ЕСТЬ ЛИ БУДУЩЕЕ У РОССИЙСКИХ ДИРИЖАБЛЕЙ?

Три четверти территории России – это труднодоступные регионы севера Сибири, Дальнего Востока, арктической зоны с шельфом и островами. Возможно, транспортные дирижабли смогут существенно ускорить промышленное и социальное развитие указанных регионов, считает автор статьи Юрий Бойко.

Is there the future for Russian airships?
Three-quarters of Russia – are regions of the North of Siberia, Far East, Arctic zone with shelf and islands which are difficult of access and only transport airships can speed up industrial and social development of these regions, so think the author of the article Yuri Boyko.

Да, именно у российских. Ведь современные зарубежные дирижабли грузоподъёмностью 1,5-2 тонны летают в теплое время года, перевозят туристов, рекламируют что-либо на своих оболочках, участвуют в мониторингах природных процессов и т.д. Периодически в западных странах появляются проекты транспортных дирижаблей грузоподъёмностью 500 и даже 1000 тонн для переброски военной техники типа танков и ракетных установок или батальонов солдат.
Но когда начинают проводить экономические и тактико-технические сравнения возможностей таких дирижаблей и современной авиационной техники, результаты оказываются не в пользу дирижаблей. Кроме того, в странах западного мира довольно хорошо развита наземная инфраструктура – дороги с твердым покрытием, сети морского и речного транспорта. Поэтому крупные транспортные дирижабли за рубежом, по мнению автора, не будут в ближайшем будущем бороздить воздушный океан.
А вот для России, три четверти территории которой – труднодоступные регионы севера Сибири, Дальнего Востока, арктической зоны с шельфом и островами, возможно, только транспортные дирижабли помогут существенно ускорить промышленное и социальное развитие указанных регионов.
Посмотрим, какие конструкции дирижаблей имеют будущее, и каковы должны быть их летно-технические характеристики (ЛТХ) для возможности осуществления круглогодичных полетов в условиях России.
Дирижабли с ЛТХ и конструктивным исполнением, которые эксплуатируются на протяжении последних 20-25 лет за рубежом и в России, не имеют будущего. В основном из-за того, что они выполнены мягкими, т.е. не имеющими жесткого каркаса, который воспринимал бы массовые нагрузки. Их крейсерские скорости составляют 70-80 км/час; даже мировой рекорд лучшего немецкого дирижабля «Zeppelin NT–07», установленный 27 октября 2004 г., равен всего 111,8 км/час. Дальность полета в мировом рекорде этого же дирижабля, показанная 30 мая 2010 г., равна 740 км, которые он преодолел за 9 час.
Дирижабль ХХI века не может летать против встречного ветра силой 20-30 м/сек!
Но даже 100 лет назад немецкие и американские дирижабли в полетах превосходили эти ЛТХ. И весовая отдача их (отношение массы полезной нагрузки к взлётной массе дирижабля) почти вдвое превышала таковую у современных дирижаблей. Крупные жесткие дирижабли поднимали десятки тонн грузов и перемещали их со скоростью до 130 км/час.
Если посмотреть внимательно на конструктивные элементы современных дирижаблей, можно увидеть, что прорывными разработками они не «грешат». Напомним читателю, что француз Менье (Meusnier Jean Baptiste Marie Charles) ещё в 1784 г. предложил выполнять дирижабль продолговатой (удлинённой) формы с воздушными баллонетами внутри, а в качестве движителей использовать воздушные винты. А поворотные (отклоняемые) двигатели и воздушные винты предложил в 1877 г. устанавливать на дирижаблях граф Цеппелин.
Так что же нового внедрили конструкторы дирижаблей за 100 лет? Улучшали конструкционные материалы, облегчали двигатели, повышали их мощность, «вылизывали» аэродинамику внешних обводов и оперения.
Автор работает в области проектирования и создания аэростатических аппаратов около 50 лет, и пока не видит впереди каких-либо значительных или революционных решений, обеспечивающих дирижаблю достижение скоростей хотя бы на уровне 150-180 км/час, продолжительность полета в течение 2-3 суток, быстрое парирование (за 3-5 сек!) силовой установкой (СУ) или изменением аэростатической подъёмной силой нисходящих и восходящих ветровых порывов. Да, для достижения скорости полета 180-200 км/час на транспортный дирижабль потребовалось бы установить СУ мощностью в десятки тысяч киловатт. Ведь у него громадная поверхность, а поперечное сечение измеряется сотнями квадратных метров!
Как известно из аэромеханики, потребная тяга двигателя прямо пропорциональна плотности окружающего воздуха, квадрату скорости и площади поперечного сечения (миделя) корпуса дирижабля. К снижению потребной тяги может привести, во-первых, уменьшение миделя корпуса (а, следовательно, и объёма несущего газа), что нежелательно из-за последующего уменьшения аэростатической подъёмной силы. Но если сделать корпус дирижабля с изменяемой геометрией (объёмом), то для некоторых профилей полета можно уменьшать площадь поперечного сечения, например, путем стягивания обшивки или каким-либо другим способом.
Во–вторых, уменьшить потребную тягу двигателей можно было бы путем снижения аэродинамического сопротивления корпуса дирижабля. Но здесь перспектив почти нет – все, что можно было «вылизать», уже сделано.
А вот изобретателям и ученым следует подумать о способах уменьшения плотности окружающего носовую часть корпуса дирижабля воздуха.
Вспомним, каким путем увеличили скорость советской морской торпеды «Шквал», стоящей на вооружении ВМФ с 1977 г. по настоящее время. Что же позволило ей достичь скорости 100 м/сек под водой? Просто в носовой части торпеды установили кавитатор, устройство, создающее эффект кавитации в воде, что снизило сопротивление. Может быть, чем-то подобным снабдить и дирижабль, ведь он плавает также в океане – воздушном?
(Кстати, «Шквал» создали в ЦАГИ, там, где исследуют летательные аппараты тяжелее воздуха – самолёты, вертолёты, ракеты.)
Для дирижаблей, которые будут летать со скоростями 150-180 км/час, должны быть созданы свои особые двигатели и воздушные винты. На дирижаблях, которые летают сегодня, устанавливают поршневые двигатели, потому что турбореактивные и турбовинтовые (если их выполнять в виде маршевых СУ) неэффективны при возможной их установке на дирижаблях из-за малой скорости полета. А поршневые (бензиновые или дизельные) двигатели имеют свой предел по удельной мощности (отношение массы двигателя к его выходной мощности). Вот и приходится конструкторам ограничиваться объёмами проектируемых дирижаблей не более 10000-15000 м3. Хотя новые легкие, прочные, газодержащие материалы позволяют изготовлять оболочки объёмом 50000-70000 м3.
Для дирижаблей, обладающих большой парусностью, одну из главных проблем создаёт ветер, особенно порывистый или знакопеременный по времени. И только мощная надежная СУ, обладающая сверхбыстрой приёмистостью, и эффективная система управления аэростатической подъёмной силой обеспечат эксплуатационную живучесть дирижабля в воздухе.
Как считает автор, дирижабль будущего должен быстро и безотказно адаптироваться к меняющейся в полете метеообстановке. Например, изменять объём: при усилении ветра уменьшить его и снизить аэродинамическое сопротивление корпуса, но при этом мощности СУ должно быть достаточно, чтобы компенсировать уменьшение аэростатической подъёмной силы. А в спокойную погоду – увеличить объём до максимума при той же массе несущего газа, находящегося в оболочке.
Природа подарила нам уникальную «бесплатную» подъёмную силу, которую более 2000 лет назад описал греческий изобретатель Архимед. А мы до сих пор не можем эффективно её использовать для помощи в решении задач, улучшающих наше существование на земле.
В конце 2012 г. инновационный центр «Сколково» взял шефство над строительством гибридного дирижабля «Атлант», который проектируют в воздухоплавательном центре «Авгуръ». Может быть, ученые других научных коллективов и школ, работающие под крышей «Сколково», помогут своими разработками создать дирижабль будущего? Например, разработать ткани для эластичных оболочек, имеющие прочность в десятки раз больше лучших современных дюралюминиевых или углепластиковых материалов, и работающие при температурах от -50 до +100° Цельсия. Такие оболочковые ткани не должны терять прочность при удлинениях до 50%.
А если найдётся решение, как изменять объём гелия при постоянной его массе за несколько минут, для компенсации массы снятого с дирижабля груза, это даст решение многих проблем, возникающих при эксплуатации дирижаблей.
Пора конструкторам проектировать дирижабли, выполненные из «интеллектуальных» материалов, которые позволят самостоятельно изменять конструкцию (или свои свойства), устранять дефекты – например, трещины, пробоины, разрывы, возникшие во время полёта.
Доказано, что инновационные, «прорывные» разработки базируются именно на внедрении новых материалов и технологий. Например, применение в современных дирижаблях углепластика позволило снизить массу конструкций, одновременно увеличив прочность их элементов. А контроль состояния конструкций из композитов с помощью оптоволоконных систем встроенного контроля повысит безопасность эксплуатации воздухоплавательных аппаратов.
Спутниковое навигационное и приборное оборудование, бортовые компьютеры, лазерные системы возьмут на себя управление дирижаблем от взлёта до посадки, равно как и отслеживание основных параметров его «жизни» на стоянке. Пилоты должны лишь в исключительных случаях (отказ электрических или гидравлических систем, СУ, пилотажного или навигационного оборудования) вмешиваться в «живой организм» дирижабля, чтобы не дать возникнуть даже предпосылке аварийной ситуации, не говоря уже о катастрофической.
Согласно данным по авиакатастрофам за 1997-2012 гг., основными их причинами назвали: «человеческий фактор» - 68%, отказ техники – 18%, и по 14% причина не установлена. Если расшифровать «человеческий фактор», то можно увидеть, что почти половина (47%) авиакатастроф произошла из-за ошибок пилотов, а из-за ошибок наземных служб – 13%.
А ведь современные самолёты и вертолёты буквально напичканы умнейшей авионикой, метеолокаторами, спутниковыми навигационными системами…
Для «умных» дирижаблей будущего лётный экипаж должен иметь более высокий уровень подготовки и обучения – ведь помимо авиационных приборов и систем на борту дирижабля будет работать уникальная система управления аэростатической подъёмной силой. Необходимо создать специальные стенды и тренажёры, на которых экипажи будут совершенствовать соответствующие навыки выхода из любых опасных ситуаций в воздухе.
Несколько лет назад мне довелось видеть, как приземлялся дирижабль с одним отказавшим в полёте поршневым двигателем. На малой скорости дирижабль снижался – ведь составляющей вертикальной тяги, которую обеспечивал работающий поворотный двигатель, явно не хватало для поддержания дирижабля в воздухе. Кроме того, работающий воздушный винт этого двигателя, закреплённого на борту пассажирской кабины, разворачивал дирижабль в горизонтальной плоскости, способствовал созданию момента рыскания, то есть сносил его в сторону от траектории полёта, а точнее – к кромке леса, перед которым было ограждение из колючей проволоки. Аэродинамические рули дирижабля на этой скорости полёта уже не могли задержать отклонение дирижабля, и его остановило только ограждение лётного поля.
Жалкое зрелище! Неуправляемый дирижабль постройки ХХI века был бессилен противостоять слабому ветру и не смог быстро увеличить свою аэростатическую подъёмную силу. А ведь будь на СУ дирижабля установлены ВИШ (винты изменяемого шага), подобной аварийной ситуации можно было бы избежать. Если бы движители дирижабля (воздушные винты) были соединены синхронизирующим валом, то при вышеуказанной аварийной ситуации быстрый вывод работающего двигателя на максимальный режим позволил бы передать мощность на движитель отказавшего двигателя и успешно совершить посадку…
Из всего многообразия современных движителей самолётов и вертолётов, пригодных для установки на борту дирижабля нового поколения, пока имеют предпочтение воздушные винты большого диаметра (лопасти вертолётов), вращаемые с малой угловой скоростью. Они обладают наилучшей удельной тягой в сравнении с турбовинтовыми или реактивными двигателями – до 3,5-4,5 кг на киловатт затраченной на их вращение мощности.
Да, большие длины лопастей транспортных вертолётов ведут к увеличению стояночной площадки (вертодрома). Но, с другой стороны, они могут быть выполнены с симметричным профилем, что позволит создавать и отрицательную тягу. А это позволит отказаться от балласта, когда дирижабль будет лететь порожним.
Если же выполнить винты соосными, то можно уменьшить длины лопастей (диаметр ротора), как, например, в проекте ДКБА (рис. 1).
Следует сказать, что применение реактивных двигателей в качестве привода во вращение воздушных винтов большого диаметра требует установки в трансмиссии тяжелых редукторов, которые снижают обороты турбины на пути к винтам.
Конечно, создание лёгкого мощного (5000-10000 кВт) низкооборотного двигателя с быстрой приёмистостью решило бы многие проблемы, возникающие в полёте транспортного дирижабля.
Когда в начале 80-х годов я работал в качестве ведущего конструктора по гибридному дирижаблю (аэролёту) на Ухтомском вертолётном заводе, мы провели большую работу по созданию системы управляемости дирижабля на малых скоростях полёта и в процессе взлёта и посадки (самых рисковых и чувствительных операций не только для дирижаблей, но и для современных самолётов и вертолётов). Для этого в конструкцию дирижабля были введены специальные управляющие устройства – рулевые передние и задние, и подъёмно-снижающие реверсивные винты, а также кормовой реверсивный (тормозящий в случае необходимости) винт, винты вертикального управления (рис. 2).
Такие конструкции функционирования управляющих устройств в сочетании с выбранным винтом и их размерами и мощностью обеспечивают управляемость дирижабля, необходимую для выполнения самостоятельных (без помощи с земли) взлётов и посадок, зависаний над заданными точками земной поверхности для выполнения монтажных и крановых работ, необходимого маневрирования и автоматического причаливания. Все эти маневры должны выполняться как на загруженном, так и на пустом дирижабле.
Расчётами было показано, что для аэролёта значение вертикальных управляющих сил достаточно на уровне 10% от полной подъёмной силы (аэростатической и динамической). Это обеспечит противодействие вертикальному ветровому порыву скоростью не менее 10 м/сек. Ни один из построенных ранее или современных летающих дирижаблей не имел и не имеет СУ достаточной мощности, позволяющей дирижаблю достигать таких управляющих вертикальных ускорений.
А запас мощности, имеющийся на борту гибридного дирижабля, включается в работу на короткое время, в основном в самые ответственные моменты – при взлёте и посадке. В этом случае влияния на удорожание лётного часа практически не будет.
Сегодня в мире летает около 20 дирижаблей, и мы видим, что каждый год с ними случаются аварийные и катастрофические ситуации. Виновники – и пилоты, и наземные службы, и отказы техники, и капризы погоды. Это наглядно свидетельствует, что дирижаблестроение нуждается в новом, революционном этапе развития.
Но вернёмся к аэролёту. Он был оборудован трансмиссией с синхронизирующим валом, что существенно повышало безопасность полёта, т.к. при отказе СУ левого или правого бортов будет обеспечена передача мощности на подъёмно–снижающий винт отказавшей СУ.
Напомню, что именно отсутствие такого вала привело к катастрофе американского гибридного дирижабля «РА-97 Helistat» (рис. 3) 1-го июня 1986 г., когда при взлёте из-за повышенного уровня вибраций от силовой балки оторвался один из четырёх вертолётных модулей, а двигатели других модулей продолжали работать. Это привело к тому, что дирижабль накренился, лопасти задели землю, возник сильный пожар, оболочка разрушилась. Пилот упавшего вертолётного модуля погиб.
Мы предвидели возникновение подобной аварийной ситуации, переходящей в катастрофическую. Но американцы опережали нас лет на десять, а вскоре СССР распался – и работы над гибридным дирижаблем прекратились. Но сейчас они кое-где продолжаются. Так, канадская компания «Skyhook» и американское подразделение «Vertol Boeing» разработали гибридный дирижабль «Skyhook», который обещают поднять в воздух в 2014-2015 гг. Посмотрим, учли ли они ошибки «Helistat». Судя по картинкам в Интернете и зарубежной прессе, облик дирижабля изменился в лучшую сторону (рис. 4).
Последнее время в Интернете рекламируется американский дирижабль «AerosCraft» (рис. 5), в котором балласт будет замещен воздухом, накачиваемым под давлением в бортовые камеры. При этом должно происходить сжатие гелия в других камерах. Если закачка воздуха будет осуществляться от компрессоров турбореактивных двигателей (которые хотят применять для создания вертикальной тяги дополнительно к аэростатической подъёмной силе), то это приведёт к существенной потере их мощности. Если от отдельного компрессора – то инерционность этого процесса будет непозволительно велика, ведь закачивать, например, 15000 м3 воздуха придется около часа.
В своё время, когда я работал над своим институтским дипломным проектом «Транспортный дирижабль грузоподъёмностью 10 т», в схемах и расчетах рассматривались эти системы, а кроме того, я предложил систему стягивания гелиевых отсеков для изменения их объёма. Поэтому меня чрезвычайно интересует, как эти проблемы будут решаться в современном американском дирижабле, который должен подняться в первый испытательный полет в 2016 году.
Современные дирижабли берут с собой в полёт пассивный балласт (песок или воду), чтобы в случае необходимости экстренно изменить высоту полёта. Но это снижает полезную грузоподъёмность, и для транспортного дирижабля не подходит, т.к. после снятия полезной нагрузки, доставленной к потребителю, его придётся снова чем-либо утяжелять, а раньше выпускали часть несущего газа (когда это был дешёвый водород), чтобы уравновесить плавучесть дирижабля.
Для дирижабля «AerosCraft» эту проблему «решили» просто: при подходе дирижабля к земле транспортный контейнер (где находится, например, танк с боекомплектом – это особенно рекламируется, т.к. будущий дирижабль «ML 866» разрабатывается по заказу министерства обороны США) выдвигается из корпуса и в момент касания земной поверхности производится его отцепка. Дирижабль, не успевший «утяжелиться» на массу снятого груза за несколько секунд, резко (даже очень!) взмоет вверх на сотни метров, создав при этом колоссальные нагрузки на корпус. Напомню, что «AerosCraft» имеет не сигарообразную, а форму сплющенного эллипсоида. Коэффициент аэродинамического сопротивления такой формы в вертикальном направлении в несколько раз больше, чем в продольном направлении. Опытные воздухоплаватели догадаются, что произойдет с оболочкой монгольфьера АХ-8, если с него сбросить одновременно трёх-четырёх парашютистов.
Конечно, лучшим вариантом будет, если корпус (оболочку) дирижабля выполнить переменного объёма, т.е. в зависимости от массы груза изменять его объём. Это, кстати, предлагал в своё время еще К.Э.Циолковский. Но уменьшить объём оболочки, выполненной из современных материалов, в два раза, путём её стягивания при постоянстве массы несущего газа, практически невозможно, т.к. в материале оболочки возникают колоссальные напряжения.
Есть надежда, что в отдалённом будущем такие материалы будут созданы. А может, начнут применять для оболочек «умные» материалы, которые позволят дирижаблю «дышать» в зависимости от профиля полёта или метеоусловий. А ведь природа подсказывает нам такое решение, вспомним, как быстро рыба может совершать маневры по вертикали.
Транспортный дирижабль будущего должен обязательно иметь антиобледенительную систему корпуса. Ведь круглогодичные полёты подразумевают работу в морозные дни, в снежную и дождливую погоду. Ни один современный дирижабль не имеет в своей конструкции такой системы, хотя в 2007 г. предполагали лететь на дирижабле «Аu-30» из Франции на северный полюс! Но природная случайность спасла, быть может, жизни экипажа – ночью неожиданно налетел шторм, и сорванный с якорной стоянки дирижабль, получил большие повреждения.
Да, если бы в конце 80-х годов Министерство авиационной промышленности СССР не прекратило финансирование проекта УВЗ, сегодня эскадра аэролётов уже бы, наверное, работала в труднодоступных регионах России. Аэролёт стал бы предвестником дирижаблей будущего. Эксплуатация их планировалась безэллинговой, с возможностью постоянного или временного базирования в местах проведения работ. А регламентные и ремонтные работы должны были выполняться в эллингах на региональных воздухоплавательных базах, запланированных в некоторых перспективных отдалённых районах. Но всё же тогда, в 80-х, один из вариантов безбалластного, маневренного, с эффективной системой противообледенения аэролёта «А-80» имел бы скорость полёта 130 км/час, грузоподъёмность 40 т, вдвое большую, чем у современного вертолёта Ми-26 при одинаковой с ним стоимости лётного часа. А дальность его полёта была бы в четыре раза больше!
Конечно, после тридцатилетнего перерыва современный аэролёт мог бы иметь лучшие ЛТХ. Возможно, он будет выглядеть как на рис. 6, где показана разработка автора под названием «Б-150» (150 – грузоподъёмность в тоннах), выполненный по полужесткой системе и оснащённый реверсивными подъёмно-снижающими лопастями (роторами).
P.S. Автор так увлёкся техническими характеристиками дирижаблей будущего, что забыл упомянуть о главной составляющей проектов – о финансировании... Это 115 лет назад Цеппелин мог на собственные средства построить свой первый дирижабль, а меценаты снабжали изобретателей тканями для оболочек, алюминием для каркаса, водородом и двигателями. Наши современные миллиардеры (долларовые!) забывают об этой традиции. Даже известный губернатор Чукотки, края, где практически полное бездорожье, мог бы потратить сотню-другую миллионов долларов не на современную яхту с мини-подлодкой и вертолетом на борту, а построить за время губернаторства пару транспортных дирижаблей грузоподъёмностью 15-20 т. И это было бы быстрей, чем ждать открытия государственного финансирования. При удачном исполнении дирижаблей имя этого мецената вошло бы в историю воздухоплавания! А так, как произошло – история совсем другая…
крупного транспортного дирижабля без положительных отзывов на проект от известных НИИ и военных структур. Положительные же отзывы, по уверенности автора, будут даны, если в этих организациях увидят, что выполнить большинство технических условий, обозначенных ниже, реально.
Итак, вот условия, которые будут способствовать созданию дирижабля будущего, если:
– он будет безбалластным;
– для компенсации снятого с дирижабля груза аэростатическая подъёмная сила изменяется при постоянстве массы несущего газа не более чем за 3-5 минут;
– оболочка (корпус) переменного объёма;
– оболочка (корпус) будет не только вмещать в себя газ и воспринимать аэродинамические и статические нагрузки, но и впитывать и накапливать энергию окружающего пространства;
– маршевые движители создают тягу не только вперёд-назад, но и вверх-вниз, и дирижабль снабжён движителями бокового управления;
– скорость крейсерского полёта не менее 150-180 км/час;
– грузоподъёмность не менее 20 т при весовой отдаче более 50%;
– перевозка грузов осуществляется как внутри грузового отсека, так и на внешней подвеске;
– причальные и стояночные устройства размещены на борту;
– взлёты и посадки осуществляются на необорудованные площадки без помощи стартовой команды;
– стоянка и хранение дирижабля под открытым небом в любое время года.
Я уверен, что такие дирижабли лет через 20-30 будут летать в небе России. По крайней мере, сегодняшние фантастические успехи нанотехнологий позволяют надеяться на прорывные технологии и в дирижаблестроении.
Когда я работал в патентном институте (ВНИИГПЭ), то видел, сколько заявок на изобретения в области воздухоплавания поступало в отдел транспорта каждый месяц из разных городов и сёл СССР. Неужели изобретатели современной России (а может, и других стран СНГ) не откликнутся, если объявить всероссийский конкурс на лучший проект дирижабля будущего? Рискну оставить свой е-mail для связи с ними:
Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.
Юрий Бойко