научная статья по теме ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УCTАHOBKА ДЛЯ ДИРИЖАБЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УCTАHOBKА ДЛЯ ДИРИЖАБЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ»

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.

Показать целиком