Воздухоплавательный аппарат для очистки воздуха городов от газов и пыли

Изобретение относится к областям экологии и авиации, в частности к конструкциям летательных аппаратов для очистки атмосферы городов от газов и пыли. Воздухоплавательный аппарат для очистки воздуха городов от газа и пыли включает несущий квадрокоптер, электростатический фильтр и моноплан. Внутри жесткого корпуса электростатического фильтра расположены металлические круговые сетки положительных электродов с подвешенными между ними проволочными коронирующими отрицательными электродами. Сверху и снизу фильтра расположены газовые подушки, армированные дугами обручей, а по бокам фильтра прикреплены четыре фермы-консоли, на которых установлены четыре движителя в виде электромотора с пропеллером. На крыле моноплана расположены элементы солнечной батареи. Достигается возможность уничтожать газовые или пылевые очаги в любом районе города. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Человечество, ускоренно совершенствуя техногенную сферу, совершенствуя цивилизацию, оно одновременно и насилует природу, загаживая ее отбросами своего собственного бытия.

Предлагаемое изобретение относится к области экологии, в частности к устройствам по очистке атмосферы городов от газов и пыли.

Рассмотрим современные системы очистки промышленных газовых выбросов в атмосферу, так как именно промышленность является источником опасных и крайне опасных примесей [1]. Вторым источником загрязнения атмосферы городов являются выбросы автомобильного транспорта.

В газообразных промышленных выбросах вредные примеси можно разделить на две группы:

а) взвешенные частицы (аэрозоли) твердых веществ - пыль, дым; жидкостей - туман,

б) газообразные и парообразные вещества.

К аэрозолям относятся взвешенные твердые частицы неорганического и органического происхождения, а также взвешенные частицы жидкости (туман).

Пыль - это дисперсная малоустойчивая система, содержащая больше крупных частиц, чем дымы и туманы. Неорганическая пыль в промышленных газовых выбросах образуется при горных разработках, переработке руд, металлов, минеральных солей и удобрений, строительных материалов, карбидов и других неорганических веществ.

Промышленная пыль органического происхождения - это, например, угольная, древесная, торфяная, сланцевая, сажа и др.

К дымам относятся аэродисперсные системы с малой скоростью осаждения под действием силы тяжести. Размеры частиц в дымах много меньше, чем в пыли и туманах, и составляют от 5 мкм до субмикронных размеров, т.е. меньше 0,1 мкм.

Туманы состоят из капелек жидкости, образующихся при конденсации паров или распылении жидкости. В промышленных выхлопах туманы образуются главным образом из кислоты: серной, фосфорной и др.

Газообразные и парообразные вещества, содержащиеся в промышленных выбросах и автомобильных выхлопах, гораздо более многочисленны.

К этой группе относятся кислоты, галогены и галогенпроизводные, газообразные оксиды, альдегиды, кетоны, спирты, углеводороды, амины, нитросоединения, пары металлов, пиридины, меркаптаны и многие другие компоненты газообразных промышленных отходов.

Так как промышленные объекты зачастую находятся в черте города, то все перечисленные выше компоненты могут присутствовать в городской атмосфере.

Методы очистки по их основному принципу можно разделить на механическую очистку, электростатическую очистку и очистку с помощь звуковой и ультразвуковой коагуляции.

К сухим методам относятся: гравитационное осаждение; инерционное и центробежное пылеулавливание, фильтрация. Эти методы, кроме фильтрации, применяются лишь для грубой очистки газа и крупных частиц пыли диаметром более 50-100 мкм, причем степень очистки составляет не выше 40-50%.

Фильтрация - весьма распространенный прием тонкой очистки газов, основана на прохождении очищаемого газа через различные фильтрующие ткани (хлопок, шерсть, химические волокна, стекловолокно и др.) или через другие фильтрирующие материалы (керамика, металлокерамика, пористые перегородки из пластмассы и др). Наиболее часто для фильтрации применяют специально изготовленные волокнистые материалы - стекловолокно, шерсть или хлопок с асбестом, асбоцеллюлозу. Степень очистки составляет 85-99%.

На фильтрах из стекловолокнистых материалов и тонковолокнистой ваты из нержавеющей стали, обладающих высокой прочностью и устойчивостью к переменным нагрузка, возможна очистка агрессивных газов при температуре до 275°С.

Недостатки фильтрации: высокое гидравлическое сопротивление и быстрое забивание фильтрующего материала пылью.

Основной недостаток всех методов мокрой очистки газов от аэрозолей - это образование больших объемов жидких отходов (шламов). Таким образом, если не предусмотрены замкнутая система водяного оборота и утилизация всех компонентов шлама, то мокрые способы газоочистки по существу только переносят загрязнители из газовых выбросов в сточные воды, т.е. из атмосферы в водоемы.

Электростатическая очистка газов служит универсальным средством, пригодным для любых аэрозолей, включая туманы кислот, и при любых размерах частиц пыли.

Метод основан на ионизации и зарядке частиц аэрозоля при прохождении газа через электрическое поле высокого напряжения, создаваемое коронирующими электродами. Промышленные электрофильтры состоят из ряда заземленных пластин или труб, через которые пропускается очищаемый газ, между пластинами-электродами подвешены проволочные коронирующие электроды, к которым подводится напряжение 25-100 кВ. Степень очистки достигает 99,9% на многопольных электрофильтрах. Недостаток этого метода - большие затраты средств на сооружение и содержание очистных установок и значительный расход энергии на создание электрического поля. Расход электроэнергии на электростатическую очистку - 0,1-0,5 кВт на1000 м³ очищаемого газа.

Звуковая и ультразвуковая коагуляция пока мало применяются в промышленности и находятся в основном в стадии разработки.

Для предлагаемого изобретения наиболее приемлемы электростатические фильтры для очистки газов или угольные фильтры, как наиболее дешевые, для очистки воздуха от пыли.

Промышленные очистительные установки в основном стационарного типа, их не расставишь по всему городу. Циклоны и ротоклоны не провезешь по городу в условиях многокилометровых пробок. Поэтому возникла идея создания воздухоплавательного аппарата по очистке городского воздуха от газа и пыли (смога).

Известен воздухоплавательный аппарат (дирижабль), содержащий ферму, сигарообразную оболочку, заполненную газом легче воздуха, стабилизатор, элементы крепления оболочки к ферме, движители в виде воздушных винтов, кабину для экипажа и груза [2].

Известно также изобретение [3], в котором технический результат достигается тем, что воздухоплавательный аппарат, содержащий ферму, сигарообразную оболочку, заполненную газом легче воздуха, стабилизатор, элементы крепления оболочки к ферме, движители в виде воздушных винтов, кабину для экипажа и груза, причальные приспособления, состоит из трех горизонтально расположенных оболочек, центральная из которых имеет стабилизатор, соединенных снизу общей фермой, причем между оболочками расположены горизонтально или наклонно и прикреплены к ферме О-образные части с установленными в них на поперечных поворотных осях движителями.

Целью предлагаемого изобретения является создание воздухоплавательного аппарата для очистки воздуха городов от газов и пыли, способного воздушным путем самостоятельно достигать и уничтожать газовые или пылевые очаги в любом районе города.

За базовый вариант летательного устройства можно принять любой из беспилотников (БПЛА), квадрокоптеров или дронов, дополнив его мобильной очистительной системой фильтров. Конструкций дронов в России и мире множество, как военного, так и гражданского предназначения [3, 4, 5].

Мини-БПЛА стремительно обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолеты для фермеров Yamaha RMAX. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями [6].

В 2012 году компания Parrot завоевала рынок удачным и довольно доступным квадрокоптером AR. Drone, а недавно представила новую модель под названием Bebop Drone (AR. Drone 3.0). Она также предназначена для любительского пилотирования и аэрофотосъемки. Аппарат уже оборудован HD-камерой с продвинутой системой стабилизации и 180-градусным объективом. Также есть и встроенный модуль GPS. Управление может осуществляться со смартфона или планшета через Wi-Fi. Кроме того, в качестве опции доступен дополнительный пульт с удобными органами управления и дальнобойной антенной. Если у вас есть гарнитура виртуальной реальности Oculus Rift, полеты станут еще интересней - она также имеет штатную поддержку. Недостатком новинки является слабый аккумулятор на 1200 мА*ч. Его хватит всего на 12 минут полета.

Очистка воздуха в городе может занимать многие часы или даже сутки. Для обеспечения длительного электропитания движителей и очистительной установки предлагается применять солнечные панели, расположенные на моноплане большой площади. Для экономного использования электроэнергии предлагается максимально облегчить конструкцию квадрокоптера, для чего снизу и сверху несущей платформы следует расположить газовые подушки. Гелий - наиболее легкий после водорода газ. Его легкость и инертность используются при создании вохдухоплавательных аппаратов и нашего в том числе.

Для повышения грузоподъемности квадрокоптера большинство его элементов выполняется из легких углепластов, а крыло заполняется гелием. Желательно, чтобы квадрокоптер длительное время парил в воздухе без включения движителей. В основе любого автоматического управления лежит простая последовательность: измерение, сравнение и парирование возмущающего воздействия. Как правило, в современном профессиональном бортовом комплексе навигации и управления функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС) [7, 8].

Имея в своем составе триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации.

Типовая структурная схема автопилота включает: магнитный компас, барометрический датчик скорости, барометрический датчик высоты, ультразвуковой датчик высоты (для взлетов посадок), систему спутниковой навигации, гировертикаль, пиродатчик горизонта, исполнительные механизмы

Для обеспечения поставленных задач, а также определения координат исследуемых участков местности АСУ квадрокоптера должна содержать в своем составе: устройства получения видовой информации, спутниковую навигационную систему, устройства радиолинии видовой и телеметрической информации, устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством, устройство обмена командной информацией, устройство информационного обмена, бортовую цифровую вычислительная машину (БЦВМ), устройство хранения видовой информации.

Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) - как на ПУ, так и на БЛА. Система управления остронаправленной АС включает в себя: собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии, сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи, систему автоматического сопровождения по направлению (АСH), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН, радиоприемное устройство, обеспечивающее формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством, систему управления антенной системой, обеспечивающую анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования. Таким образом, наиболее важной составляющей беспилотного авиационного комплекса является система управления и связи.

На фиг. 1 представлен вид на воздухоплавательный аппарат сверху, на фиг. 2 - тот же аппарат сбоку с разрезом.

Воздухоплавательный аппарат состоит:

1 - крыло, 2 - электродвижитель, 3 - локатор, спутниковый навигатор, видеокамера, 4 - жесткий корпус электростатического фильтра, 5 - металлическая круговая сетка электрода, 6 - вытяжной вентилятор, 7 - стабилизатор и рули, 8 - ферма-консоль, 9 - солнечная батарея, 10 - автоматическая система управления (АСУ), 11 - входное окно электростатического фильтра, 12 - выходной патрубок вентилятора, 13 - дуги обручей, 14 - верхняя газовая подушка, 15 - нижняя газовая подушка, 16 - опора квадрокоптера,

Таким образом, воздухоплавательный аппарат состоит из трех частей: несущего квадрокоптера, электрофильтрирующего устройства с газовыми подушками и моноплана.

Основное отличие данного воздухоплавательного аппарата состоит в наличии жесткого корпуса электростатического фильтра, внутри которого расположены металлические круговые сетки положительных электродов с подвешенными между ними проволочными коронирующими отрицательными электродами, причем сверху и снизу фильтра расположены газовые подушки, армированные дугами обручей, а по бокам фильтра прикреплены четыре фермы-консоли, на которых установлены четыре движителя в виде электромотора с пропеллером.

Другим отличительным признаком данного воздухоплавательного аппарата является то, что на крыле моноплана расположены элементы солнечной батареи. Большинство элементов предлагаемого устройства, кроме электродов, выполняются из легких углепластов (например, пластик ABS), а эластичные газовые подушки - из каучука.

Размер аппарата определяется условиями применения, если в поле над промышленной зоной, - может быть крупнее, а в черте города, - поменьше, типа «Дронов».

Для воздухоплавательного аппарата не нужен аэродром.

Программное обеспечение значительно упрощает использование квадрокоптера. Существует 3 режима автопилота, включая взлет, зависание и вращение на месте, движение до заданной точки по GPS-координатам и автоматическое возвращение к месту взлета.

По прибытии в заданный район квадрокоптер зависает, включается вытяжной вентилятор 6, который засасывает загрязненный воздух через входные окна 11. Проходя через сетки электродов 5, воздух очищается и возвращается в атмосферу через выходной (выпускной) патрубок 12. Воздухоплавательный аппарат может перемещаться по газовому облаку в любом направлении и по высоте.

Программное приложение позволяет просматривать пройденный маршрут по GPS-координатам и корректировать дальнейшую работу воздухоплавательного аппарата. Управление квадрокоптером и работой электрофильтра осуществляет блок АСУ, а также оператор со смартфона или планшета (не исключено и специальное электронное устройство управления).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Современные системы очистки газовых выбросов.

www.coolreferat.com.

2. Патент РФ 2420425.

3 - bp-la.ru/primenenie-bespilotnyx-letatelnyx-apparatov/

4. А. Каримов, В. Ильин. « Военное обозрение», #46(268), 2013

5. 24gadget.ru/tags/дрон.

6. Н.С. Сенюшкин. Особенности классификации БПЛА самолетного типа. «Молодой ученый», - 2010, - №11, - с. 65-68.

7. А. Поскутникво. Системы автоматического управления БПЛА. «Молодой ученый», - 2011, - №9, - с. 56-58.

8. В. Слосар. Радиолинии связи с БПЛА: Примеры реализации. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010, - №5. - с. 56050.

1. Воздухоплавательный аппарат для очистки воздуха городов от газа и пыли включает несущий квадрокоптер, электростатический фильтр и моноплан, отличающийся тем, что внутри жесткого корпуса электростатического фильтра расположены металлические круговые сетки положительных электродов с подвешенными между ними проволочными коронирующими отрицательными электродами, причем сверху и снизу фильтра расположены газовые подушки, армированные дугами обручей, а по бокам фильтра прикреплены четыре фермы-консоли, на которых установлены четыре движителя в виде электромотора с пропеллером.

2. Воздухоплавательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на крыле моноплана расположены элементы солнечной батареи.