энергетическая установка для дирижаблей
нового поколения
В. Ф. ЧЕЛЯЕВ
Создание воздухоплавательного транспорта (аэростатов и дирижаблей) было и остается одной из важных и до сих пор нерешенных задач науки и техники.
Исследования показали, что современные дирижабли могли бы стать самым дешевым видом воздушного транспорта, приближающимся по экономичности к наземным и даже водным видам транспорта. Специалисты считают, что в настоящее время в экономике существует целый ряд транспортных проблем, при решении которых дирижабли вообще были бы вне конкуренции.
В последние 15-20 лет интерес к аппаратам легче воздуха значительно возрос. Дирижабли гражданского и военного применения летают в США, Англии, Германии, Франции, Японии, Канаде, Австралии. Строятся опытные конструкции грузоподъемностью в десятки тонн.
В нашей стране есть всего несколько одноместных и двухместных дирижаблей, ведется большая работа по их возрождению. Организованы Российская федерация воздухоплавания, Союз воздухоплавателей, научно-технические клу-§ бы, кооперативы и совместные предпри-§ ятия по созданию аэростатических лета* тельных аппаратов. | Об идеях аэростатического полета § упоминается еще в старинных летописях. д В XIV веке монах Альберт Саксонский | писал о том, что дым костра легче воз-^ духа и вследствие расширения воздуха под влиянием огня дым поднимается. Ан-§ глийский ученый Д. Скалигер во второй § половине XVI века предлагал сделать ё оболочку из тончайшего золота и запол-I нить ее горячим воздухом для того, что-^ бы она оторвалась от поверхности земли. Монах дэ Лана Терци в 1670 г. предлагал использовать в качестве оболочек
жестяные полые шары, из которых выкачан воздух.
Первыми аэростатическими аппаратами являются монгольфьеры (воздушные шары, оболочки которых наполнены горячим воздухом, названы по имени братьев Монгольфье, поднявших в воздух первые аппараты в 1783 г.). Выбор топлива для нагрева воздуха в оболочке является определяющим фактором в летно-технических характеристиках монгольфьеров. Чем больше теплота сгорания топлива, тем меньше его надо брать в полет и тем лучше летно-технические характеристики монгольфьера (продолжительность, дальность и высота полета).
Вначале для нагрева воздуха использовали все, что могло гореть (ветви деревьев, солому, уголь и т.д.), в дальнейшем перешли к нефти и горючим газам. В настоящее время подавляющее большинство монгольфьеров работает на газовой смеси пропан-бутане. Эта дешевая смесь широко распространена в быту, технология хранения и транспортирования хорошо отработана. Кроме того, смесь нетоксична, отличается легкостью зажигания и тушения, малым количеством твердых продуктов сгорания.
Коренным образом изменились горелки. Теперь эти устройства, имеющие регулирующие и контролирующие механизмы, автоматически поддерживают необходимую температуру горячего воздуха в оболочке.
По сравнению с монгольфьерами шар-льеры (воздушные шары, оболочки которых наполнены светильным газом, водородом или гелием, названы по имени профессора Ж.А. Шарля, осуществившего впервые подъем такого аппарата в 1783 г.) имели более совершенную конструкцию. Известно, что при одинаковых
© В. Ф. Челяев
внешних условиях (давлении и температуре окружающей среды) подъемная сила у водорода в 3.5 раза больше, чем у такого же объема воздуха, нагретого до той же температуры. Следовательно, для подъема одного и того же груза потребуется шарльер в 3.5 раза меньшего объема, чем монгольфьер.
К недостаткам монгольфьера относится опасное соседство открытого огня и легко возгораемой оболочки. Кроме того, быстрое охлаждение оболочки вместе с горячим воздухом внутри нее сокращает продолжительность полета, так как запас топлива на борту всегда ограничен.
Но и шарльеры имеют большой недостаток - для их наполнения необходимо иметь на месте старта запас газа, более легкого, чем воздух (водорода или гелия), для хранения которого требуется
Рис. 2.
Системы дирижаблей: мягкая (а), полужесткая (б) и жесткая (в). 1 - баллонет; 2 - носовое усиление; 3 - катенарный пояс; 4 - металлическая ферма; 5 - шпангоут; 6 - лонжерон;
7 - расчалка; 8 - обшивка.
Рис. 1.
Схема классического аэростата.
I - клапан выпуска газа; 2 - сеть;
3 - спуски; 4 - строп; 5 - подвесное кольцо; 6 - якорь;7- гондола; 8 - гайдроп; 9 - аппендикс;10 - оболочка;
II - разрытное полотнище;
12 - шнур управления клапаном; 3 - шнур разры/вного полотнища.
материалоемкая тара, а после окончания полета этот газ приходится выпускать в атмосферу. В результате эксплуатация шаров, в которых в качестве наполнителя применяется водород или гелий, существенно удорожается. Водород, конечно, дешевле гелия, но обладает высокой по-жаро-взрывоопасностью, и его использование даже в настоящее время крайне ограничено. А выпускать в атмосферу после окончания полета дорогой гелий (иначе не приземлишься!) слишком расточительно. Вот почему, прежде чем организовывать полеты на воздухоплавательном транспорте, необходимо тщательно взвешивать все факторы в пользу той или иной его конструкции, чтобы достичь поставленной цели с минимальными затратами.
На рис 1. приведена схема классического аэростата. Первый дирижабль был построен в 1852 г. французом А. Жиффаром.
Классифицировать дирижабли принято по трем системам: мягкой, полужест-
кой и жесткой (рис. 2). Мягкую систему первым предложил использовать французский математик и изобретатель Ж. Менье, а наиболее удачную конструкцию создал в 1906 г. в Германии А. Пар-севаль. Помещаемые внутри оболочки дирижабля носовой и кормовой баллонеты предназначались для поддержания необходимого давления несущего газа, управления в ограниченной степени подъемной силой дирижабля, а иногда и управления продольной балансировкой. За воздушным винтом устанавливают шланг-улавливатель, через который в случае отказа воздуходувки отбрасываемый винтом воздух поступает в баллонеты.
Мягкие дирижабли просты в изготовлении, имеют хорошую массовую отдачу (отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе), транспортабельны в незаполненном виде. Однако у них имеется недостаток: полеты со скоростями свыше 100 км/ч на таких дирижаблях опасны. В этом случае для поддержания формы оболочки и восприятия ею аэродинамических сил и моментов необходимо существенно увеличить давление несущего газа. Для решения данной задачи требуется значительно увеличить мощность силовой установки и применять более прочную (тяжелую) оболочку, а это приводит к ухудшению массовой отдачи дирижабля. В то же время следует подчеркнуть, что дирижабль, летающий со скоростями менее 100 км/ч, имеет ограниченную область применения, так как в значительной степени зависит от метеоусловий - он не сможет летать против сильного ветра.
В полужестком дирижабле основным силовым элементом конструкции являет-§ ся киль. В передней и хвостовой частях § корпуса килевая ферма выполняет £ функцию носового и кормового жесткого | усиления. Килевая ферма воспринимает § изгибающие моменты и перерезывающие д силы от статических нагрузок, действую-I щих на дирижабль, и значительную долю ^ аэродинамических нагрузок.
Существенный недостаток полужест-§ ких дирижаблей (так же, как и мягких) § состоит в том, что оболочка с несущим I газом непосредственно подвергается I всем механическим воздействиям и вли-^ янию метеоусловий. Нагревание несущего газа солнечными лучами и последующее его охлаждение приводят к дополни-
тельным деформациям оболочки, расчет которых чрезвычайно труден.
Корпус жесткого дирижабля представляет собой сложную пространственную форму, состоящую из жестких стержней и многочисленных гибких связей, обеспечивающих геометрическую неизменяемость всей системы.
Конструкция классического жесткого дирижабля (цеппелина) способствует нерациональному распределению действующих внешних сил. Передача подъемной силы несущего газа происходит в верхней трети корпуса, а ее распределение по отдельным узлам шпангоутов рассчитывается приближенным способом.
Все разработки проектов дирижаблей базируются на многолетнем поиске принципиально новых конструкторско-техно-логических и эксплуатационных решений в области дирижаблестроения и направлены на широкое внедрение летательных аппаратов в различные области человеческой деятельности.
Многоцелевые дирижабли жесткого типа, обеспечивающие длительные полеты как днем, так и ночью, в основном предназначены для:
- патрулирования территорий и акваторий;
- обнаружения лесных пожаров;
- обследования трубопроводов и линий электропередач;
- поиска полезных ископаемых;
- проведения спасательных операций на суше и на море;
- экскурсионных полетов ("летающий ресторан");
- круизных полетов (каютный вариант для полетов на Северный полюс);
- специальных экспедиций (мобильный госпиталь, дрейфующая полярная станция и т.д.).
Важнейшей составной частью современного дирижабля является его энергетическая установка (ЭУ), которая, как правило, включает в себя двигатели, запасы рабочего тела (при коротком периоде работы) или преобразователи энергии окружающей среды, в первую очередь солнечного излучения, в электрическую энергию - при длительной работе.
С целью повышения конкурентоспособности современных дирижаблей нового поколения полезно при их создании использовать для решения наиболее актуальных задач снижения веса, объема
Рис. 3.
Принципиальная схема ЭУ для дирижабля. 1 - солнечная батарея; 2 - блок управления; 3 - электрический привод винта; 4 - электролизер; 5 - электрохимический генератор; 6 - блок хранения и подачи водорода; 7 - блок хранения и подачи кислорода; 8 - блок хранения и подачи воды; 9 - камера смешивания; 10 - камера сгорания; 11 - турбина; 12 - компрессор; 13 - электрогенератор;
14 - регенеративный теплообменник;
15 - теплообменник-влагоотделитель;
16 - насос; 17 - датчик уровня воды1.
и стоимости энергетической установки опыт, накопленный в области космических технологий и разработок ЭУ.
Обеспечить дирижаблям экономическую эффективность и конкурентоспособность на мировом рынке может предлагаемая энергоустановка, принципиальная схема которой представлена на рис. 3.
Солне
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.