервюра-диафрагма12. rib-diaphragm

13. сплюснутое по вертикали обтекаемое тело 13. vertically flattened streamlined body

14. усечённый хвост 14. truncated tail

15. распорка15. spacer

16. расчалка 16. brace

17. полезная нагрузка17. payload

Claims

1. A hybrid tethered aerostat comprising a shell filled with lifting gas, aerodynamic surfaces and a payload suspension system connected by a long lifting cable to a winch controlled by an operator and mounted on a base, characterized in that the shell comprises a diaphragm rib, and the aerodynamic surface, which is a low aspect ratio wing and a keel, is made in the form of a vertically flattened streamlined body having a plan shape of an oval tapering toward the tail with a truncated tail, and the gas-impermeable material of the shell is made elastic, while the suspension system for the payload and the aerostat itself is made in the form of systems of several rigid cables, and the keel is equipped with struts with braces.

2. A hybrid tethered aerostat according to item 1, characterized in that the base is made mobile.

3. A hybrid tethered aerostat according to item 1, characterized in that the base is made stationary.

4. A hybrid tethered aerostat according to claim 1, characterized in that the payload is located inside the shell.

5. A hybrid tethered aerostat according to item 1, characterized in that the payload is located outside the shell.

6. A hybrid tethered aerostat according to item 1, characterized in that the payload is secured to a lifting cable.