Дирижабль... Романтика 30-х годов 20-го века, трансатлантические регулярные полеты, первые воздушные кругосветки, исследование Севера, воздушные корабли с отдельными каютами, ресторанами, прогулочными палубами, медленно, как облака, плывущие в вышине серебристые сигарообразные аппараты - все слилось в этом красивом и звучном слове.
Про них много написано (и много не написано), их недостатки часто превышены, а преимущества безмерно раздуты, от них пытаются требовать невозможного, сравнивают просто несравнимые аппараты...
Поговорим про качество.
Качество - слово, несущее различную смысловую нагрузку. В авиации есть понятие аэродинамического качества - отношение подъемной силы к силе сопротивления, или, что точнее, отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту силы сопротивления. Звучит сложно и непонятно. А есть еще слово "поляра" и график, который выглядит для несведущего человека совсем уж устрашающе.
Разберем все это. От простого к сложному. Для начала возьмем (можно мысленно, можно реально) какой либо твердый шар и положим его на твердую поверхность.
Пусть этот стеклянный шар весит 1 кг. Земля (наша планета) притягивает его с силой в один килограмм. Если не будет твердой поверхности, на которую он опирается, то шар полетит вниз, к центру земли. Но поверхность дает реакцию (в некотором роде "подъемную силу") по величине в точности равную весу - 1 кг - и направленную вертикально вверх.
Медленно, легонько, без толчка, надавим на боковую поверхность шара - и он тихо покатится. Уберем руку - остановится. Попробуем измерить силу, которая заставляет этот шар весом в 1 кг катиться - она будет совсем маленькая - 5-10 грамм.
Получаем: для нашего шара сила, которая не дает ему падать вниз равняется его весу - 1000 г, а горизонтальная сила, которая отправляет его в движение - 10 г. Разделим вертикальную силу в граммах на горизонтальную в граммах и получим безразмерную величину 100.
1000/10=100. Назовём ее "качество".
Величина ей обратная, или горизонтальная сила деленная на вертикальную есть коэффициент трения, это мы помним со школьного курса физики, для нашего примера равна 0,01. Но она не столь информативна.
А вот величина "качество" гораздо интереснее - показывает, какой груз мы можем переместить, прикладывая вполне определенное физическое усилие. Например, если я могу надавить на стену в статике с усилием в 30 кг, то я смогу катить шар весом 30х100=3000 кг. Три тонны! Неплохо.
Теперь ближе к реальной жизни. Твердое колесо по твердой поверхности. Это - железнодорожное колесо на рельсе. Там все не так идеально, и коэффициент трения качения равен примерно 0,05 см (это уже привязка к радиусу качения), а качество, при радиусе 50 см (если диаметр ж/д колеса примерно 1000 мм) соответственно - 1000. Получается, что локомотив на каждую тонну своей тяги может тащить 1000 т. С учетом разгона торможения, уклонов, радиусов все это меньше, но все равно величина качества значительная - сотни. Причем, от скорости эта величина почти не зависит.
Пневматическая шина на асфальте. Коэффициент трения качения в два, три раза больше, а качество - соответственно ниже - примерно 300. Неровности, подъемы спуски все значительно ухудшают - в два, три раза. Получаем усредненное качество в районе 100.
Попробуем проверить себя. При такой величине качества на однопроцентном уклоне (на длине 100 м понижение дороги 1 м) автомобиль покатится, при меньшем - нет.
Но на автомобиль на асфальте действует в движении еще и аэродинамическое сопротивление. Оно так же действует и на поезд на железной дороге, то там влияние значительно меньше. Аэродинамическое сопротивление зависит от скорости - чем больше скорость, тем сопротивление выше. Причем, эта зависимость квадратичная. Из статистики, опыта и испытаний, на малой скорости аэродинамическое сопротивление незначительное, на скорости 60 км/ч примерно сравнивается с сопротивлением трения качения, а дальше начинает его, сопротивление трения качения, превышать и значительно.
Нам интересно как раз 60 км/ч - если сопротивления примерно сравниваются, то его величина становится в два раза больше, а качество, соответственно, в два раза ниже и приближается к величине 50.
Посмотрим теперь на дирижабль. Подъемную силу создает газ (гелий или водород) в оболочке - аналогично реакции опоры для шара, или поезда, или автомобиля. Дирижабль висит в воздухе. Прикладываем горизонтальную силу - начинает двигаться. Маленькая сила - медленно двигается. Увеличиваем - двигается быстрее. Прекращаем воздействие - останавливается.
У шара, перекатывающегося по поверхности противодействие движущей силе оказывала сила трения, вернее, сила трения качения. У дирижабля - сила трения воздуха об оболочку, то есть сила аэродинамического сопротивления. Все необходимые методики расчета предшественники сделали до нас, воспользуемся результатами их труда. Будем рассматривать маленький одноместный дирижабль типа Зиппи.
Он него возьмем только одноместность, а аэродинамику предположим несколько лучшую. Сопротивление представим как две основные части - сопротивление оболочки, которое зависит от величины смоченной поверхности, и сопротивление дополнительных элементов. Это второе сопротивление примем по величине равное первому. Далее, путем несложных расчетов получим нижеприведенные графики, для объемов 100 м3, 150 м3 и 200 м3. Зависимость от скорости здесь квадратичная.
Нижний график - сопротивление оболочки, верхний - сопротивление всего аппарата, которое принимаем равное удвоенному сопротивлению оболочки. Далее смотрим дирижабль объемом 200 м3. Подъемная сила равна полезному объему газа - 200 кг.
Сопротивление на скорости 5 м/с (18 км/ч) 3 кг, и потребная тяга на этой скорости так же 3 кг. Качество при этом составляет 200/3=66.
При скорости 10 м/с (36 км/ч) сопротивление и потребная тяга 13 кг, качество 200/13=15.
При скорости в 15 м/с сопротивление и тяга 27 кг, качество 200/27=7,5.
И при скорости 20 м/с (72 км/ч) сопротивление 50 кг, качество 200/50=4.
Получаем - на малой скорости качество очень высокое (в нуле вообще стремится в бесконечность), а с увеличением скорости быстро падает.
Сравним с другими моторными летательными аппаратами, тяжелее воздуха. У них есть такая особенность - для создания подъемной силы им нужно тратить часть силы тяги. То есть у самолета тяга двигателя тратится на преодоление сопротивления трения поверхности о воздух и на создание подъемной силы. Но смоченная поверхность (которая создает сопротивление трения) у аппаратов тяжелее воздуха значительно меньше, нежели у дирижабля. Сопротивление, образующееся в процессе создания подъемной силы (так называемое индуктивное) максимально на минимальной скорости горизонтального полета, а с увеличением скорости - немного уменьшается. Сопротивление трения - квадратичная зависимость, как и у дирижабля. Поэтому качество у аппаратов тяжелее воздуха с увеличением скорости от минимальной сначала возрастает, а затем падает.
Мотопланер. Максимальное качество около 30.
Пассажирский/транспортный самолет. Максимальное качество около 20. на скорости 800 км/ч
Небольшой двух-четырехместный самолет. Максимальное качество около 10. На скорости 120 км/ч
Дельталет (мотодельтаплан). Максимальное качество около 6. На скорости в 70 км/ч
Автожир. Максимальное качество около 4.
Что дает, или показывает нам величина качества?
Вспомним определение механической работы или энергии. Это сила, помноженная на перемещение. То есть, чем меньше движущая сила в процессе перемещения из точки А в точку Б тем меньше затраты энергии - а это количество топлива (или запасенная энергия аккумулятора). То есть, с увеличением качества расход топлива на 100 км снижается.
Сила, помноженная на скорость - мощность. Чем выше качество, тем менее мощная силовая установка нужна, а это снижение ее веса, стоимости, как следствие. веса всего аппарата.
Теперь посмотрим на наш маленький одноместный дирижабль. Конечно, мы его сразу поставили в очень невыгодные условия - все остальные сравниваемые транспортные средства имеют значительно большую массу, а все параметры дирижабля значительно улучшаются при увеличении размеров (закон квадрата-куба).
По качеству на своей максимальной скорости (70 км/час) он проигрывает всем летательным аппаратам (кроме, возможно, автожира), и наземным транспортным средствам.
Потому, скорость - не для дирижабля. А все измышления изобретателей - поставить на дирижабль реактивные двигатели и разогнать его до 200 км/ч иначе чем бредовыми назвать нельзя.
С уменьшением скорости все становится гораздо интереснее. Потребные тяга, мощность и расход топлива быстро падают, и по затратам энергии дирижабль начинает выигрывать у конкурентов.
Другое дело, что такие скорости - 50 км/ч и менее - редко когда бывают нужны. Это диапазон прогулочных скоростей, различных научных и исследовательских наблюдений, тщательного визуального и приборного осмотра каких либо объектов. Более того, уменьшение скорости до нуля практически до нуля может снижать расход топлива/энергии. В этом плане с дирижаблем может сравнится только наземный транспорт. Конечно, есть ветер. и он может здорово "спутать карты", если будет встречным, или встречно-боковым.
Другие статьи по этой тематике можно найти здесь: Содержание канала.
