Цельнометаллические дирижабли

Интересная винтажная статья, которая, думаю, заинтересует коллег.

Идея применения металла для оболочек аэростатов – управляемых и неуправляемых – родилась очень давно: предложение строить воздушный шар из металла было внесено уже в 1784 г., т. е. всего через год после первых опытов братьев Монгольфье во Франции, первый аэростат которых поднялся в 1783 г. Даже еще задолго до этого, в 1670 г., Франческо Лана (Италия) выступил с проектом постройки воздушного корабля, в котором подъемная сила получалась таким образом: из больших шаров, сделанных из тонкой латуни, выкачивается воздух; благодаря этому латунь становится легче окружающего атмосферного воздуха, и шары приобретают подъемную силу. Соединив несколько таких шаров в одну систему и подвесив к ним гондолу с пассажирами, можно совершать воздушные путешествия. Попытки Лапа, разумеется, ни к чему не привели, так как шары, не имевшие каркаса, немедленно сплющивались, как только из них удаляли воздух.

* * *

Первый дирижабль в мире поднялся в 1852 г. во Франции. Это был дирижабль А. Жиффара мягкой системы объемом 2500 кубических метров с паровой машиной в 3,5 лошадиных сил. Главную роль в этой конструкции играли материал для оболочки и дерево. Роль металла в дирижаблестроении значительно увеличилась с появлением в 1900 г. первых дирижаблей жесткой системы графа Ф. Цеппелина, который строил из металла (сначала алюминия, впоследствии дюралюминия) весь остов дирижабля. Изнутри он вводил в него ряд отдельных баллонов с газом, а снаружи обтягивал сравнительно легкой материей для придания всей системе большей удобообтекаемости. Благодаря применению такого каркаса стало возможно значительно увеличить как размеры, гак и другие показатели дирижаблей этой системы. В настоящее время уже закончен и скоро отправляется в первый полет германский дирижабль LZ-129 объемом 200 тыс. кубических метров. Общий вес его будет достигать 200 тонн. Дирижаблями жесткой системы с металлическим каркасом достигнута дальность полета без спуска свыше 11500 километров при высоте полета в 7600 метров. Однако дальнейшая «металлизация» дирижаблей оказалась настолько затруднительной с технической стороны (как конструкция, так и производственные процессы), что попытки строить дирижабли с металлической оболочкой делались все реже и реже.

жесткий дирижабль «Граф Цеппелин»

Первый из таких дирижаблей построен был австрийским лесничим Шварцем сначала в 1893/94 г. в России (в Петербурге), а затем в 1895–1897 г. в Берлине (Германия). Этот дирижабль был построен полностью из алюминия. Его объем был около 3700 кубических метров при длине 47,5 метров и диаметре 14 метров. Сечение корпуса было круглое; передний конец представлял вид конуса. Пропеллеров было два, и они были установлены по бокам на корпусе дирижабля на кронштейнах. От моторов к ним вела ременная передача.

первый в мире цельнометаллический дирижабль Шварца (1896-97 г.г.)

Форма и силовая схема дирижабля Шварца в значительной степени послужили исходным материалом для проектирования дирижабля графа Цеппелина, который лично присутствовал при его полете. Но принцип металлической оболочки был после неудач Шварца оставлен и к нему не возвращались в течение 30 лет вплоть до появления дирижабля американского конструктора инженера Р. Эпсона (1929 г.).

* * *

Матерчатые оболочки дирижаблей обладают по сравнению с металлическими целым рядом существенных недостатков: они газопроницаемы, значительно менее прочны и недолговечны, подвержены сгоранию, некоторые из них очень дороги. Чрезвычайно, например, дорога бодрюшировапная балонная ткань цеппелиновских дирижаблей. Для нее требуется сырье, дефицитное даже в мирное время. Однако хотя металлическая оболочка, как видим, гораздо более удобна, долгое время не удавалось найти для нее удовлетворительные конструктивные формы. Между тем только при металлических оболочках можно без риска получить в дирижаблях существенную добавочную подъемную силу посредством подогрева газа, так как на металлическую оболочку такой подогрев не оказывает вредного действия, тогда как при матерчатых баллонах можно подогревать газ только в весьма незначительных пределах.

Первым, кто дал обстоятельное теоретическое обоснование цельнометаллической оболочки с изменяемым объемом, был замечательный русский ученый-самоучка и изобретатель Константин Эдуардович Циолковский. Уже в 1892 г. он напечатал первый выпуск своей работы – «Аэростат металлический управляемый», а в 1912 г., в процессе дальнейшей разработки конструкции своего дирижабля, предложил делать ее волнистой (гофрированной). Но при царском правительстве в России дирижаблестроение было в совершенно заброшенном состоянии. Поэтому идеи К. Э. Циолковского до Октябрьской революции оставались без осуществления. И только при советской власти этот выдающийся ученый получил возможность реально взяться за работу в этой области. Это стало возможно лишь тогда, когда окрепла наша собственная материальная база. К этому времени и сами требования к дирижаблям, как к мощным воздушным судам, неизмеримо возросли. Это дополнительно потребовало огромной подготовительной работы, главным образом, по линии технологического процесса изготовления оболочки. Тем временем американский конструктор Эпсон закончил свою работу над цельнометаллическим дирижаблем. Первая его модель получила следующее конструктивное оформление.

Внутри металлической оболочки объемом 5720 кубических метров имеется легкий каркас из 12 поперечных кольцевых шпангоутов и 24 продольных стрингеров. На этом каркасе заклепками укреплена металлическая оболочка корпуса из альклэда. Альклэд – алюминиевый сплав типа дюраля, на который для защиты от коррозии нанесен с обеих сторон тонкий слой чистого алюминия. Эта оболочка состоит из множества отдельных листов альклэда, склепанных между собой посредством тонких дюралевых заклепок. Трехрядный шов заклепок наносится посредством специальной машины. Непосредственно под корпусом корабля подвешена гондола, в которой расположена командирская рубка, пассажирское помещение, радиорубка, а по бокам ее снаружи укреплены на кронштейнах два звездообразных мотора Райт по 220 лошадиных сил. В местах подвески гондолы внутри корпуса имеется тросовая подвеска к шпангоутам. Внутри корпуса корабля помещены два матерчатых баллонета с воздухом для регулирования давления внутри оболочки. Давление это существенно изменяется в зависимости от различных факторов – нагревания оболочки солнцем или охлаждения ее холодным течением воздуха, подъема дирижабля в более высокие и, следовательно, разреженные слои воздуха и т. д. Для получения давления в этих баллонетах во время полета дирижабля имеется два специальных улавливателя, которые улавливают в свои раструбы встречный поток воздуха и нагнетают его в баллонеты. Во время же остановки корабля для этой цели пользуются вентилятором с ручным приводом.

дирижабль с гефрированнои цельнометаллической оболочкой американский конструкции Слейта

общая схема устройства американского дирижабля с цельнометаллической оболочкой ZMC 2

дирижабль ZMC 2 во время сборки в эллинге.

дирижабль ZMC 2 во время окончательной сборки

гондола дирижабля ZMC 2 с двумя моторами Райт по 220 л. с.

Длительное и всестороннее испытание этого дирижабля в полете показало, что утечка газа в нем крайне невелика и после 500 часов его эксплуатации средняя ежедневная убыль в подъемной силе составляют 1,3 килограмма, причем половина этой утечки идет за счет неплотности воздушных баллонетов. Яйцеобразная форма дирижабля прекрасно себя оправдала: дирижабль показал хорошую устойчивость. Максимальная его скорость достигла 106, а крейсерская – 90 км/час. Все эти ценные результаты, полученные в процессе опытной эксплуатации первого дирижабля с цельнометаллической оболочкой, показали полную практическую осуществимость подобной конструкции и были положены в основу .проектирования мощных, дирижаблей этого типа. Однако назвать этот дирижабль цельнометаллическим все же нельзя, так как существенная деталь его конструкции – два баллонета объемом 1430 метров, т. е. 25% всего объема, изготовлена из хлопчатобумажной прорезиненной ткани.

* * *

В США был построен другой дирижабль с цельнометаллической оболочкой конструкции Слейта объемом 9250 кубических метров. Этот дирижабль имел весьма своеобразную конструкцию. Его оболочка была не гладкая, а гофрированная, как давно предлагал К. Э. Циолковский. Это позволило отказаться от продольных стрингеров внутреннего каркаса, кольцевые же шпангоуты сохранены и установлены гораздо более часто, чем в дирижабле Эпсона.

Для регулирования давления внутри дирижабля имелся матерчатый баллонет. Оперение дирижабля (стабилизаторы и рули), расположенное на корме корпуса, имело крайне малую рабочую площадь. Удлиненная гондола прикреплена к нижней части корпуса дирижабля. Для продвижения дирижабля в воздухе Слейт впервые осуществил многократно предлагавшуюся изобретателями «тоннельную» систему: по оси дирижабля проходил сквозной туннель – труба круглого сечения. В ее отверстие в носовой части воздух засасывался сильным вентилятором, из кормового же конца соответствующий вентилятор выбрасывал мощную струю воздуха. Реактивное действие этой силы струи и всасывающее действие переднего вентилятора в общей сложности 'создавали поступательное движение судна. Однако опыты с ним оказались неудачными, так как вскоре после вывода дирижабля из эллинга лопнул шов оболочки в верхней части, и опыты были прекращены.

* * *

Первым настоящим цельнометаллическим дирижаблем был дирижабль системы К. Э. Циолковского. В то же время это был и первый металлический дирижабль с изменяемым объемом. Каркас у дирижабля Циолковского отсутствует. Жесткость всей системы, необходимая для преодоления, сопротивления воздуха при продвижении, создается за счет наличия внутреннего давления газа, которое можно в известных пределах изменять в сторону понижения или повышения. Достигается это путем принудительного изменения объема металлической оболочки посредством стягивающей системы тросов. Оболочка состоит из двух прямых боковин (вертикальных стенок) из гофрированного тонкого листового металла, причем волны гофрировки идут перпендикулярно продольной оси дирижабля. Эти стенки соединены одним общим поясом из такого же гофрированного металла несколько большей толщины. Получается газовместилище, имеющее в поперечном разрезе прямоугольную форму, причем большие прямые его стороны составляются боковинами, а меньшие – поясом. Если теперь через трубку начать наполнение этой оболочки каким-либо газом, то ее стенки (боковины) начнут раздуваться, выгибаясь наружу, а верхний и нижний пояса начнут сближаться. Верхний и нижний пояса можно сближать и принудительным порядком, какой-либо стягивающей системой. Тогда соответствующим образом изменяется и сечение, а с ним и объем оболочки дирижабля. Эти главные особенности и отличают дирижабль Циолковского от всех других систем. Благодаря тому что объем дирижабля можно по мере надобности увеличивать, дирижабль может до известных пределов, – по мнению К. Э. Циолковского, до 4 тыс. метров, – подниматься вверх, не выпуская газа, тогда как дирижабли всех остальных систем должны выпускать излишек газа, как только его давление превысит установленную узкую норму. Кроме того, цельнометаллические оболочки, естественно, в состоянии выдерживать значительно большее давление, чем матерчатые.

Основные оболочки в дирижабле Циолковского сделаны из более толстого листового металла и служат для подвешивания длинной гондолы, на которой укрепляется и мотор с пропеллером. Отходящие горячие газы мотора могут быть направлены в специальную трубу, идущую вдоль оболочки. Этим путем достигается подогрев газа, чем повышается его подъемная сила.

малая модель оболочки дирижабля Циолковского объемом в 12 кб. мтр. в исходном (ненадутом) состоянии

малая модель оболочки дирижабля Циолковского, наполненная газом и находящаяся под давлением

общий вид модели дирижабля Циолковского. В вырезе в передней стене видна стягивающая система

Крепления оперения – стабилизаторов и рулей – осуществляется в нескольких вариантах. Как же соединяются тонкие листы металла, из которых строится оболочка дирижабля Циолковского? Наилучшим способом этого соединения признана электросварка, причем ее метод был тщательно проработан применительно к специфическим требованиям металлического дирижаблестроения. Было использовано множество новейших изобретений советских инженеров и техников, давшее с точки зрения прочности и полной газонепроницаемости шва выдающиеся результаты. Большинство этих изобретений применяется сейчас верфью Дирижаблестроя при изготовлении последней большой модели дирижабля Циолковского объемом 1000 кубических метров. Модель изготовляется полностью из тонких гофрированных полос нержавеющей стали, соединенных между собою электросваркой. Так как электросварку приходится производить в самых разнообразных случаях, спроектирован и построен ряд остроумных приспособлений, представляющих весьма серьезное достижение техники. На стыке гофрированных листов стенок оболочки с основанием устроено шарнирное соединение, напоминающее обычные дверные петли и сплошь закрытое гофрированными же продольными колпаками из тонкой листовой нержавеющей стали.

После изготовления этой большой оболочки она будет подвергнута всесторонним испытаниям для выяснения всех ее качеств, прочности шва и многих других вопросов. На основе этих испытаний будет производиться все дальнейшее проектирование и постройка дирижабля системы К. Э. Циолковского. Всеми этими работами Константин Эдуардович руководил лично до последнего дня своей жизни.

источник: инж. Б. ВОРОБЬЕВ «Цельнометаллические дирижабли» «Техника-молодежи» 11/1935