Многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами

Изобретение относится к области аэростатов. Многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами, содержит на внутренней поверхности отрицательный заряд и состоит из нескольких слоев, три самых внутренних из которых образуют катод, анод и заполненный электролитом сепаратор аккумулятора электроэнергии. Количество электронов в оболочке не превышает количество молекул водорода, способных в тех же условиях заполнить такую же по объему оболочку, более чем в М_Н/м_е раз, где М_Н - масса молекулы водорода, м_e - масса электрона. Изобретение направлено на снижение веса. 12 ил.

 

Изобретение относится к конструкциям газовых отсеков В 64 В 1/58 дирижаблей и аэростатов и к электрическим аккумуляторам, размещаемым на транспортных средствах В 60 R 16/04.

(1) Известно, что невозможно создать вакуумный дирижабль с твердой наружной оболочкой и вакуумный дирижабль с внешней оболочкой в форме камеры, заполненной воздухом с избыточным давлением (Броуде В.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. М.: Машиностроение, 1976, с.87-89). В первом случае, даже если удастся создать оболочку, способную выдержать атмосферное давление, вес ее будет столь велик, что об аэростатическом полете не может быть и речи. Во втором случае вес сжатого во внешней оболочке воздуха в 1,9-2 раза больше веса атмосферного воздуха, вытесненного дирижаблем, не считая веса самих оболочек, их связей и остальных конструктивных частей, поэтому тоже аэростатический полет невозможен.

Недостатком рассматриваемых подобных конструкций является отсутствие зарядов внутри оболочки, очевидно, что оболочка с зарядами будет вести себя под действием атмосферного давления не так, как нейтральный газ.

(2) Известны никель-кадмиевые и никель-металлогидридные аккумуляторные элементы (Варламов Р.Г. Современные источники питания. Справочник. М.: ДМК, 1998, с.85-99). Никель-кадмиевый герметичный аккумулятор выполнен в виде прочного стального стакана с выдавкой по периметру в верхней части, боковая поверхность которого закрыта прочной пластиковой оболочкой. Основание (донышко цилиндра) открыто и является отрицательным выводом аккумулятора. Конструкция аккумулятора ленточная и выполнена в виде трех лент: отрицательного активного вещества, сепаратора, пропитанного электролитом, и положительного активного вещества. Эти три ленты свиваются в плотную спираль таким образом, что с основанием стакана контактирует «отрицательная» лента, а объединяющая плата контактирует с одной стороны с «положительной» лентой, а с другой - с защитной крышкой, имеющей выступ положительного вывода. Для фиксации частей аккумулятора и его герметизации используется пластмассовое фасонное упорное кольцо. Чтобы давление газов внутри корпуса не превзошло критических величин, используется предохранительный клапан. Конструкция никель-металлогидридного аккумулятора похожа на рассмотренную выше, отличаясь от нее используемыми материалами и иной конструкцией некоторых деталей. Металлическая защитная крышка имеет более надежную изоляцию от корпуса и обеспечивает высокую степень герметичности за счет уплотняющей шайбы. Вместо выступа положительного вывода имеется колпачек.

Недостатком цилиндрических аккумуляторов является их узкая специализация в качестве источника питания, не позволяющая их использовать в оболочках воздухоплавательных аппаратов.

(3) Известен эффект коррозии электродов в гальванических ваннах (Малахов А.И., Тютина К.М., Цунак Т.Е. Коррозия и основы гальваностегии. М.: Химия, 1987) в результате анодной реакции растворения электродов из металла. Недостатком этого эффекта является то, что он может проявиться не только в ваннах, но и в слоях оболочки предлагаемой в данной заявке конструкции.

(4) Известны и нашли широкое применение в кинескопах (электронно-лучевых трубках) электронные пушки. Практически каждая фирма, выпускающая телевизоры, разработала свою конструкцию пушки (см., например, Иванова А.В., Корсова Е.Н., Кузнецова О.Ф. Электронные пушки для электронно-лучевых трубок. / ж. Обзоры по электронной технике. Серия 1, Электроника СВЧ, 1988, вып.10 (1380), с.7-14). Недостатки электронных пушек не обсуждаются, поскольку они не входят в состав предложенной конструкции и применяются лишь при ее изготовлении.

(5) Известно, что электрон относится к стабильным лептонам (Элементарные частицы. / Физика. Большой энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983, с.898, Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М.: Наука, 1990), то есть самопроизвольно не распадается, и может длительное время пребывать в вакууме, например в космосе в составе солнечного ветра (Хундхаузен А. Расширение короны и солнечный ветер. М.: 1976). Недостатком этого свойства является то, что оно практически не используется в технике.

(6) Известен и предлагается в качестве прототипа аэростатический летательный аппарат (патент на изобретение РФ №2126342, В64В 1/62, от 31.07.1997), содержащий наружную оболочку, внутреннюю оболочку, силовые поперечные связи, предназначенные для соединения наружной оболочки с внутренней оболочкой с образованием пневмонапряженной конструкции замкнутой формы при заполнении полости между наружной и внутренней оболочками легким несущим газом под избыточным давлением выше атмосферного, и средство, имеющее канал, в котором установлен перепускной клапан, и предназначенное для изменения аэростатической подъемной силы при заполнении полости внутри внутренней оболочки через перепускной клапан атмосферным воздухом, отличающийся тем, что указанное средство имеет насос, позволяющий откачивать воздух до давления ниже атмосферного из объема внутри внутренней оболочки, и компрессор, позволяющий нагнетать воздух в объем внутри внутренней оболочки до давления выше атмосферного через перепускной клапан в указанном канале. Очевидно, что целью данного изобретения было не повышение подъемной силы, так как воздух не является подъемным газом, а регулирование высоты подъема воздухом в качестве дешевого балласта. Кроме того, автор хотел исправить техническую ошибку, которая вкралась в патент английского автора, который допускал возможность заполнения внешней камеры воздухом, а не подъемным газом, что невозможно.

Недостатком описанного изобретения является то, что автор считает возможным понижать давление воздуха в центральной камере ниже атмосферного без установки внутри нее распорок, не позволяющих схлопываться оболочке. Это наводит на мысль заполнять центральную камеру более рационально тем, что не позволяет схлопываться оболочке, тогда для регуляции высоты полета можно закачивать воздух снаружи между подъемной камерой и наружной оболочкой дирижабля, как это принято в известных пневмодирижаблях (Броуде Б.Г. Воздухоплавательные летательные аппараты. М.: Машиностроение, 1976, с.108-110).

Целью изобретения является заключение электронов в непроницаемую для них аэростатическую оболочку, имеющую небольшой вес и не требующую затрат электроэнергии источника питания большого веса на свое функционирование.

Техническим результатом изобретения являются

- оболочка, заполненная электронами, пребывающими в броуновском движении, создающими подъемную силу аэростата,

- поддержание на внутренней поверхности оболочки отрицательного заряда, не позволяющего электронам просачиваться наружу,

- возможность периодической подзарядки внутренних слоев оболочки как обычного аккумулятора,

- защита заряженных слоев оболочки от коррозии с образованием сквозных отверстий путем изготовления их определенной толщины по сравнению со слоем оболочки, содержащим электролит,

- удешевление электростатической оболочки в связи с тем, что гелий как подъемный газ является более дорогостоящим материалом, чем электроны.

Этот технический результат достигается тем, что многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами, содержит на внутренней поверхности отрицательный заряд, состоит из нескольких слоев, три самых внутренних из которых образуют катод, анод и заполненный электролитом сепаратор между ними, составляющие аккумулятор электроэнергии, при этом количество электронов в оболочке не превышает количество молекул водорода, способных в тех же условиях заполнить такую же по объему оболочку, более чем в М_Н/м_e раз, где М_Н - масса молекулы водорода, м_е - масса электрона, при этом давление в камере образуется тремя силами: динамической силой, которая получается в результате ударов поля электронов с электронами, находящимися в броуновском движении, о поле оболочки, образуемое отрицательными ионами аккумулятора, и которая мала по сравнению с подобной силой у оболочек, заполненных молекулярным подъемным газом, динамической силой веса электронов, которая получается в результате ударов поля электронов с электронами, разогнавшимися в гравитационном поле Земли, о поле нижней части оболочки, образуемое ее отрицательными ионами, и которая мала по сравнению с подобной силой у оболочек, заполненных молекулярным подъемным газом, что способствует созданию более высокой архимедовой силы, статической силой, которая получается в результате постоянного (редко меняющегося при метеорологических изменениях) сжатия электронов под действием внешнего атмосферного давления, при котором расстояние между электронами уменьшается, и они начинают отталкиваться кулоновскими силами друг от друга и от отрицательно заряженной оболочки, и которая не позволяет оболочке схлопываться.

Описание чертежей

На чертежах приведены следующие изображения.

Фиг.1 - многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами, поперечный разрез, фиг.2 - схема для демонстрации механизма образования подъемного давления (подъемной силы) аэростата или дирижабля, фиг.3 - вид снаружи из гондолы на стягивающую планку, фиг.4 - поперечный разрез АА стягивающей планки, фиг.5 - продольный разрез трубки для заполнения оболочки электронами, фиг.6 - продольный разрез ББ стягивающей планки.

Цифрами на чертежах обозначены:

Фиг.1 и ниже: 1 - внутренний слой оболочки, образующий катод аккумулятора, 2 - слой оболочки, образующий сепаратор с электролитом в аккумуляторе, 3 - слой оболочки, образующий анод аккумулятора, 4 - диэлектрический изолирующий слой оболочки, 5 - слой оболочки, образующий корпус аккумулятора, 6 - трубка для заполнения оболочки электронами, 7 - стягивающая планка, 8 - центральная камера с электронами, 9 - клемма на стягивающей планке, 10 - тросы для крепления к грузу на земле или средству транспорта, 11 - гондола или контейнер с грузом,

Фиг.2: 12 - нижняя плоскость оболочки, площадь которой S, 13 - условная верхняя граница атмосферы, 14 - высота первого столба атмосферы H₁, давящего на нижнюю плоскость оболочки, 15 - высота оболочки h, 16 - высота второго столба атмосферы H₂, давящего на верхнюю плоскость оболочки,

Фиг.3 и ниже: 17 - клапан для выпуска газа из аккумулятора, 18 - ушки планок 7, 19 - болт, стягивающий ушки 18,

Фиг.4 и ниже: 20 - зажимные пластины, 21 - стержень с резьбой, 22 - гайки, 23 - внутренний металлический слой стягивающей пластины, 24 - внешний диэлектрический слой стягивающей пластины,

Фиг.5: 25 - выступы трубки, образующие щели 26 для зажима оболочки катода, 27 - пробка, 28 - диэлектрический винт, 29 - диэлектрическое покрытие трубки,

Фиг.6: 30 - провод для соединения слоя 3 с клеммой 9, 31 - положительно заряженная пластина, 32 - прямоугольный вставной сепаратор с электролитом, 33 - провод для подвода положительного заряда, 34 - винт для крепления провода 33.

Фиг.7 - расстановка сил, действующих на соединительный элемент между оболочками у аппарата прототипа или иного аппарата, имеющего многослойную оболочку с подъемным газом между слоями, фиг.8 - расправленная наружная оболочка у прототипа или у иного аппарата, имеющего многослойную оболочку с подъемным газом между слоями, вид изнутри с местами подсоединения соединительных элементов, фиг.9 - наглядная демонстрация, что a₁>а₂, фиг.10 - схема измерения давления в камере манометром с мембраной, фиг.11 - схема измерения давления в камере манометром с жидкостью в трубке, фиг.12 - расстановка сил с учетом всех составляющих давление сил в оболочке с электронами.

Цифрами на чертежах обозначены:

На фиг.7 и ниже: 35 - наружная оболочка камеры с подъемным газом, 36 - внутренняя оболочка камеры с подъемным газом, 37 - подъемный газ в камере между оболочками 35, 36, имеющий избыточное давление, 38 - соединительный элемент, соединяющий оболочки 35, 36 в единую конструкцию,

На фиг.8: 39 - места подсоединения элементов 38 к оболочке 35,

На фиг.10-11: 40 - камера, в которой измеряется давление, 41 - трубки манометра, 42 - деформируемая мембрана, 43 - подвижная жидкость,

На фиг.12: 44 - оболочка с электронами в целом, без учета многослойности.

На фиг.2 представлен кубический аэростат для демонстрации образования подъемного давления (подъемной силы). Давление в газах, в том числе и в атмосфере, распространяется равномерно во все стороны в отличие от твердых тел. На площадку S в основании кубического аэростата 12 оказывается давление снаружи и изнутри аэростата. Снаружи на нее давит столб воздуха высотой H₁, а изнутри столб воздуха и газа, равный сумме высот Н₂ и h. Давление снаружи и снизу на площадку S p₁ уравновешивает давление сверху на нее р₂:

Здесь давление - это отношение силы веса столба газа к площади S, на которую он давит.

Здесь m₁ - масса столба воздуха высотой H₁ и площадью S, m₂ - масса столба воздуха высотой Н₂ и площадью S, m₃ - масса оболочки аэростата и груза, m - масса газа внутри аэростата, g - ускорение свободного падения.

Если давление снизу в левой части уравнения 2 превысит давление сверху в правой части уравнения 2, то возникает подъемное давление, которое можно уравновесить, подвесив к аэростату груз тем большей массы, чем больше превышение давления в левой части над правой частью. Добиться увеличения подъемного давления и взятого на борт груза можно, только уменьшив массу газа в аэростате, поскольку массы столбов воздуха m₁ и m₂ мы изменить не можем. Масса m газа в аэростате равна

Здесь n - количество элементарных частиц, например молекул газа или электронов, в оболочке аэростата, M - масса одной элементарной частицы.

Количество молекул у разных газов в одном объеме в одинаковых условиях одинаковое. Масса молекулы водорода меньше массы молекулы гелия. Поэтому масса аэростата, заполненного водородом, меньше массы аэростата, заполненного гелием, и на первый действует большее подъемное давление, чем на второй.

Если оболочку заполнить электронами, масса которых меньше массы молекул водорода, то выталкивающее давление на площадку 12 аэростата будет больше, чем на аэростат, заполненный водородом, и аэростат, заполненный электронами, сможет взять на борт больше груза или взять на борт такой же груз, но при меньшем объеме оболочки. Масса электрона меньше массы молекулы водорода более чем в 1000 раз, во столько же примерно раз камера 8 будет меньше по объему сходной по выталкивающему давлению оболочки с водородом.

При заполнении оболочки аэростата электронами необходимо соблюсти условие согласно формуле 3, что число электронов n в оболочке должно быть равно или сопоставимо с числом n молекул водорода в такой же по выталкивающему давлению оболочке. Если число электронов будет превышать число молекул водорода в М_H/м_е раз, где м_е - масса электрона, М_Н - масса молекулы водорода, то масса газа в аэростате, заполненном водородом, будет меньше массы массива электронов в аэростате, заполненном электронами, и подъемное давление аэростата с водородом будет больше, чем у аэростата с электронами.

Чтобы соблюсти это условие, необходимо при заполнении аэростата контролировать количество попадающих в оболочку электронов. Это можно делать, регулируя силу тока I и время включения тока t, поступающего из электронной пушки пучка электронов:

Здесь q - заряд всех электронов, е - заряд одного электрона.

После заполнения оболочки электронами необходимо обеспечить их нахождение внутри оболочки. Даже относительно крупные молекулы водорода постепенно просачиваются сквозь оболочку. Герметичность оболочки для электронов можно соблюсти, если на внутренней поверхности она будет содержать отрицательный заряд, отталкивающий электроны. Между заряженной оболочкой и электронами будет существовать тонкий слой, в котором электронов не будет: они из него будут выталкиваться. Потенциальный барьер, энергия которого равна Силе Кулона, создаваемой элементом оболочки, умноженной на толщину этого слоя, должен превышать среднюю кинетическую энергию электронов. Для преодоления потенциального барьера, создаваемого нижней поверхностью оболочки, кроме кинетической энергии электрона будет использоваться электронами еще потеря их потенциальной энергии в гравитационном поле Земли. Кинетическую энергию электронов необходимо учитывать при заполнении оболочки. Для замедления поступления электронов в оболочку, которое будет определяться начальной скоростью электрона внутри оболочки, необходимо соответствующим образом снизить силу тока пучка электронов и увеличить время включения электронной пушки. Соблюдение правильной скорости поступления электронов в оболочку можно контролировать, приставив люминесцентный экран со стороны оболочки, противоположной отверстию, через которое заполняется оболочка. Если электронный пучок будет пробивать оболочку, экран будет светиться, что будет означать наличие избыточной начальной скорости у электронов. Если электронный пучок не будет преодолевать оболочку, то скорость электронов подходящая и экран светиться не будет.

Чтобы внутренняя поверхность оболочки была заряжена отрицательно и заряд постоянно поддерживался, внутренние слои оболочки сделаны в виде электрического аккумулятора. Тогда катодом в нем (фиг.1) будет служить внутренний слой оболочки 1, сепаратором, пропитанным электролитом, - следующий слой оболочки 2, анодом будет служить третий слой оболочки 3. Четвертый диэлектрический слой оболочки будет изолировать анод от пятого слоя оболочки 5, сделанного из тонкого слоя металла. Общая концепция слоев оболочки повторяет концепцию лент никель-кадмиевых и никель-металлогидридных аккумуляторных элементов, тогда слой 1 будет состоять из кадмия или металлогидрида. Слои оболочки под действием атмосферного давления пытаются сжать электроны в оболочке, между электронами возникают силы кулоновского отталкивания, которые не позволяют схлопываться оболочке.

Необходимость стягивающей планки 7 (фиг.1, 3, 4, 6) объясняется способом изготовления электрического аккумулятора из слоев оболочки. Металлический катод отливается в электромагнитной изложнице переменного профиля (патент на изобретение РФ №2246374) и делается заданной формы. В нижней части оболочки 1 оставляется отверстие, края которого вставляются в щель 26 между круглыми выступами 25 в основании трубки 6 (фиг.5). Свободный конец трубки 6 закрепляется, и по ее наружным выступам 25 наносятся удары молотком, прижимающие края оболочки 1 к внутренним выступам 25. После формирования слоев оболочки 1-5 из оболочки 1 в камере низкого давления будет выкачан воздух, и камера 8 будет заполнена электронами через трубку 6, после чего она затыкается низкоплавящимся металлом (припоем), который после застывания образует пробку 27. На свободном конце трубки 6 внутри нее имеется резьба, куда ввинчивается диэлектрический винт 28.

Для заполнения камеры 8 электронами слой оболочки оборачивается слоями сепаратора 2, анода 3, диэлектрика 4 и тонким слоем металла 5. Края перечисленных слоев зажимаются между зажимными пластинами 20 (фиг.4, 6) путем ввинчивания в отверстия в пластинах 20 стержней с резьбой 21 и стягивания пластин гайками 22. Зажимные пластины 20 с четырех сторон образуют вытянутый прямоугольник. Вдоль длинных сторон прямоугольника на концы стержней 21 надеваются с двух сторон навстречу друг другу планки 7, имеющие подогнутые вниз края, которые зацепляются за концы стержней 21, как показано на фиг.4. На коротких сторонах пластин 7 концы тоже подогнуты вниз и зацепляются за концы пластин 20 после соединения обеих пластин 7 в середине конструкции. Планки 7 на незагнутых стыкуемых краях содержат ушки 18, которые совмещаются при соединении планок и стягиваются винтом 19. Щель в месте стыковки планок запаивается.

Чтобы под планками 7 не образовалось прямоугольной дыры, через которую электроны могут просачиваться сквозь оболочку 1, до надевания планок 7 на свободный от слоев оболочки 2-5 участок оболочки 1 кладется сначала прямоугольный вставной сепаратор 32, пропитанный электролитом, и на него накладывается пластина 31, которая проводом 33 соединяется с нижней поверхностью 23 одной из планок. Тогда положительный заряд поступает из слоя 3 с одной стороны через зажимные пластины 20 и стержни 21 по внутреннему металлическому слою 23 планки 7, проводу 33 на пластину 31, с другой стороны положительный заряд образуется в результате электрохимической реакции на пластине 31, которая служит анодом в месте отсутствия слоя оболочки 3.

При надевании оболочек 2-5 на трубку 6 в них выполняется отверстие по диаметру трубки, места контакта трубки с этими слоями герметизируются, например, клеем. Благодаря диэлектрическому покрытию 29 трубки 6 в месте контакта с нею слоя 3 ток не течет.

В планке 7 имеется отверстие с клапаном 17 для выпуска газа, образовавшегося на электродах. Клемма 9 на планке 7 соединена проводом 30 с третьим слоем оболочки, клемма 9 несет положительный заряд и прикрывается диэлектрическим колпачком. При падении напряжения между слоями 1-3 аккумулятор подзаряжается путем присоединения трубки 6 после свинчивания с нее винта 28 к положительному полюсу источника тока и присоединения клеммы 9 после снятия с нее колпачка к отрицательному полюсу того же источника, как это делают при подзарядке аккумуляторной батареи аналогичной конструкции.

Для антикоррозийной защиты предлагается сделать толщину слоя оболочки 1 и толщину слоя оболочки 3 превышающими половину толщины слоя оболочки 2, чтобы количества электролита, заполняющего второй слой оболочки, было заведомо недостаточно, чтобы разъесть насквозь всю толщину слоя оболочки 1 или 3 с образованием отверстия, через которое электроны из камеры 13 будут просачиваться наружу.

Тросы 10 содержат на концах петли. Нижние петли (кольца) предназначены для крепления аэростата, верхние петли привариваются к корпусу 5.

Гондола или контейнер 11, которая имеется у аэростат-контейнера или простого аэростата, может отсутствовать, если, например, оболочка описанной конструкции размещена в качестве газового отсека под наружной оболочкой дирижабля.

Описанная оболочка не позволяет аппарату покидать атмосферу Земли, но может служить средством доставки космических аппаратов.

Теоретически возможно под заряженную отрицательным или положительным (при смене местами слоев 1 и 3) зарядом внутреннюю поверхность оболочки камеры 8 помещать любые элементарные заряженные частицы. Но с практической точки зрения только электрон соответствует всем требованиям, предъявляемым к таким частицам. Он является стабильной частицей, получаемой в любых промышленно значимых количествах. Помещение под оболочку заряженных нестабильных частиц приведет к появлению радиоактивного излучения вокруг оболочки, что сделает ее небезопасной для пассажиров и грузов. Получение других заряженных стабильных частиц пока невозможно в достаточных количествах.

Описанная оболочка является признаком дирижаблей и аэростатов четвертого поколения. Дирижабли второго поколения - это цеппелины, которые выполняли функции, ставшие впоследствии функциями самолетов (бомбардировка, разведка, перевозка пассажиров и грузов между портами). Дирижабли первого поколения - это те экспериментальные образцы, которые строились до цеппелинов, преимущественно использующие нагретый воздух в качестве подъемного газа. Дирижабли третьего поколения это те, которые были спроектированы после цеппелинов и выполняют функции на стыке функций воздушного и водного или наземного транспорта (строительство, сельское хозяйство, спорт, лесоводство, рыбоводство, рыболовство, коммунальное хозяйство, доставка самолетов и космических кораблей и т.п.).

Многослойная аэростатическая оболочка, заполненная электронами, содержащая на внутренней поверхности отрицательный заряд и состоящая из нескольких слоев, три самых внутренних из которых образуют катод, анод и заполненный электролитом сепаратор аккумулятора электроэнергии, при этом количество электронов в оболочке не превышает количество молекул водорода, способных в тех же условиях заполнить такую же по объему оболочку, более чем в М_Н/м_е раз, где М_Н - масса молекулы водорода, м_e - масса электрона.