Ислледование возможных схем стратосферных аэростатов
Дмитрий Раков (РАН) (-->www.rakov.de)
Работа выполнена при поддержке Фонда Александра Гумбольдта
В настоящее время существует ряд концепций высотных исследовательских стратосферных платформ (высоты полета около 20 км), которые базируются на дирижаблях[5] и самолетах. Целями исследований является рассмотрение возможных схем стратосферных платформ для использования их в следующих областях:
· исследовательских
· коммуникационных целей
· в качестве пунктов наблюдения
Недостатками известных систем являются:
· Высокая скорость полета, которая не позволяет проводить точные исследования химического состава атмосферы
· Невозможность длительного съема информации
· Большие габариты и энергозатраты для полета
· Невозможность получения профиля распределения по высоте параметров атмосферы
Для устранения вышеназванных недостатков были рассмотрены несколько кластеров привязных аэростатов. Для исследования различных вариантов аэростатов использовалась методика структурного синтеза, при помощи которой были найдены группы перспективных аппаратов[7,8].
Рис.1. Морфологическое поле схем решений аэростатов.
Исследовательская система может функционировать следующим образом. Исследовательская платформа размещена на борту привязного аэростата. Энергетическое обеспечение осуществляется по кабелю с Земли, энергетической установкой на борту аэростата или при помощи солнечных батарей. На рисунке 2 дана схема использования привязного аэростата.
Рис.2. Схема полета аэростата.
Для различных вариантов аэростатов были рассчитаны баллистические, аэродинамические и массово-геометрические модели. Баллистические расчеты проводились путем интегрирования уравнений движения методом Эйлера с шагом интегрирования 0,02 с при помощи программы «СПЛАТ» (Стратосферная ПЛАТформа). Все модели сравнивались между собой по критерию массовой эффективности.
На рис.3 показаны нагрузки, действующие на привязной аэростат.
Рис.3. Силы, действующие на привязной аэростат
При расчетах полагалось, что аэростат находится на высоте 20 км, а полезная нагрузка варьируется от 20 до 1000 килограммов. На рисунках 4-5 представлены траекторные характеристики платформы с полезной нагрузкой 200 килограммов.
Рис.4. Изменение сопротивления, скорости подъема, скорости ветра и высоты в зависимости от времени
Рис.5. Изменение сопротивления, объема аэростата, скорости подъема и высоты в зависимости от времени
Общая масса системы составила 4080 кг, при этом масса самого аэростата 1230 кг, а масса троса 2440 килограмм при его длине около 30 км и при объеме баллона 53 тысячи кубических метров
Сравнение различных схем аппаратов. По результатам расчетов можно сделать вывод о том, что наиболее критичным участком при подъеме аэростатов является участок 10-13 км. На этих высотах скорости ветра достигают 30 метров в секунду и нагрузки на конструкцию могут достигать больших величин. В связи с этим были проанализированы варианты выполнения аэростатов в виде воздушных шаров и в виде аэродинамических тел вращения (подобных дирижаблям). Результаты приведены в таблице 1. Можно видеть, что наиболее приемлемыми вариантами являются аэродинамические тела вращения, нагрузки на которые составляют только около трети нагрузок от нагрузок, воздействующих на воздушные шары.
Таблица 1 Сравнение нагрузок, воздействующих на аэростаты.
Использование водорода для систем аэростата
В качестве несущего газа предполагается использовать водород[1]. Для получения водорода на борту аэростата можно использовать два способа
· Получение водорода путем глубокого охлаждения;
· Получение водорода путем электролиза.
Получение водорода путем глубокого охлаждения осуществляется при охлаждении газа до –190 градусов. При этой температуре конденсируются все другие составные части, и только водород, который конденсируется при –253 градусах, остается в газообразном состоянии. При методе электролиза водных растворов с целью получения водорода требуется около 7 кВт*ч при выработке 1 м3 водорода. Электроэнергию для электролизеров можно преобразовывать из солнечной энергии (рис.6) или передавать ее посредством кабеля с Земли (рис.7).
Рис.6. Использование энергоаккумулирующих веществ на борту аэростата при помощи преобразования солнечной энергии.
Рис.7. Использование энергоаккумулирующих веществ на борту аэростата при помощи энергетического кабеля.
Перспективным считается метод получения водорода из гидридных аккумуляторов, которые состоят из гидридных патронов, наполненных металлогидридным порошком. Основу порошка составляет лантан никелевый гидрид. При его нагреве выделяется водород, а при увеличении давления молекулы материала интенсивно поглощают водород (каждая молекула сплава удерживает шесть атомов водорода). Разместив на борту аэростата установку можно значительно повысить автономность полета. Водород используется как для подпитки оболочки, так и для получения электроэнергии, а также в качестве топлива двигателей аэростата. Подобные аэростаты могут стать самыми экологически чистыми аппаратами. Применение водорода в качестве топлива удобно также тем, что при его сгорании не будет изменяться масса аэростата. 1 кг водорода, полученный из 150 г металлогидридного порошка, имеет теплоту сгорания, что и 2,5 литра керосина. Можно также создать гелий-водородный аэростат, в котором внутри гелиевой оболочки будут находиться водородные отсеки.
Использование платформы для изучения озонового слоя
От ультрафиолетового излучения (солнечной радиации) Землю предохраняет так называемый озоновый слой. Озоновый слой располагается в верхних слоях атмосферы, на высотах около 8 км над полюсами и простирается вверх на высоту до 50 км, в особо заметных количествах присутствует на высоте 19-23 км [2,3,4].
Общее количество озона в атмосфере, если его сжать до плотности воздуха у поверхности Земли, составит слой толщиной около 3,5 миллиметров. Эта тонкая пленка является одним из ключевых факторов, делающих окружающую среду планеты пригодной для жизни человека. Озон поглощает солнечное ультрафиолетовое излучение (УФ излучение с длиной волны в диапазоне между 280 и 320 нанометров, которое способно повредить живым организмов). Это свойство делает озон незаменимым элементом защиты человека от УФ излучения.
Молекулы озона постоянно образуются и разрушаются в стратосфере. Новые молекулы озона непрерывно возникают в процессе химических реакций, происходящих на солнечном свету. Озон образуется под воздействием солнечной радиации, стимулирующей реакцию между молекулами и свободными атомами кислорода. Под воздействием умеренной радиации озон распадается, абсорбируя энергию радиации. Так как механизм создания молекул озона находится в балансе с механизмом их разрушения, то среднее количество озона в стратосфере - величина сравнительно постоянная с момента образования современной атмосферы.
В середине 80х годов было обнаружено, что над южным полюсом в определенные периоды года содержание озона в высоких слоях атмосферы резко снижается. Это явление, получившее название "озоновой дыры", вскоре было обнаружено и над северным полюсом. Более детальные наблюдения показали, что в некоторые периоды озоновая дыра распространяется не только на заполярные территории, но и в гораздо более низкие широты, вплоть до плотно населенных регионов.
Концентрация озона в атмосфере очень мала, и небольшие изменения количества озона приводят к серьезным изменениям интенсивности ультрафиолета, достигающего земной поверхности. Озон разрушается под воздействием соединений хлора, известных как фреоны, которые, также разрушаясь под воздействием солнечной радиации, освобождают хлор, "отрывающий" от молекул озона "третий" атом. Хлор служит катализатором "разрыва". Таким образом, один атом хлора способен "погубить" много озона. Считается, что соединения хлора способны оставаться в атмосфере от 50 до 120 лет.
В 1985 г.была принята Венская конвенция по защите озонового слоя Земли, которая потом дополнялась Монреальским протоколом в 1987 г. и поправками к нему Лондонской (1990 г.) и Копенгагенской (1992 г.) конференций. Сейчас производство фреонов запрещено. По некоторым экспертным оценкам, озона в атмосфере Земли стало меньше на 8%, а скорость убыли достигает 0,1-0,5% в год. При помощи привязной системы (рис.8) можно проводить подробные исследования распределения озона по высоте, сезонные изменения его концентрации и т.п.
Рис.8. Использование аэростата для исследования озонового слоя.
Рассматриваемая концепция по сравнению с существующими проектами характеризуется следующими особенностями:
· Простой конструкцией;
· Малым воздействием на атмосферу (экологический фактор);
· Высокой массовой отдачей;
· Возможностью подпитывать аэростат в полете.
В качестве областей применения можно назвать следующие области:
· Мониторинг и исследования атмосферы;
· Изучения методов активного воздействия на атмосферные процессы;
· Экологические исследования;
· Исследования локальных и глобальных «озоновых» дыр [6];
· Системы телекоммуникаций (С высоты 20 км диаметр обозрения составляет около 400 км);
· В качестве наблюдательных систем.
1. Бойко Ю.С. Воздухоплавание.- М.Изд-во МГУП,2001
2. В.В.Лунин, М.П.Попович, С.Н.Ткаченко Физическая химия озона Издательство Московского Университета (1998 год) c.63-109
3. P.Wihler. Ozone and Long-Term Trends in the Northern Hemisphere. 14 ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Releated Research. P.176.
4. F.J.Smidler, S.McCarty. Vertical Ozone Profile comprasion between Ozonesonden and remote Instrumentation. P.172.
5. B.Kröplin. High Altitude Plattforms. 3rd Airship Convention and Exhibition in Friedrichhafen, 3-5 Juli 2000.
6. Rakov D. Aktive Methoden zur Wiederherstellung der stratosparischen Ozonschicht. Deutsche Luft-und Raumfahrt Kongress, DGLR-JT2000-204, Leipzig 18.-21. September 2000, Band 1, S.1215-1219.
7. Rakov D. Strukturelle Synthese und Analyse von innovativen technischen Systemen. 29.Internationale symposium IGIP-2000 „Unique and Excellent“, Sektion “Mensch und Technik, Leuchtturm-Verlag, HTA Biel-Bienne, Switzerland, s.388-395
8. Rakov D. Morphological Synthesis Method of the Search for Promising Technical Systems // IEEE Aerospace and Electronic Systems magazine, December 1997, p.3-8. USA
