Три способа использования гибридных солнечных тепловых сфер

Фредрик Эшу из Ирана спроектировал и разработал революционную систему воздушных шаров Sunstat. Основываясь на солнечном излучении как источнике тепла и, следовательно, подъемной силе, за счет чего была достигнута значительная веха в развитии спортивного воздухоплавания.

Исследуя принципы и способы использования солнечной энергии, выполняя параметрические исследования различных конфигураций солнечных коллекторов и используя инженерные ресурсы своих производственных предприятий в Тегеране для проведения испытаний тканей, он исследовал способы использования энергии солнца для питания воздушного шара. Его цели были шагом за пределами требований большей выносливости и бесшумного полета. Фредрик стремился к практичному полету на воздушном шаре, сохраняя при этом простоту воздушного шара.

Когда он усовершенствовал свой идеи, он зафрахтовал услуги Raven Industries для создания прототипа системы, и в качестве базовой системы воздушного шара использовал стандартный воздушный шар проверенной конструкции.

Он выбрал модель оболочки Raven S-60A объемом 9 754.820 м3 . Диаметр воздушного шара составляет 18,29 метров, высота — 21,34 метров, и он относится к категории размеров AX-8.

Она имеет стандартную вертикальную конструкцию клиньев и панелей, круговую систему сдувания панели и двухточечный управляемый маневренный клапан. Но далее Фредрик отошел от стандартной конструкции применив специальные материалы для конструкции оболочки.

Оболочка Sunstat характеризуется двумя несимметричными секциями, одна из которых имеет линзовидную конструкцию с использованием прозрачного пластика, а другая — непрозрачную конструкцию с использованием нейлона рипстоп.

Прозрачная ткань армирована сеткой из нейлонового волокна, зажатой между двумя слоями связанного майлара.

Этот материал использовался в течение многих лет в научном сообществе воздухоплавания, где полеты на больших высотах подвергаются экстремальным температурам и интенсивному ультрафиолетовому излучению в течение длительных периодов времени.

Нейлон npstop, который является черным внутри и серебристым снаружи, использовался в индустрии спортивного воздухоплавания в течение многих лет.

Лучистая энергия солнца проходит через прозрачную сторону оболочки и попадает на черную внутреннюю поверхность на противоположной стороне оболочки, что образует идеальный солнечный коллектор.

Этот эффект Sunstat использовал практически на 100%. Поскольку падающие лучи солнца поглощаются черной тканью, тепло передается в воздух, непосредственно окружающий черную поверхность. Эта переизлученная энергия имеет такую ​​длину волны, что она не проходит через прозрачный пластик.

Верхняя панель Sunstat перевернута, то есть внешняя часть черная, а внутренняя — серебристая. Внутренняя поверхность улучшает сохранение тепла, отражая тепло обратно в центр шара. Это функция экономии тепла, поскольку серебряная внутренняя поверхность верхней панели не охлаждается.

Дополнительной особенностью прозрачной части оболочки является значительное увеличение верхней видимости для пилота.

Уникальной особенностью конструкции шара Фредрика является возможность открытия непрозрачной части верхней оболочки, таким образом обнажая прозрачную ткань и расширяя окно для сбора солнечной энергии.

Есть так же две панели или занавески, по одной с каждой стороны маневренного отверстия, которые можно снять снаружи, и зафиксировать на контрольных линиях полос шара. Когда солнце высоко, эти непрозрачные части оболочки можно затенить, за счет черной поверхности коллектора, которая находится на верхней кривизне оболочки.

Это сделано, для того чтобы улавливать лучи солнца под разными углами. Конфигурация прозрачных и непрозрачных поверхностей оболочки для Sunstat была оптимизирована для использования как низких, так и высоких углов солнца на широтах от 30 до 60 градусов, при которых светит солнце для большинства аэростатов в полете на практике.

Необходимый прорыв в горизонтальной маневренности воздушного шара был достигнут путем прикрепления двух небольших двигателей к внешней периферии оболочки, расположенных на экваторе на противоположных сторонах воздушного шара. Эти двигатели представляют собой работающие от батарей пропеллерные вентиляторы, которыми можно управлять по отдельности из гондолы. Приводя в действие кнопочное управление, пилот может вращать воздушный шар вокруг его вертикальной оси, чтобы прозрачная сторона шара всегда была обращена более или менее к солнцу. Поворачивая воздушный шар так, чтобы больше солнечной энергии было захвачено в оболочке.

По сути, так можно и увеличить вертикальную высоту полета, увеличив количество инсоляции, или высоту можно уменьшить, добившись уменьшения инсоляции. Если возникает слишком большое вращение, приводился в действие противоположный двигатель, чтобы выполнить небольшую коррекцию ориентации прозрачной части шара.

Улучшение концепции по словам изобретателя может быть достигнуто путем применения средств управления, ищущих солнце, то есть датчиков, установленных на дискретных интервалах по окружности оболочки, и схемы обработки сигнала, которая автоматически активирует соответствующий двигатель, таким образом не оставляя никакой работы пилоту во время полета по ровной траектории. Но если пилот желает изменить высоту, он может обойти систему управления и вручную управлять шаром.

Тридцать секунд времени работы соответствуют повороту на 180 градусов.

6 февраля 1978 года недалеко от Миннеаполиса, штат Миннесота, Фредрик поддерживал тепловой полет около получаса. С помощью семьи Мэтта Видеркера, Рона Моквиста и Орва Оливье с фабрики Raven, Генри Фишера, Майка и Чака Эрлера и ряда других заинтересованных воздухоплавателей оболочка Sunstat была расстелена на замерзшей поверхности озера Кристал к югу от Миннеаполиса, надута холодным воздухом, а затем нагрета обычной горелкой.

Температура окружающего воздуха составляла минус 16 градусов цельсия, а скорость ветра у поверхности была менее 18,52 км/ч.

После выключения горелки Фредрик сбросил часть искусственно нагретого воздуха. Прозрачная сторона воздушного шара была повернута к восходящему солнцу, и через несколько минут оболочка снова надулась!

В 9:16 утра, когда на нижней оболочке развевались национальные флаги Ирана и США, Sunstat освободился от покрытого снегом льда и медленно поднялся на солнечной энергии.

За исключением быстрого выстрела горелкой, чтобы избежать ряда деревьев, воздушный шар летел полностью на солнечной энергии.

Фредрик успешно контролировал высоту Sunstat между 30,48 и 91,44 метра (над уровнем земли), вращая воздушный шар, как новорожденную планету, вращающуюся в своей собственной солнечной системе.

Температура в верхней части воздушного шара никогда не превышала 7.2 градуса Цельсия.

Фредрик осуществил контролируемое снижение путем осторожного вращения, затем на высоте 30,48 метров открыл вентиляционное отверстие. Тепло от вновь зажженной горелки замедлило скорость снижения, и триумфальная посадка на снег ознаменовала конец 31-минутного первого полета и начало новой эры в солнечном воздухоплавании.

В течение недели после первого свободного полета в Миннесоте Фредрик привез Sunstat в Нью-Мексико.

18 февраля был совершен второй свободный полет, на этот раз на широте 35°, высоте земли 1 524 метров и температуре окружающей среды 1.6 градусов Цельсия. по сравнению с широтой 45°, высотой 304,8 метров и отрицательными температурами Миннеаполиса. Фредрик летел в течение часа и 21 минуты, пролетая на высоте 1 828,8 метров над уровнем моря, а затем приземлился в индейской резервации Айлета к югу от Альбукерке.

На следующий день Sunstat летал еще два часа, и под управлением чемпиона мира по полетам на воздушном шаре Пола Воснера он поднялся на высоту 3 657,6 метров над уровнем моря, поднимаясь со скоростью 152,4 метров в минуту.

Четвертый свободный полет был совершен 22 февраля Сидом и Полом.

Далее уже ту же концепцию Фредерика использовали в Великобритании немного её упростив по сути.

В 2015 году появилась схожая с предыдущей конструкцией по принципу работы технология солнечного шара.

Шар под названием Bristol (по названию города где был сделан) был изготовлен из нейлона с полиуретановым покрытием, и имел две разные стороны — черную сторону, которая поглощала тепло, и изолированную серебряную сторону, которая удерживала теплый воздух.

6 августа того же года состоялся первый публичный полет этого гибридного воздушного шара где он был среди 100 надувных шаров, которые приняли участие в массовом подъеме в рамках 37-го Международного фестиваля воздушных шаров.

Для его полета потребовалось получить разрешение от «Управления гражданской авиации Великобритании (CAA), которое ограничило компанию производителя Cameron Balloons в отношении того, какие материалы можно использовать.

Так же среди стандартных требований было и обязательное наличие пропановой горелки, как подстраховки при взлете шара на фесте аэростатов проходившем в Бристоле. Этот пропановый нагреватель использовался несколько раз.

Сначала для того чтобы надуть шар перед полетом. А далее солнце нагревало его до точки плавучести пока экипаж удерживал его до момента набора достаточной подъемной силы.

А затем когда шар в форме Миньона подлетев слишком близко загородил солнечные лучи. После чего полет пришлось прервать, поскольку ветер отнес его в сторону аэропорта Бристоля, и пилот посадил воздушный шар на территории закрытой больницы Барроу-Герни.

Команде испытателей удалось добиться практически полноценного полета за счет энергии солнца на расстояние 9.66 км за 20 минут, и достигнуть высоты 457.2 метра.

Несмотря на то что ткань оболочки были тоньше, чем обычно, так как аэростат старались максимально облегчить в воздухе он не отличался по поведению от остальных.

И это при том что Bristol создает меньшую подъемную силу, чем обычно, потому что солнце нагревает внутренний воздух только до 40 градусов по Цельсию, а это половина температуры стандартного воздушного шара.

Для этой модели аэростата по расчетам производителя температура внутри оболочки должна быть более чем на 25 градусов выше температуры окружающей среды, чтобы он мог взлететь.

Для большинства аэростатов из нейлоновой ткани максимальная внутренняя температура ограничена примерно 120 ° C. Температура плавления нейлона значительно превышает эту максимальную рабочую температуру — около 230 ° C, — но более высокие температуры приводят к более быстрому ухудшению прочности нейлоновой ткани с течением времени. При максимальной рабочей температуре 120 ° C оболочки для воздушных шаров обычно можно эксплуатировать в течение 400-500 часов, прежде чем ткань потребуется заменить. Поэтому многие пилоты воздушных шаров эксплуатируют свои конверты при температурах значительно ниже максимальной, чтобы продлить срок службы ткани шара.

Так же схожими были и боковые отверстия в оболочке аэростата, предназначенные у Bristol для поворота черной стороны по направлению к солнцу (на обычных аэростатах эти отверстия просто спускают лишний воздух при спуске, и иногда помогают маневрировать в небе).

На его создание ушло 200 человеко-часов и десять человек, включая консультанта, дизайнера и главного инженера. Но разработчики довольны. По их словам ощущения которые дает полет на солнечном шаре фантастически нереальны, потому что это просто своего рода плавание без шума работающей горелки.

Конечный продукт был полностью сертифицирован для регулярных полетов Управлением гражданской авиации Великобритании.

Но это был не первый успех солнечного теплового шара в этой стране… и произведенный в этом же городе. В прошлом были и более значительные достижения.

Третий путь это 2 в 1-одном.

Так в 70х годах отличился… изобретатель Доминик Михаэлис. Завершив свое архитектурное образование в 1964 году, Доминик Михаэлис написал диссертацию о доме использующем для обогрева воздушные солнечные коллекторы. А уже 70-х он с командой архитекторов и инженеров, специализирующихся на использовании солнечной энергии в международной консалтинговой группе «Solar Energy Developments» поставил себе задачу создать воздушный шар, который летал бы только на энергии Солнца.

Но начал он с малого.

Чтобы подтвердить теорию, он построил небольшой воздушный «шар» (1 кубический метр) с двойной оболочкой. Результаты были обнадеживающими. Разница температур внутри и снаружи составляла около 27 °C, что соответствует подъемной силе примерно 100 граммов на м3.

Затем, построив несколько маленьких воздушных шаров, он построил большой (диаметром 10 метров), который смог поднять его сына Стефана (30 кг), который стал первым подростком-пилотом солнечного воздушного шара!

Но потом у шара по приземлении оторвались крепления, и он улетел в неизвестном направлении.

А уже в 1972 году Доминик Михаэлис построил воздушный шар диаметром 22 метра (более 5000 кубических метров) с 12-микронной прозрачной полиэфирной пленкой (Melinex® — Mylar® от DuPont Polyester Films). Внутри воздушного шара было 3 вертикальных черных экрана с углом между ними 120°, образующих трилистник.

Воздух внутри воздушного шара нагревается за счет парникового эффекта, а черные экраны улавливают энергию, которая прошла через прозрачную полиэфирную пленку. Оболочка укреплена вертикальными и горизонтальными клейкими лентами (J-Lar910® или J-Larii®). Эти ленты определяют 240 панелей и ограничивают возможный разрыв максимальной длиной 50 см. Воздушный шар был оснащен алюминиевой сотовой корзиной (очень жесткой и легкой). И этот воздушный шар легко поднял одного уже взрослого человека.

Испытательные полеты проводились на привязи к машине Михаэлиса Land Rover, при помощи прочного каната, и этот шар никуда не улетел.

Далее ученый нацелился на рекорды.

Для пилотируемого полета на солнечной энергии Доминик Михаэлис решил построить воздушный шар с двойной оболочкой. Для этого он поручил компании Cameron Balloons в Бристоле изготовить для него: — черный воздушный шар объемом 3000 м3, изготовленный из полиэстера (Dacron®), и прозрачный воздушный шар объемом 4000 м3, изготовленный из двухслойного прозрачного материала (Melinex®).

Прозрачная внешняя оболочка состояла из двух прозрачных пленок, между которыми вставлен слой армирующей сетки с клеевым покрытием. Каждое отверстие в сетке определяло наличие воздушного пузыря. Эти воздушные пузырьки увеличивали изоляцию. Прозрачный воздушный шар создавал парниковый эффект, в то время как внутренняя черная оболочка собирала захваченное солнечное излучение и передавала эту энергию воздуху, заключенному внутри нее.

А далее он занялся более грандиозным проектом.

В 1981 году воздухоплаватель Джулиан Нотт, который годом ранее установил мировой рекорд (16 764 метров над уровнем моря), решил использовать технологию Доминика Михаэлиса, чтобы попытаться пересечь пролив Ла-Манш с воздуха. Для этого был построен шар у которого внутренний воздушный шар, имевший черную оболочку был объемом  9 754.820 м3 (почти как у Конюхова на его черном шаре), а внешний шар состоял из прозрачной оболочки объемом 13 935.457 м3.

На нем Нотт поднялся в небо в 7:30 утра 22 августа 1981 года к северо-западу от Дувра, Великобритания. И после очень тихого пересечения пролива без каких-либо проблем воздушный шар приземлился в Турнем-сюр-ла-Эм в Па-де-Кале, Франция.

Сам шар имел на случай возможных проблем с солнечным освещением на борту газовую горелку, как и у шара Sunstat. Нотт использовал горелку один раз, во время посадки. Возможно это было связано с необходимостью снизить скорость снижения при высокой облачности в месте посадки, что снизило температуру горячего воздуха слишком сильно.

Оболочка этого солнечного воздушного шара хранится в Британском музее воздушных шаров, что свидетельствует о его новаторском статусе в истории путешествий на воздушном шаре.

P.S. — Учитывая главный недостаток таких шаров с точки зрения экологии — газ, стоит отметить что сам газ для горелок может быть не только пропан-бутаном, но и смесью других горючих газов с добавлением водорода (как было описано в статье о «грязном водороде» ).

И по аналогии с приведенной ссылкой солнечный тепловой шар может повторить задумку воздушного шара Розьера 1785 года выпуска в более совершенном варианте использования.

Ведь его шар тоже состоял из двух оболочек вложенных друг в друга, где внутренняя являлась шаром с водородом, а внешняя — объемом для заполнения горячим воздухом!

Причем сам водород использовался как подъемный газ, но в наше время его можно попробовать использовать и для подогрева воздуха внутри!

Но если не рисковать то… водород (1,204 кг/м³) внутренней оболочки может быть заменен метаном (0,579 кг/м³) для тех же целей. Или смесью обеих газов.

Принципиально это не сильно важно. Важно что при использовании этих газов можно обеспечить их производство из зеленых источников энергии, и дополнительно получить небольшое возрастание подъемной силы этих газов за счет нагрева от Солнца.

При этом сам полет может проходить на высотах где с доступом к солнечному излучению проблем нет, ведь воздушные шары способны летать на чрезвычайно большой высоте и скорости!

Для примера…

26 ноября 2005 года Виджайпат Сингхания установил мировой рекорд высоты полета на воздушном шаре, достигнув 21 027 м. Он взлетел из центра Мумбаи, Индия, и приземлился в 240 км к югу в Панчале. 
Предыдущий рекорд в 19 811 м был установлен Пером Линдстрандом 6 июня 1988 года в Плано, Техас.
15 января 1991 года воздушный шар Virgin Pacific Flyer совершил самый длительный полет на воздушном шаре, когда Пер Линдстранд (родился в Швеции, но постоянно проживает в Великобритании) и Ричард Брэнсон из Великобритании пролетели 7 671,91 км из Японии в Северную Канаду. Оболочка воздушного шара объемом 74 000 кубических метров была самой большой из когда-либо построенных для аэростатов.

Разработанный для полетов в трансокеанских струйных течениях, Pacific Flyer зафиксировал самую высокую скорость у земли для пилотируемого воздушного шара — 394 км / ч.

Рекорд продолжительности полета был установлен швейцарским психиатром Бертраном Пиккаром (внуком Огюста Пиккара) и британцем Брайаном Джонсом, летевшими на аппарате Breitling Orbiter 3. Это было первое беспосадочное кругосветное путешествие на воздушном шаре. Воздушный шар вылетел из Шато-д’Оэк, Швейцария, 1 марта 1999 года и приземлился в 1:02 ночи 21 марта в египетской пустыне в 500 км к югу от Каира. Двое мужчин превысили рекорды дистанции, выносливости и времени, путешествуя 19 дней, 21 час и 55 минут.

Стив Фоссетт, летевший в одиночку, побил рекорд по самому короткому времени кругосветного путешествия 3 июля 2002 года со своей шестой попытки, за 320 ч 33 мин.

Федор Конюхов совершил кругосветный полет в одиночку с первой попытки на гибридном воздушном шаре с горячим воздухом и гелием с 11 по 23 июля 2016 года за кругосветное время 268 ч 20 мин. (о использовании его идеи была статья ранее )

Итак, суммируя все выше сказанное, можно предполагать что авиация в случае позеленения вполне может стать экологически более эффективной, и своего рода «вернутся к истокам» на новом технологическом уровне. Конечно неизбежно возникнут проблемы «куда использовать отработанную оболочку»(по аналогии с лопастями ветряков), вопросы общей цены при массовом производстве, и другие проблемы. Но когда все было безоблачно в этом, и других вопросах при развитии техники? Тем более что если даже «не взлетит», подобные солнечные аэростаты всегда можно будет приспособить на земле под необычного вида солнечный воздушный коллектор (иначе он произведет слишком много теплого воздуха… и как и в истории с Монгольфье улетит оторвав крепления).

Примеры подобного «коллектора» без формы аэростата, и функции полета уже есть

А если вспомнить металлические аналоги конструкций совмещающих функции…

P.S. 2 – Потенциально солнечные шары способны вырабатывать энергию даже ночью для перелетов.

Этот стратосферный шар от CNES — Montgolfière Infrarouge (MIR) показал пример получения энергии от двух источников излучения.

С 1977 года Centre National d’Etudes Spatiales (CNES, французский эквивалент NASA) разрабатывал шар MIR для длительных научных стратосферных полетов. Шары этого типа с отражающей поверхностью поддерживались только за счет тепла от солнца днем ​​и инфракрасного излучения от земли ночью.

Днем шар MIR летал на высоте около 28–32 км.

Ночью — от 18 до 22 км, в зависимости от инфракрасного потока, исходящего от поверхности, и температуры воздуха на высоте полета. Маршрут шара следовал за стратосферными ветрами.

Он мог нести максимальную полезную нагрузку около 50 кг MIR, и был изготовлен из двух разных материалов, что обеспечивало хороший баланс между оптико-тепловыми свойствами и весом.

Верхняя часть изготовлена ​​из алюминизированного майлара, образующего полость для поглощения восходящего инфракрасного излучения и блокирования любых повторных выбросов в небо.

Между тем, нижняя часть изготовлена ​​из инфракрасно-прозрачного материала, достаточно прочного, чтобы выдерживать экстремально низкие температуры стратосферы (-80 C˚).

Недостатком шара при масштабировании технологии для транспортных перевозок была бы его полная зависимость от солнца, что могло быть устранено за счет подогрева углеводородным топливом.

Но конечно следует учесть что само солнечное излучение в стратосфере и так попадает на шар с двух сторон когда в небе отражается свет от облаков вверх.

Источник