какие силы действуют на дирижабль
Какие силы действуют на дирижабль
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛЕТА ДИРИЖАБЛЯ (или ПРАКТИЧЕСКИЙ ИНТЕРЕС К СЕРЬЕЗНЫМ ОТКРЫТИЯМ)
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Этим летом мы с семьёй отдыхали в Италии. Там мы видели большие красочные воздушные шары, на которых летали люди. Однако, это меня не удивляло, потому что и над Калугой иногда летают воздушные шары, да и в детстве мне часто покупали воздушные шарики, которые «рвались» ввысь. Хотя вопрос, как летают воздушные шары, как регулируется высота, и, самое главное, как с помощью воздушного шара можно попасть из одного города в другой, меня начал интересовать еще в Калуге. Вскоре после увиденных мною парящих воздушных шаров я увидела в Венеции модель, которая меня заинтересовала (Приложение1, рис. 1). Продавец ответила мне, что это дирижабль, однако папа сказал, что это очень условная модель, и что дирижабли на самом деле должны быть другими. Вот тогда-то я впервые и заинтересовалась дирижаблями. Особенно, когда родители мне объяснили, что дирижабли были нескольких типов: у одних, оболочка была изготовлена из ткани, а у других – из гофрированного металла. Причем, вопросами изучения дирижаблей занимался наш великий земляк К.Э.Циолковский. Конечно, после того, как мы вернулись в Калугу, я сразу же пошла с родителями в его музей, и тогда уже более осознанно попыталась понять и историю дирижаблей, и физику их полетов (Приложение 1, рис. 2). И позже я еще раз сходила в Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского (Приложение 1, рис. 3). И вот я заинтересовалась историей создания дирижаблей и почему они летают.
Цель: изучить историю дирижаблестроения и понять принципы их движения в воздухе.
Гипотеза: условия и принципы полета дирижабля в воздухе аналогичны плавающему в воде флакону с шампунем.
1. Изучить историю дирижаблей и выявить интересные факты.
2. Рассмотреть действие силы Архимеды на тела, погруженные в жидкость или газ.
3. Провести сравнительный анализ между дирижаблем и воздушным шаром.
4. Рассмотреть причины изменения вертикального положения дирижабля
5. Рассмотреть причины изменения вертикального положения флакона с шампунем.
6. Провести анализ различий между дирижаблем и флаконом с шампунем.
Объект исследования:техническая модель дирижабля.
Предмет исследования:условия успешногополета дирижабля.
— работа с первоисточниками: изучение и отбор информации из литературы и сети Интернет по теме работы;
— методы моделирования, сравнения, качественный анализ и обобщение;
— экспериментальный метод и интерпретация данных.
Актуальность работы: интерес к полетам дирижаблей в настоящее время сложно переоценить, в связи с тем, что дирижаблестроение претерпевает «второе» дыхание. Однако, в отличие от дирижаблей прошлых столетий, используемых в основном в военных и исследовательских целях, современное дирижаблестроение носит скорее развлекательный характер, повышающий настроение человека и его эмоциональный настрой. Тем не менее, вопросы исследования полетов дирижаблей в настоящее время сложно переоценить.
1.1. Интересные факты из истории дирижаблей
По определению, дирижаблем называют летательный аппарат легче воздуха, аэростат с двигателем. Двигатель и позволяет дирижаблю двигаться независимо от направления воздушных потоков.
Изобретателем дирижабля считается Жан Батист Мари Шарль Мёнье. Дирижабль Мёнье должен был быть сделан в форме эллипсоида (Приложение 2). Управляемость должна была быть осуществлена с помощью трех пропеллеров. Французский инженер Анри Жиффар сконструировал первый в мире дирижабль и в сентябре 1852 года поднялся на нем над Парижским ипподромом и пролетел примерно 30 километров со средней скоростью 10 километров в час. Вот от этого полета и отсчитывают эру моторной авиации и эру дирижаблей.
Развитие дирижаблей шло по трем конструктивным направлениям: мягкие, полужесткие, жесткие.
— Мягкие дирижабли, по сути, похожи на воздушные шары.
— Дирижабли полужёсткого типа имеют в нижней части металлическую оболочку.
— Жёсткие дирижабли. Собирался металлический каркас (как клетка для птиц) и обтягивался снаружи тканью.
Эра расцвета дирижаблей пришлась на 20-30-е годы ХХ века. В эти годы в центре внимания всего мира были арктические исследования. Ледоколы штурмовали арктические льды.
Великий К. Э. Циолковский критиковал мягкие дирижабли не голословно (невозможность держать высоту, высокая вероятность пожаров, плохая горизонтальная управляемость), еще в 80-х годах XIX века он рассчитал и предложил проект большого грузового дирижабля жесткой конструкции с металлической обшивкой.
К. Э. Циолковский внимательно следил за развитием мировой науки. Ежедневно (а то и по два раза в день) почтальон приносил в двухэтажный домик на улицу Брута (так тогда называлась улица, носящая теперь имя Циолковского) увесистую сумку с письмами и научными журналами, среди которых были и присланные из-за рубежа.
Конструкция всех дирижаблей проста: огромный сигарообразный резервуар, наполненный водородом или гелием, кабина и два поворотных двигателя. Для подъема аэростата в небо использовали водород, хранившийся внутри жёсткого каркаса в многочисленных отсеках или баллонах.
Наиболее мощными воздухоплавательными державами были Россия, имевшая в Петербурге более двух десятков аппаратов, и Германия, обладавшая 18 дирижаблями.
В СССР первый дирижабль построили в 1923 году (Приложение 2). Значение дирижаблей в то время уделялось очень много времени, достаточно отметить, что некоторое время даже г. Долгопрудный назывался Дирижаблестроем. Несмотря на то что дирижабли действительно были созданы советскими учеными в Ленинграде и после переданы Дирижаблестрою, полностью справиться с задачей, обойдясь только советскими работниками, предприятие не смогло. Так, в 1933 году для разработки дирижабля полужесткого типа в СССР был приглашен итальянский специалист Умберто Нобиле. Нобиле справился, и полужесткий советский дирижабль «СССР В-5» создал. Потом создали «СССР В-6», и он даже установил мировой рекорд продолжительности полета. Но после ряда аварий перед началом войны — в 1933 году — было принято решение «законсервировать» Дирижаблестрой, что и было сделано. Газета «Труд» не забывает упомянуть имя, известное практически всем: ведутся «опытные работы по постройке цельнометаллического дирижабля по проектам виднейшего ученого и изобретателя нашего Союза К. Циолковского».
Интерес к дирижаблям не угасал в течение всего ХХ века, особенно когда начались различные энергетические кризисы. В конце ХХ – начале XXI века интерес к дирижаблям вновь усилился вследствие резкого подорожания моторного топлива и их очевидных преимуществ перед авиацией. Чем же так привлекает дирижабль?
При использовании гелия он намного безопаснее самолёта. Ведь гелий не заполняет полностью весь корпус дирижабля, а находится в мешках. Лопнет один мешок – работают остальные. Дирижабль гораздо экологичнее. Для его движения не обязательно использовать углеводородное топливо. Можно применить атомные двигатели, электродвигатели, в том числе на солнечных батареях, и т.д.
При современном дирижаблестроении используются как прежние, ранее не реализованные идеи К.Э. Циолковского, так и новые разработки, которые позволяют контролировать подъёмную силу дирижабля, совершать вертикальные взлёт и посадку, зависать в воздухе почти без затрат энергии, садиться вертикально на воду и твёрдую поверхность и т.д.
В отечественной разработке находятся гибриды дирижабля и самолёта, которые могут быть использованы в любом режиме – самолётном, вертолётном, как морское судно на воздушной подушке и т.д. Разрабатываются также беспилотные варианты дирижаблей, управляемые с Земли, для перевозки грузов, видеонаблюдения, телекоммуникационных целей и др.
1.2. Сила Архимеда. Практическое изучение закона
Вопрос, как могут летать дирижабли, изготовленные из гофрированного металла, не давал мне покоя, но – помог случай. Через день, после поездки в Венецию, я увидела в море очень красивый камень, который захотела показать своему брату Илье, я подумала позвать его, но потом решила сама принести ему этот камень, одно только меня смущало, смогу ли я его поднять? Представьте – смогла. Но когда я начала его вытаскивать из воды, он стал очень тяжелым, и мне пришлось позвать на помощь папу. Когда я у него спросила, почему камень стал таким тяжелым, он мне ответил, что пока камень был в воде, она «помогала» мне его поднять, а когда, камень вытащили из воды, то эта помощь закончилась. Однако, папа добавил, что когда камень находится в воздухе, то воздух тоже «помогает» поднять камень, но только значительно меньше, чем вода. И тогда я впервые услышала закон Архимеда: на тело, погруженное в жидкость или газ, действует направленная вверх выталкивающая сила, равная весу жидкости или газа в объеме этого тела. А так как вес воздуха в объеме камня будет намного меньше веса воды в этом же объеме, то поэтому «помощь» воздуха при подъеме камня практически незаметна.
1.3. Дирижабль и воздушный шар. Качественный анализ информации
И тогда я поняла, что и обыкновенный воздушный шарик, и воздушный шар, на котором могут летать люди, и дирижабль – все это может летать, потому, что на них действует сила Архимеда со стороны воздуха. И началось… Я везде пыталась найти аналогию, между водой и воздухом, тем более на море и того, и другого – достаточно.
Например, я поняла, что и дирижабль, и воздушный шар поднимаются в воздух под воздействием силы Архимеда. чем лучше дирижабль воздушного шара, да тем же, чем моторная лодка лучше парусника. Воздушный шар может только, как и парусник, воспользоваться попутным ветром, а дирижабль может (из-за своих двигателей) лететь даже против ветра, правда не сильного, но и моторная лодка, также не может противостоять сильным порывам ветра. Конечно, команда моторной лодки может опустить парус, а у дирижабля так не получится, но, тем не менее, мне кажется, что аналогия здесь есть.
На вопрос, чтобы же лучше использовать: дирижабль или воздушный шар, ответ будет следующим: все зависит от целей (Таблица 1).
Таблица 1. Сравнительный анализ воздушного шара и дирижабля
Смогут ли дирижабли вновь завоевать небо
В прошлом веке дирижабли перевозили тяжелые грузы, выполняли трансатлантические рейсы, летали над Северным полюсом. В военное время их использовали для разведки и уничтожения объектов противника, заграждения и корректировки огня артиллерии, подготовки десантников. Увлечение человека скоростями, сложности в использовании водорода в качестве подъемного газа при высокой стоимости более безопасного гелия, свело на нет использование медленных и неповоротливых «цеппелинов».
Катастрофа дирижабля «Гинденбург» не была первой или самой крупной по количеству человеческих жертв. Но именно падение немецкого «цеппелина» было снято на кинопленку и облетело весь мир. Образ роскошного и безопасного воздушного судна сгорел за 32 секунды вместе с обшивкой гондолы дирижабля, внутри которой находилось 200 тыс. кубометров водорода. После более чем 30 лет пассажирских путешествий на коммерческих дирижаблях, в которых десятки тысяч человек пролетели более 1 млн км, совершив более 2 000 рейсов без единой травмы, эра пассажирских дирижаблей на водородном топливе подошла к концу.
Сегодня этот вид транспорта получает второе рождение. Малый углеродный след, низкая стоимость перевозки груза, в том числе негабаритного, и способность проникать в труднодоступные районы — преимущества, которые позволят дирижаблям снова занять свое место на небосводе. А современные технологии сделают их надежнее и безопаснее.
Пока единственный действующий нерекламный дирижабль — пассажирский Zeppelin NT. Судно длиной 75 м предлагает обзорные экскурсии по Германии и Швейцарии. Цена билета на 30-минутный тур — около €260.
Но энтузиасты дирижаблестроения уверяют, что если все сложится удачно, уже через три-пять лет полеты небесных гигантов, как пассажирских так и грузовых, вполне могут стать обычным делом.
Семь преимуществ современного дирижабля
Кто создает дирижабли сегодня
Flying Whales
Французская компания Flying Whales планирует начать доставку грузов в отдаленные районы дирижаблями LCA60T уже в 2024 году. На финансирование всей программы до ввода в эксплуатацию первого судна Flying Whales необходимо €400–500 млн. Компания планирует построить 150 дирижаблей за десять лет.
LCA60T — гибридный дирижабль с жесткой конструкцией для перевозки тяжелых грузов на расстояния в 300–500 км. Первоначально аппараты будут иметь запасы обычного авиационного керосина на выработку электроэнергии для полета. По словам директора по продажам, маркетингу и операциям Flying Whales Мишеля Рено, сейчас компания разрабатывает водородный топливный элемент для полностью электрической силовой установки. Производители надеются сократить углеродный след со вторым поколением LCA60T, запланированным на 2025 год.
Индонезия, Гайана и канадская провинция Квебек намерены испытать дирижабли Flying Whales как дополнительное решение для районов, где географические и климатические ограничения затрудняют строительство транспортной инфраструктуры. Заинтересованность в этом виде воздушных судов выразило Национальное управление лесного хозяйства Франции.
Компания Flying Whales планирует использовать дирижабли в гуманитарных и спасательных миссиях для транспортировки аварийного оборудования в районы, пострадавшие от стихийных бедствий, или для эвакуации людей. Она ведет переговоры с крупными международными игроками, в том числе ООН.
Hybrid Air Vehicles
В мае 2021 года британский производитель дирижаблей Hybrid Air Vehicles (HAV) назвал ряд маршрутов, которые он намерен обслуживать с 2025 года. Один из них — Барселона–Пальма-де-Майорка. Его 100-местный гибридный дирижабль Airlander 10 преодолеет 200 км между этими городами за 4,5 часа. Другие запланированные маршруты включают Ливерпуль–Белфаст — 5 часов 20 минут, Осло–Стокгольм — 6,5 часов и Сиэтл–Ванкувер — четыре часа.
Первоначальная конфигурация дирижабля в 2025 году будет состоять из четырех двигателей внутреннего сгорания. Комбинация этих двигателей с технологией Airlander может снизить выбросы до 75% по сравнению с самолетами с неподвижным крылом. Выброс CO2 на одного пассажира на дирижабле составит около 4,5 кг против примерно 53 кг на реактивном самолете. Со временем все четыре двигателя Airlander 10 будут электрическими, что сократит уровень выбросов к 2030 году до 95%.
Гибридный дирижабль сочетает аэродинамическую подъемную силу самолета, подъемные газы дирижабля и векторную тягу вертолета.
По словам HAV, дирижабль выдержит высокие и низкие температуры, сильный ветер и даже удары молнии в соответствии с теми же нормативными стандартами, что и другие пассажирские самолеты.
Интерьер кабины, рассчитанной на 90–100 человек, выглядит не хуже, а возможно и лучше, чем бизнес-класс в обычном самолете. Первоначальный дизайн салона гибридного дирижабля включает плюшевые сиденья и окна от пола до потолка, предлагающие много места, естественного света и видов на мир внизу.
«Пандемия заставляет людей думать о полетах по-другому, уделяя меньше внимания скорости и больше — влиянию на окружающую среду, комфорту и личному пространству», — уверен генеральный директор HAV Том Гранди.
Характеристики Airlander 10:
Hybrid Air Vehicles не ограничивается пассажирскими перевозками. Следующим аппаратом в линейке Airlander станет грузовой Airlander 50. Полностью электрический дирижабль будет доступен к 2033 году. Его углеродный след составит 1,15 кг на 1 т груза на 1 км пути.
Технология Airlander рассчитана на масштабирование. В будущем появится модель, способная перевозить 200 т грузов на большие расстояния.
Характеристики Airlander 50:
По следам Умберто Нобиле
Компания Hybrid Air Vehicles подписала сделку на поставку дирижабля Airlander 10 шведской туристической фирме OceanSky Cruises, которая намерена пролететь на судне над Северным полюсом с исследователем Арктики Робертом Своном в качестве руководителя экспедиции.
Организаторы хотят показать, что путешествия и воздушные перевозки могут быть экологически устойчивыми, а технологии LTA (lighter than air) способны предоставить человечеству эффективные средства передвижения и работать в районах, где нет инфраструктуры и цивилизации.
За один рейс дирижабль сможет принять на борт 16 гостей и семь членов экипажа. Предположительно, 100 пионеров уже получили приглашение на участие.
Lighter Than Air (LTA) Research
LTA — амбициозный проект сооснователя Google Сергея Брина. Компания занимается аэрокосмическими исследованиями и разработками, создает экспериментальные и сертифицированные пилотируемые и дистанционно пилотируемые дирижабли.
Известно, что 200-метровый дирижабль будет доставлять гуманитарную помощь, включая продукты питания и припасы, в отдаленные районы мира, к которым нелегко добраться из-за ограниченной или разрушенной инфраструктуры.
LTA намерена создать семейство летательных аппаратов с нулевыми выбросами углекислого газа.
Компания будет тесно сотрудничать с некоммерческой организацией Брина по оказанию помощи при стихийных бедствиях Global Support and Development (GSD).
В 2019 году LTA зарегистрировала дирижабль Pathfinder 1, оснащенный 12 электродвигателями и способный перевозить 14 человек.
Atlas LTA
Израильская компания Atlas LTA имеет российские корни. Основатель и руководитель Atlas LTA Геннадий Верба до этого занимал пост председателя Совета директоров группы компаний «РосАэроСистемы», которая вела разработку и строительство дирижаблей.
Электрические дирижабли Atlas, по мнению создателей, — идеальные инструменты для путешествий по небу. Каждая модель оснащена бортовым баром, камбузом и задней смотровой площадкой со стеклянным полом и окнами от пола до потолка. Дирижабли Atlas рассчитаны на высоту полета от 300 до 1 500 м и крейсерскую скорость около 60–80 км/ч. Такие характеристики обеспечат пассажирам лучшие впечатления от осмотра достопримечательностей.
Дирижабли оснащены полностью электрическими силовыми установками и смогут проводить в воздухе до 2,5 часов в автономном режиме. Гибридная электрическая силовая установкой позволит увеличить время в полете до 6–10 часов.
Ожидается, что помимо туристического направления, аппараты можно будет использовать для мониторинга и авиационных работ, как в пилотируемом, так и в беспилотном режиме.
Дирижабль Atlant НПО «РосАэроСистемы» разработало еще в 2017 году. Но из-за проблем с финансированием в России проект так и не увидел свет.
Atlant — комбинированное судно, которое сочетает качества самолета, вертолета и судна на воздушной подушке. Система якорей-анкеров позволит использовать дирижабль там, где нет никакой инфраструктуры. Atlant, имея грузоподъемность свыше 100 т, сможет перевозить тяжелые негабаритные грузы.
Кроме грузоперевозок и доставки гуманитарной помощи в пострадавшие районы, такой дирижабль подойдет для борьбы с лесными или любыми другими пожарами, распространяющимися на большой территории. Из-за своей низкой скорости Atlant может сбрасывать воду медленнее и точнее, чем самолет, не повреждая деревья внизу. А способность вертикально приземляться на воду и быстро наполнять большие резервуары делает его очень эффективным.
В будущем Atlant будет использоваться и для элитного туризма.
По словам Геннадия Вербы, из такого дирижабля можно сделать летающую яхту с высоким уровнем комфорта, недостижимым ни на каком другом летательном аппарате, за счет больших палубных площадей и сплошного остекления, посадки на воду.
Компания уже подписала протоколы о намерении продать 35 дирижаблей. Среди клиентов — Всемирная продовольственная программа ООН и поставщики компонентов для ветрогенераторов Siemens Gamesa Renewable Energy и Vestas Wind Systems.
Исследование Джулиана Ханта
Исследование, проведенное в 2019 году под руководством ученого из Международного института прикладного системного анализа Джулиана Ханта, показало что можно развивать отрасль, основанную на дирижаблях, используя реактивный поток как энергетическую среду для перевозки грузов по всему миру.
Реактивное течение — это сильные ветра, которые дуют с запада на восток на высоте от 8 до 12 км над поверхностью Земли со средней скоростью 165 км/ч. Дирижабли, летающие в струйном потоке, могут снизить выбросы CO2 и потребление топлива, так как ветер будет вносить большую часть энергии, необходимой для перемещения дирижабля между пунктами назначения.
По подсчетам ученых, кругосветный перелет в северном полушарии займет 16 дней, в южном полушарии — 14 дней вместо 60 дней на морском судне и потребует всего 4% топлива, затраченного кораблем. Энергия необходима лишь для того, чтобы войти в реактивный поток и выйти из него.
Какие силы действуют на дирижабль
Дирижабль!
Первые полёты дирижаблей!
Практический полет дирижабля состоялся только 24 сентября 1852 года. Это был дирижабль с паровым двигателем конструкции Анри Жиффара, который позаимствовал многие идеи у Мёнье.
Все первые дирижабли были недолговечны и чрезвычайно непрочны. Регулярные управляемые полёты дирижаблей не совершались до появления двигателя внутреннего сгорания.
19 октября 1901 года французский воздухоплаватель Альберто Сантос-Дюмон после нескольких попыток облетел со скоростью чуть более 20 км/час Эйфелеву башню на своём аппарате Сантос-Дюмон номер 6.
Дирижабль Сантос-Дюмон номер 6, 1901 год.
Параллельно с развитием мягких дирижаблей было начато и развитие жёстких дирижаблей. Впоследствии именно жёсткие дирижабли смогли переносить больше груза, чем самолёты, и это положение сохранялось в течение многих десятилетий. Много для создания жестких дирижаблей, и развития их конструкции, сделал немецкий граф, которого звали Фердинанд фон Цеппелин.
Строительство первых дирижаблей-Цеппелинов началось в 1899 году на плавающем сборочном цехе на Боденском озере в Заливе Манзелл, Фридрихсхафен. Оно было организовано на озере потому, что Граф фон Цеппелин, основатель завода, истратил на этот проект все своё состояние и не располагал средствами для аренды земли под завод.
Опытный дирижабль «LZ 1» (LZ обозначало «Luftschiff Zeppelin») имел длину 128 м и балансировался путём перемещения веса между двумя гондолами; на нём были установлены два двигателя Даймлер мощностью 14,2 л.с. (10,6 кВт).
Первый полёт Цеппелина «LZ 1» состоялся 2 июля 1900 года. Полет Цеппелина «LZ 1» продолжался всего 18 минут, поскольку дирижабль был вынужден приземлиться на озеро после того, как механизм балансирования веса сломался. После ремонта Цеппелина «LZ 1» технология жёсткого дирижабля успешно была испытана в последующих полётах. Был побит рекорд скорости французского дирижабля La France (6 м/с) на 3 м/с, но этого ещё было недостаточно для привлечения значительных инвестиций в дирижаблестроение. Необходимое финансирование Фердинанд фон Цеппелин получил через несколько лет. И первые же полёты его дирижаблей убедительно показали перспективность их использования в военном деле.
К 1906 году Фердинанд фон Цеппелин сумел построить усовершенствованный дирижабль жесткой конструкции, который заинтересовал военных.
В военных целях применялись поначалу полужёсткие, а затем мягкие дирижабли «Парсеваль», а также дирижабли «Цеппелин» жёсткого типа.
В 1913 году был принят на вооружение жёсткий дирижабль «Шютте-Ланц». Сравнительные испытания этих воздухоплавательных аппаратов в 1914 году показали превосходство дирижаблей жёсткого типа.
В 1910 году была открыта первая в Европе воздушная пассажирская линия Фридрихсхафен-Дюссельдорф, по которой курсировал дирижабль «Германия».
В январе 1914 года Германия по общему объёму (244 000 м³) и по боевым качествам своих дирижаблей обладала самым мощным воздухоплавательным флотом в мире.
В Российской Империи первый технически обоснованный проект большого грузового дирижабля был предложен в 1880-х годах русским учёным Константином Эдуардовичем Циолковским.
В конце 19-го века в русской армии действовал отдельный воздухоплавательный парк, состоявший в распоряжении Комиссии по воздухоплаванию, голубиной почте и сторожевым вышкам. На манёврах 1902-1903 годов в Красном Селе, Бресте и Вильно проверялись способы использования воздушных шаров в артиллерии и для воздушной разведки (наблюдения). Убедившись в целесообразности применения привязных шаров, Военное министерство приняло решение создать специальные подразделения при крепостях в Варшаве, Новгороде, Бресте, Ковно, Осовце и на Дальнем Востоке, в составе которых имелось 65 шаров. К изготовлению дирижаблей в России приступили в 1908 году.
Военное использование дирижаблей!
Перспективность применения дирижаблей в качестве бомбардировщиков была понята в Европе задолго до того, как дирижабли были использованы в этой роли. Герберт Уэллс в своей книге «Война в воздухе» (1908) описал уничтожение боевыми дирижаблями целых флотов и городов.
В отличие от аэропланов (роль бомбардировщиков выполняли лёгкие разведывательные самолёты, пилоты которых брали с собой несколько небольших бомб), дирижабли в начале мировой войны уже были грозной силой.
Наиболее мощными воздухоплавательными державами были Россия, имевшая в Петербурге крупный «Воздухоплавательный парк» с более чем двумя десятками аппаратов, и Германия, обладавшая 18 дирижаблями. В состав военно-воздушного флота Австро-Венгрии накануне первой мировой войны входило 10 дирижаблей.
Для скрытного подхода к цели дирижабли старались использовать облачность. При этом, ввиду несовершенства навигационного оборудования тех времён и необходимости визуального наблюдения поверхности для достижения точного выхода на цель, в оборудование военных дирижаблей входили наблюдательные гондолы: малозаметные, оборудованные телефонной или радиосвязью капсулы с наблюдателем, которые спускались с дирижаблей вниз на тросах длиной до 915 м.
Однако уже к сентябрю 1914 года, потеряв 4 аппарата, немецкие дирижабли перешли только на ночные операции. Огромные и неповоротливые, они были прекрасной целью для вооружённых аэропланов противника, к тому же они были наполнены крайне пожароопасным водородом. Очевидно, что им на смену неизбежно должны были прийти более дешёвые, манёвренные и устойчивые к боевым повреждениям аппараты.
«Золотой Век» дирижаблей!
После окончания первой мировой войны в США, Франции, Италии, Германии, в СССР и других странах продолжилось строительство дирижаблей различных систем.
Годы между первой и второй мировыми войнами отмечены существенным прогрессом в технологии дирижаблестроения.
Первым аппаратом легче воздуха, пересёкшим Атлантику, стал британский дирижабль R34, который в июле 1919 года с командой на борту совершил перелёт из Восточного Лотиана, Шотландия на Лонг-Айленд, Нью-Йорк, а затем вернулся в Пулхэм, Англия.
В 1924 году состоялся трансатлантический полёт дирижабля построенного в Германии LZ 126 (названного в США ZR-3 «Los Angeles»).
К концу 1920-х годов технология дирижаблестроения продвинулась до весьма высокого уровня.
Например, германский жесткий дирижабль LZ-127 «Graf Zeppelin». Длина 237 м, диаметр 30 м, 5 двигателей, скорость 135 км/час, грузоподъемность 60 т, объем оболочки 105.000 куб.м, построен на верфях Цеппелина в 1928 году.
Немецкий дирижабль «Граф Цеппелин» на испытаниях.
Дирижабль «Граф Цеппелин» в Лейкхерсте, штат Нью-Джерси, США, 29 августа 1929 года.
В сентябре и октябре 1929 года дирижабль LZ 127 «Граф Цеппелин» выполнил первые трансатлантические рейсы.
В этом же,1929 году, дирижабль «Граф Цеппелин» с тремя промежуточными посадками совершил свой легендарный кругосветный перелёт. За 20 дней он преодолел более 34 тысяч километров со средней полётной скоростью около 115 км/ч.
Летом 1931 года состоялся известный полёт дирижабля «Граф Цеппелин» в Арктику, а вскоре дирижабль приступил к выполнению относительно регулярных пассажирских рейсов в Южную Америку, продолжавшихся до 1937 года.
Путешествие в дирижабле этой эпохи по комфортабельности значительно превосходило тогдашние (а в некоторых отношениях и современные) самолёты. В корпусе пассажирского дирижабля часто имелся ресторан с кухней и салон.
Например, британский жёсткий дирижабль R101 имел 50 одно-, двух- и четырёхместных пассажирских кают со спальными местами, расположенными на двух палубах, столовую на 60 человек, две прогулочные палубы с окнами вдоль стен. Пассажирами использовалась в основном верхняя палуба. На нижней палубе находились кухни и туалеты, а также размещался экипаж. Имелась даже отделанная асбестом комната для курения на 24 человека.
Пассажиры дирижабля R101 на прогулочной палубе.
На дирижабле «Гинденбурге» имел место запрет на курение. Все, кто находился на борту, включая пассажиров, перед посадкой были обязаны сдавать спички, зажигалки и прочие устройства, способные вызвать искру.
Германский дирижабль «Гинденбург» в полете.
Сборка дирижабля «Акрон» на заводе.
Дирижабль «Акрон» на причале.
Американский дирижабль «Акрон» в полете.
Дирижабли в СССР!
В СССР дирижаблям уделялось много внимания, даже была создана специальная организация «Дирижаблестрой», которая построила и сдала в эксплуатацию более десяти дирижаблей мягкой и полужёсткой систем.
После войны в СССР построили несколько полужестких дирижаблей береговой охраны, прежде всего для использования в арктических областях.
Последним советским дирижаблем был «СССР-В12 бис», построенный в 1947 году.
В начале 1980-х годов, были проведены расчёты дирижабля для нужд ВМФ, но из-за начавшихся проблем с финансированием во время перестроечных реформ проект был законсервирован.
После распада СССР госпредприятие «ДКБА», которое занималось проектированием воздушных наров, аэростатов и дирижаблей, возглавило российскую отрасль воздухоплавательных технологий, и стало стержневым предприятием нарождающейся индустрии.
В 1990-е годы ДКБА разрабатывает проект дирижабля мягкой конструкции 2ДП с грузоподъёмностью около 3 тонн, а после пересмотра технического задания и указания на необходимость создание аппарата с большей грузоподъёмностью проект продолжается под названием «дирижабль ДС-3». В 2007 году подготовлен аванпроект этого аппарата.
Российский дирижабль ДС-3.
Сегодня в России ведутся разработки дирижаблей с грузоподъёмностью 20, 30, 55, 70, 200 тонн. Проведена значительная часть работ по проекту дирижабля «линзообразной» формы ДП-70Т, который предназначен для транспортировки грузов с безэллинговой круглогодичной эксплуатацией во всех климатических зонах. На конструктивной основе этого дирижабля проработаны варианты дирижабля с грузоподъёмностью 200-400 т.
В конце 1980-х начале 1990-х годов, в СССР появился проект «Термоплан», отличительной особенностью которого являлось использование для создания подъёмной силы помимо гелиевой секции дирижабля и секции с воздухом, нагреваемым двигателями (идея, высказанная еще К. Э. Циолковским в 1890-х годах). Благодаря этому удалось снизить вес непроизводительного балласта на 70-75% в сравнении с дирижаблями других конструкций и, следовательно, повысить экономичность (до 28,125 грамм на тонно-километр для проектной грузоподъёмности 2000 тонн). Кроме того, такому дирижаблю не нужны закрытые эллинги и причальные мачты, что резко снижает стоимость обслуживающей инфраструктуры. Дискообразная форма корпуса позволяет осуществлять полёт при боковом и встречном ветре в 20 м/с.
Возможно, испытания дискообразных дирижаблей и стали причиной множества легенд о летающих тарелках.
Дирижабли в США!
Так, в начале 2005 года, американские военные объявили об испытаниях на полигоне в Аризоне мини-аэростата «Combat SkySat Phase 1», который позволил связаться наземным службам на расстоянии в 320 км. Масса мини-аэростата около 2 кг, при массовом производстве стоимость может составлять около 2000 USD.
Военным американским дирижаблям найдётся применение и в разрабатываемой программе Future Combat Systems. Именно с помощью дирижаблей высокой грузоподъёмности США планируют перебрасывать технику к местам военных конфликтов.
В феврале 2005 года в Ираке Пентагон провёл испытания дирижабля «MARTS» (Marine Airborne Re-Transmission Systems), который снабжён аппаратурой, позволяющей поддерживать связь с подразделениями в радиусе 180 км. Он способен противостоять ветру до 90 км/час и в течение двух недель висеть в воздухе без наземного обслуживания.
Американская компания «JP Aerospace» готовит к испытаниям 53-метровый V-образный дирижабль «Ascender». Первый полёт предусматривает подъём на высоту около 30 км и возвращение на землю. В случае успешных испытаний Пентагон предполагает возможность открыть финансирование на постройку крупного трёхкилометрового V-образного дирижабля стратосферного назначения.
Дирижабль! Особенности дирижаблестроения!
Поскольку дирижабль является летательным аппаратом легче воздуха, то он будет «плавать» в воздухе за счёт выталкивающей силы, если его средняя плотность равна или меньше плотности атмосферы. Обычно в оболочку классического дирижабля закачивают газ легче воздуха (водород, гелий), при этом грузоподъёмность дирижабля пропорциональна внутреннему объёму оболочки с учётом массы конструкции.
В современном дирижаблестроении для изготовления оболочки дирижабля считается перспективным применение прочных стеклопластиков и металлопластиков.
Современные дирижабли могут быть оснащены системой управления подъёмной силой, в которой может использоваться аэродинамическая подъёмная сила оболочки, возникающая при увеличении угла её атаки, а также путём сжатия атмосферного воздуха и хранения его в баллонетах внутри оболочки или выпуска его из баллонетов. Кроме того, в состав оболочки обязательно включаются газовые (для несущего газа) предохранительные клапаны (для предупреждения разрыва оболочки из-за увеличения растягивающих оболочку сил при увеличении высоты полёта и при увеличении в ней температуры), а также предохранительные воздушные клапаны на воздушных баллонетах. Газовые клапаны открываются только после того, когда полностью опорожнятся воздушные баллонеты.
На первых дирижаблях полезный груз, экипаж и силовую установку с запасом топлива размещали в гондоле. Впоследствии двигатели были перенесены в мотогондолы, а для экипажа и пассажиров стала выделяться пассажирская гондола.
Кроме оболочки, гондол и движителя в конструкции классического дирижабля предусмотрена обычно простейшая гравитационная и аэродинамическая система управления ориентацией и стабилизацией аппарата. Гравитационная система может быть как пассивной, так и активной. Пассивная гравитационная стабилизация осуществляется по тангажу и крену даже при нулевой скорости полёта, если гондола (гондолы) установлена ниже (в нижней части) оболочки (смотрите рисунки 2 и 3). При этом, чем больше расстояние между оболочкой и гондолой, тем больше устойчивость аппарата к возмущающим воздействиям. Активная гравитационная стабилизация и ориентация обычно осуществлялась по тангажу путём перемещения вперёд или назад (вдоль продольной оси аппарата) некоторого груза или балласта, причём, чем жёстче конструкция аппарата, тем управляемость лучше. Аэродинамическая же стабилизация и ориентация аппарата осуществляется по тангажу и курсу (рысканию) при помощи хвостового оперения (аэродинамических стабилизаторов и рулей) только при значительной скорости его полёта. При незначительной скорости полёта эффективность аэродинамических рулей недостаточна для обеспечения хорошей маневренности аппарата. На современных дирижаблях всё чаще применяется активная автоматическая система ориентации и стабилизации по трём его строительным осям, где в качестве исполнительных органов системы применяются поворотные винтовые движители.
Дирижабли! Типы дирижаблей!
Дирижабли, изготавливаемые и эксплуатируемые в разные времена и до настоящего времени, различаются по следующим типам, назначению и способам.
По типу оболочки: мягкие, полужёсткие, жёсткие.
По типу силовой установки: с паровой машиной, с бензиновым двигателем, с электродвигателем, с дизелями, с газотурбинным двигателем.
По типу движителя: крыльевые, с воздушным винтом, с импеллером, реактивные.
По назначению: пассажирские, грузовые, военные.
По способу создания архимедовой силы: наполнением оболочки газом легче воздуха, подогревом воздуха в оболочке (термодирижабли), вакуумированием оболочки, комбинированные.
По способу управления подъёмной силой: стравливание подъёмного газа, изменение температуры подъёмного газа, закачка/стравливание балластного воздуха, изменяемый вектор тяги силовой установки, аэродинамический.
Дирижабли! Полёт дирижабля!
Дирижабли! Причаливание дирижабля!
При причаливании дирижабля находящиеся на земле люди подбирали сброшенные с разных точек дирижабля канаты и привязывали их к подходящим наземным объектам.
Крупные классические дирижабли 1930-х годов практически не были приспособлены к посадке на не оборудованную площадку, как это может сделать, например, вертолёт. Данные эксплуатационные ограничения вызваны несоизмеримостью управляющих воздействий и ветровых возмущений, то есть из-за недостаточной манёвренности.
Причальная башня с дирижаблем.
При взаимодействии дирижаблей с флотом использовались специальные судна-матки, оборудованные причальными мачтами.
Преимущества и недостатки дирижаблей!
Преимущества:
— Большие грузоподъёмность и дальность беспосадочных полётов.
— В принципе, конструктивно достижима более высокая надёжность и безопасность, чем у самолётов и вертолётов. Даже в крупных катастрофах дирижабли показали высокую выживаемость людей.
— Меньший, чем у вертолётов, удельный расход топлива и, как следствие, меньшая стоимость полёта в расчёте на пассажиро-километр или единицу массы перевозимого груза.
— Размеры внутренних помещений могут быть очень велики.
— Длительность нахождения в воздухе может измеряться неделями.
Недостатки:
— Сложность приземления из-за низкой манёвренности.
— Зависимость от погодных условий (особенно при сильном ветре).
— Очень большие размеры требуемых ангаров (эллингов), сложность хранения и обслуживания на земле.
— Относительно высокая стоимость обслуживания дирижабля, особенно больших размеров. Как правило, для современных малых дирижаблей требуется так называемая причально-стартовая команда, составляющая от 2 до 6 человек. Американские военные дирижабли 1950-1960-х годов требовали усилий около 50 матросов для надёжной посадки, и поэтому после появления надёжных вертолётов они были сняты с вооружения.
— Относительно низкая надёжность и долговечность оболочки.
Современное дирижаблестроение!
Современные технологии позволяют создавать модели дирижаблей, уменьшая многие присущие им ранее недостатки!
Это позволяет современным дирижаблям решать важные и сложные задачи!
И конечно, дирижабли будущего расширят существующие горизонты в области дирижаблестроении!
