Термодирижабль – будущее аэронавтики
Термодирижабль – будущее аэронавтики
В июне 1783 года братья Жозеф и Этьен Монгольфье запустили воздушный шар, наполненный горячим дымом. Спустя полгода на подобном шаре совершил первый в мире полет человек, тем самым открыв эру воздухоплавания. Только век монгольфьеров оказался коротким – уже в конце XIX столетия большинство аэростатов, и тем более дирижаблей, стали наполнять водородом, а потом безопасным гелием. Но почему же классический монгольфьер «ушел в отставку» и в наши дни, когда речь заходит о возрождении летательных аппаратов легче воздуха, под этим термином подразумевают те же дирижабли, а о монгольфьерах вспоминают лишь спортсмены и любители экзотических путешествий?
Начнем с того, что подъемная сила кубометра воздуха, нагретого даже до 1000°С, уступает подъемной силе водорода и гелия. Впрочем, вряд ли в обозримом будущем можно будет построить летательный аппарат, элементы которого и оболочка могли бы долго и надежно служить в условиях столь высоких температур.
Однако почему проектировщикам не ограничиться, скажем, 600°С? Правда, подъемная сила воздуха составит не более 72% такого же показателя для водорода и 78% – для гелия. При этом металлические узлы и детали дирижабля нагреются только до 250-350°С. Создать легкие и жаропрочные конструкции, рассчитанные на длительную эксплуатацию, в подобных условиях уже сейчас возможно.
Помешала развитию монгольфьеров незначительная дальность полета. Она зависела от запаса топлива для горелки. При этом потери тепла в полете оказались значительными. Однако автор этих строк не склонен считать перечисленные выше проблемы неразрешимыми.
Начнем с того, что воздухоплавателям совсем необязательно брать на борт особый запас топлива для горелки. Ничто не мешает использовать выхлопные газы маршевых двигателей, тем более что вместе с ними теряется до 70% тепла, выделяющегося при сгорании топлива.
Потерь тепла через оболочку можно избежать, выполнив ее двухслойной и оснастив простыми и легкими устройствами, уменьшающими теплоотдачу. Кстати, одним из первых идею аэростата с двойной оболочкой и подогревом несущего газа в полете выдвинул в 1863 году не кто иной, как известный писатель-фантаст Ж. Верн в романе «Пять недель на воздушном шаре». Судя же по моим расчетам, потери тепла можно удерживать на вполне приемлемом уровне 70 Вт/м². Причем средняя температура жестких конструкционных элементов воздушного корабля вряд ли превысит 250°С.
Естественно, что термодирижабли могут выполняться по-разному. К примеру, между их внешней и внутренней оболочками можно разместить жесткий каркас. Внутреннюю оболочку, нагревающуюся до 450°С, целесообразно собирать из листов жаростойкой стали «бритвенной» толщины 0,08-0,1 мм. Внешнюю оболочку, температура которой превысит атмосферную не более, чем на 20°С, лучше изготовлять из легкого листового алюминия или тонкого стеклопластика. Регулируемый нагрев воздуха во внутренней оболочке будет производиться через трубу-теплообменник, по которой пропускаются выхлопные газы двигателей.
При снижении термодирижабля часть выхлопных газов, поступающих в теплообменник, можно разбавить холодным забортным воздухом, чтобы уменьшить подъемную силу, а при угрозе обледенения экипаж перепустит газ по трубопроводу в пространство между оболочками, чтобы нагреть внешнюю.
В зависимости от назначения и характера полетного задания к нижней части термодирижабля прикрепляется грузовая платформа или пассажирские каюты. Роль шасси сыграют четыре лыжи, смонтированные на несущих фермах.
…В последние годы в разных странах появлялись самые причудливые проекты дирижаблей – круглых, стреловидных, вытянутых по вертикали и т.п.. Мы приняли за основу классический, сигарообразный, цельнометаллический дирижабль. Попробуем определить его оптимальные параметры.
К ним в первую очередь относятся удлинение (то есть отношение длины к диаметру) и скорость полета. Увеличение удлинения приводит к уменьшению лобового сопротивления и равной ему силы тяги двигателей Rx = Cх×ρ×(SW²)/2g кг, вследствие уменьшения Сх и S (здесь Сх – коэффициент лобового сопротивления, ρ – плотность воздуха, S – площадь миделя, g – ускорение силы тяжести, W – скорость полета).
Вместе с тем с увеличением удлинения возрастает отношение площади оболочки к объему дирижабля, что неизбежно повлечет возрастание массы конструкции. Мало того, с обширной оболочки в атмосферу уйдет больше тепла, в результате чего уменьшится подъемная сила, и тогда придется ограничить грузоподъемность корабля.
При полете на больших скоростях двигатели работают с повышенной нагрузкой, выдавая в теплообменник, естественно, больше отработавших газов. Не следует ли отсюда, что на малых скоростях воздухоплавателям придется сжигать дополнительное топливо, чтобы удержать корабль в воздухе? Видимо, этого не избежать.
А теперь представьте термодирижабль, допустим, с удлинением 7, массой 100 т, грузоподъемностью 100 т, в танках которого 20 т горючего. Тогда, при заданном нагреве воздуха в оболочке до 600°С объем аппарата составит 270 тыс. м³, длина 294 и диаметр 42 м.
Как видно, минимальный расход топлива на дирижабле такого объема будет достигнут при удлинении 8-10 (за счет уменьшения лобового сопротивления), при скоростях 170-220 км/ч и при двигателях мощностью 1 тыс. л. с.
Теперь подведем итоги и сопоставим достоинства и недостатки термодирижаблей и цеппелинов. Начнем с того, что создателям последних так и не удалось решить проблему предотвращения утечки несущего газа, а разработанные ими устройства утяжеляли и усложняли конструкцию. Оболочки же термодирижабля необязательно должны быть герметичными. Не нужен ему взрывоопасный водород и дорогостоящий гелий – воздуха в атмосфере предостаточно, выхлопные газы двигателей все равно выбрасываются, а при незначительном разрыве оболочки аппарат просто мягко опустится из-за уменьшения подъемной силы.
При вертикальном маневре газонаполненного дирижабля приходилось сбрасывать балласт или выпускать часть газа. У термодирижабля подъем и спуск будут осуществляться только за счет подогрева или охлаждения воздуха внутри оболочки.
Крайне острой для классических дирижаблей была проблема стоянки. Наполненный газом цеппелин практически невесом и подвластен воле стихии. Термодирижабль, посаженный «на грунт» всеми 100 т своей массы, при любом ветре будет устойчив, как стена! Судя по расчетам, он спокойно выдержит порывы ветра в 4-5 баллов.
Пилотирование газонаполненного дирижабля связано со специфическими трудностями. В длительном полете, по мере расходования топлива, уменьшается вес аппарата и он начинает непроизвольно набирать высоту. В результате воздухоплавателям приходится выпускать за борт несущий газ. Для термодирижабля полет на постоянной высоте с любой нагрузкой не представляет проблем. Как отмечалось выше, термодирижаблю не страшно обледенение.
Упрощенная сравнительно с цеппелинами конструкция определит и сравнительно несложную технологию производства подобных аппаратов, и длительный срок их службы.
Рассмотренный выше проект термодирижабля объемом 270 тыс. м³ будет обладать завидными характеристиками. При запасе топлива 20 тонн он пролетит более 15 тыс. км, а 50 тонн – совершит беспосадочное кругосветное путешествие. При выключенных двигателях, но с запасом горючего 20 тонн для подогрева воздуха в оболочке с помощью горелок термодирижабль сможет дрейфовать 18 суток, что, несомненно, окажется весьма полезным для ученых.
А теперь остановимся на недостатках термодирижабля. Первый и главный из них – это высокая температура воздуха внутри оболочки. Однако ничто не мешает оснастить корабль эффективной системой охлаждения узлов, подвергающихся наиболее интенсивному нагреву. Конечно, потребуются определенные исследовательские работы в этом направлении, и здесь должны сказать свое веское слово специалисты по строительной механике летательных аппаратов, в частности, по конструированию каркасных систем и оболочек, работающих при переменных высоких температурах.
Второй недостаток – это наличие двух оболочек из тонколистного металла. Уже это обстоятельство может утяжелить конструкцию, сделать ее более дорогой. Но… классический дирижабль с многочисленными газовыми мешками, баллонетами, системами управления ими, внутренними расчалками и переборками вряд ли окажется дешевле термодирижабля.
Третьим недостатком термодирижабля можно счесть необходимость расходовать топливо для ввода его в действие и поддержания «на плаву». В частности, для подогрева воздуха в оболочке перед стартом придется сжечь около 4,5 т топлива, а для того, чтобы дрейфующий корабль находился на постоянной высоте, нужно будет расходовать около 200 кг горючего ежечасно. Поэтому при длительных стоянках целесообразно выключать систему подогрева воздуха.
Как и во всяком новом деле, в нашем случае остается еще много нерешенных, невыясненных вопросов, но преимущества термодирижабля настолько очевидны, что есть все основания считать его одним из наиболее эффективных способов решения проблем воздухоплавания.
ПРИЛОЖЕНИЕ
НЕ ВСЕ ТАК ПРОСТО…
Статью профессора Л. Константинова можно считать продолжением долгой дискуссии о проблемах современного дирижаблестроения и коммерческого воздухоплавания. Актуальность вопроса подтверждается как советскими, так и зарубежными работами в этой области. Что же касается самой идеи, то она не нова. Например, в США с января 1973 года начались полеты термодирижабля «Камерон-1» (объем 2.8 тыс. м³, максимальная скорость 31,5 км/ч), а спустя два года фирма «Рейвен индастрис» выпустила термодирижабль «Стар» объемом 3,9 тыс. м³ и максимальной скоростью 46,3 км/ч. Как видите, способ создания подъемной силы, впервые опробованный братьями Монгольфье, действительно переживает второе рождение. Исследовательские и спортивные полеты современных монгольфьеров свидетельствуют о заметных успехах в разработках легких, термостойких материалов и компактных горелок с регулируемой системой подачи пламени.
При этом эффективность тепловых аэростатов обязана двум факторам: отсутствию энергозатрат на перемещение летательного аппарата, который буквально летит, «куда ветер дует», и малым потерям тепла оболочкой, наполненной горячим воздухом, при малых скоростях полета. Создание и поддержание подъемной силы за счет подогрева воздуха внутри оболочки дирижабля может оказаться менее эффективным, нежели способ Монгольфье (для свободных аэростатов). По крайней мере, идея термодирижабля нуждается в проверке с учетом условий реальной эксплуатации. Кстати, далеко не случайно максимальные скорости «Камерона-1» и «Стар» не превышают 50 км/ч. К сожалению, сторонники возрождения дирижаблей (и не только энтузиасты-любители), подчеркивая то, что подъемная сила воздухоплавательных аппаратов «ничего не стоит», недостаточно учитывают значение атмосферных факторов.
На деле архимедова «всплывная сила» дирижаблей бесплатна до тех пор, пока не заработают их двигатели. А тогда сразу же появятся энергозатраты. И немалые – преодоление массивным летательным аппаратом сопротивления воздуха, тем более при встречном ветре, невозможно без напряженной работы его силовой установки. Даже при полете в штиль мощность, расходуемая на перемещение дирижабля, равна мощности, потребной для перевозки аналогичного груза вертолетом (двигатели обеих машин приняты одинаковыми). Термодирижабль в тех же условиях окажется менее эффективным, так как на малых скоростях его экипажу придется дополнительно тратить горючее на поддержание в оболочке заданной температуры воздуха. А его удельная всплывная сила, даже при температуре 450°С, как отмечает сам автор, меньше, чем у водорода и гелия.
Поэтому воздухоплавателям придется перед каждым рейсом тщательно учитывать скорость и направление ветра на трассе. Ведь при полете против ветра, дующего со скоростью 10-15 м/с, эффективность дирижабля снижается на порядок!
Л. Константинов верно отметил основное преимущество термодирижабля перед цеппелином – единую систему создания и регулирования подъемной силы, что позволяет экипажу варьировать ее от нуля до максимума. Напомним, что у классических дирижаблей при подъеме следовало сбрасывать балласт, а при спуске – выпускать взрывоопасный водород или весьма дорогой гелий за борт. Не случайно же в последние годы на дирижаблях «Скайшип-500» и «Скайшип-600» вертикальный маневр производится с помощью изменения вектора тяги двигателей, что, кстати, связано со значительными энергозатратами и утяжелением конструкции.
А теперь несколько слов о проекте базового термодирижабля объемом 270 тыс. м³. Скорее всего вес его конструкции занижен и на деле составит не менее 200 т. Дело в том, что силовой каркас этого аппарата придется усиливать, чтобы компенсировать: действие изгибающих моментов на удлиненный корпус ; дополнительные напряжения, возникающие в жестком каркасе от разницы температур внешней и внутренней оболочек; вес теплообменника, удерживающего заданный тепловой режим внутри огромной оболочки.
Трудно согласиться с тепловыми и энергетическими характеристиками термодирижабля предложенного устройства хотя бы потому, что не учтен градиент температур внутри оболочки (на стенах – 400°С, средняя воздуха в оболочке – 600°С), из-за чего в теплообменник придется подавать отработавшие газы, нагретые минимум до 800°С, а выбрасывать в атмосферу с температурой не ниже 400°С. Кроме того, при дожде, снеге, просто в прохладную погоду потери тепла составят не менее 3 тыс. кВт. При длительных стоянках «на грунте» аэродинамические нагрузки на корпус термодирижабля окажутся не ниже, чем у цеппелинов.
Нельзя не согласиться с тем, что требования к герметичности оболочки термодирижабля могут быть мягче, чем у газонаполненных аппаратов. Что же касается утечки газа из последних, то она неизбежна вследствие диффузии через материал обшивки. Впрочем, и в этом случае расходы из-за улетучивания гелия окажутся существенно меньше затрат на ежесуточный ввод термодирижабля в действие.
Но есть у цеппелина-монгольфьера достоинство, которое вряд ли кто возьмется оспаривать. Как отметил профессор Л. Константинов, этот аппарат действительно универсален и совершенно не нуждается для полетов в водороде и гелии. Вот основа, из которой должны исходить проектировщики.
Владимир Учватов, кандидат технических наук
источник: Лев Константинов, доктор технических наук, профессор, г. Калининград «Термодирижабль — будущее аэронавтики» «Техника-молодежи» 1985-06, стр.24-27
