Найти тему

Про дирижабли. Часть 4.

Часть 3.

Можно сколько угодно читать интересных книг, статей, смотреть фильмов о дирижаблях и даже изучать серьезные теоретические материалы. Без практики - как расчетной - например попытаться спроектировать небольшой дирижабль, так и "твердотельной" - сделать хотя бы небольшую модель, наполнить ее несущим газом и попробовать отправить ее в полет - все эти знания очень однобоки.

Если кто то учился в достаточно серьезном ВУЗе, то прекрасно знает, как сочетаются между собой различные теоретические и практические занятия - лекции, практика, лабораторные, коллоквиумы, семинары, ДЗ, курсовые, защиты работ и прочее прочее... Только так можно получить достаточно полные и гармоничные знания. Которые, в свою очередь, всего лишь маленький шаг для того, что бы стать специалистом высокого уровня - на практике, в реальной жизни. Учится надо всю жизнь, и не стыдится пробелов в своих знаниях, а заполнять их.

Кто то скажет: - Есть же интернет, гугл, яндекс - всегда можно спросить. На что отвечу: - Какой вопрос, такой ответ. В интернет пространстве столько информации, правдивой, условно правдивой или даже полностью лживой (чего, например, стоят сайты различной "альтернативной истории"), что завести может это все непонятно куда. Если у тебя в голове нет базы.

На "параплан ру" есть один товарищ, Тарасов Алексей, под ником "Теоретик". Он как то написал замечательную вещь, которую я процитирую:

"Сейчас принято в случае любых непоняток сразу гуглить. Ну, или искать на форуме (это применительно к парапланеризму). В крайнем случае -- просить совета у кого-то, кто может в текущий момент объективно не иметь времени на дачу этого совета. Казалось бы, так просто... Но это путь, ведущий в тупик. Тупик, который называется "несистемность". Это когда весь твой объём знаний представляет из себя бесформенную мешанину сведений, некоторые из которых тебе и правда нужны (но ты не можешь в нужный момент быстро извлечь их из этой мешанины), а большая часть не пригодится тебе никогда.

Почему люди, которые занимаются квантовой физикой или проектированием ракет, не пытаются искать ответы на свои вопросы у Гугла? Потому что они понимают заведомую бессмысленность этого занятия. Ответы на свои вопросы они ищут сначала в школьных программах (и получают отличные оценки за решение нудных и не всегда понятных задач). Потом -- в программах ВУЗов (где намного тяжелее, чем в школе, но нельзя быть в числе последних). Потом -- защищая свою кандидатскую. Потом -- докторскую...

Постепенность. Пошаговость. И в итоге -- системность знания. Когда не особо нужная тебе информация постепенно задвигается в дальние углы сознания либо забывается совсем. А всё нужное знание постепенно рассортировывается таким образом, чтобы этим знанием можно было очень удобно и быстро пользоваться. И чем больше этого знания -- тем жёстче должна быть системность, иначе с трудом накопленные знания превратятся в аморфную мешанину. Причём обретённая тобой системность -- она твоя и только твоя. И не может быть ничьей чужой. Её невозможно скопировать из головы знакомого профессора, её невозможно скачать из Гугла. Системность -- это результат лично твоей кропотливой работы над сбором знания и систематизацией его тем способом, который подходит лично тебе."

Всецело его поддерживаю. И добавляю, что теорию надо подкреплять практикой.

Поэтому, наполнив до определенной степени свою голову теоретическими знаниями о дирижаблях, меня потянуло на некоторую практику.

Мои размышления и заблуждения

Как известно, есть три основные схемы дирижаблей:

Мягкая схема: оболочка дирижабля обтекаемой формы из газонепроницаемого материала наполнена несущим газом. В оболочку встроен один или два воздушных баллонета, для поддержания оболочки в надутом состоянии при разном количестве несущего газа. К оболочке подвешена на тросах гондола, с двигателями, экипажем, приборами, балластом. топливом и прочими необходимыми оборудованием и материалами.

Дирижабль мягкой схемы
Дирижабль мягкой схемы

К оболочке прикреплены хвостовое оперение с рулями высоты и направления, на носу небольшое усиление. для лучшего противодействия скоростному напору воздуха в полете. На оболочке закреплены клапана, управляемые, предохранительные и аварийное разрывное полотнище.

Разновидность мягкого дирижабля - так называемый блимп - дирижабль мягкой схемы с внутренней подвеской.

Дирижабль типа "блимп"
Дирижабль типа "блимп"

Все нагрузки, от веса, подъемной силы, аэродинамические - воспринимает оболочка. В том числе и все изгибные напряжения.

Возьмите (можно мысленно) продолговатый шарик и попробуйте его согнуть. В оболочке шарика напряжения только растягивающие, и они создаются избыточным давлением (воздуха или газа). При изгибе внутренняя часть оболочки уменьшает свое натяжение, вплоть до того, что может смяться. Наружная - растягивается сверх того, что уже было, угрожая разрывом. То же и у дирижабля мягкой схемы - для восприятия всех нагрузок в оболочке должно быть избыточное давление (так называемое "сверхдавление"), а оболочка должна быть достаточно прочной (поскольку наружная часть ее работает и за себя и за "ту" что сжимается). С увеличением размера и скорости эти величины - "сверхдавление" и толщина оболочки - растут достаточно быстро, являясь одной из причин, ограничивающих предельные размеры дирижаблей мягкой схемы.

Полужесткая схема: к мягкой оболочке, аналогичной дирижаблю мягкой схемы, добавлен киль, как правило трехгранного сечения (иногда сложнее), протянувшийся от носового усиления до хвостового оперения. К килю крепятся гондола и мотогондолы, в нем располагается балласт, топливо и полезный груз. По нему проходит продольный коридор, позволяя в полете добраться до оперения и ряда важных узлов дирижабля.

Дирижабль полужесткой схемы
Дирижабль полужесткой схемы

Но самое главное - все изгибающие нагрузки, почти полностью разгружая от них оболочку. Потому в оболочке так же есть "сверхдавление", и оболочка достаточно прочная, но все это значительно меньше, нежели в дирижабле мягкой схемы.

И жесткая схема: жесткий пространственный каркас, почти оболочка, внутри которой большие пустоты под мешки с несущим газом. Этакий стручок с горошинами)))

Дирижабль жесткой схемы
Дирижабль жесткой схемы

В мешках с газом "сверхдавление" отсутствует. Они всегда в этаком "полусдутом" состоянии. И только при подъеме на высоту, где понижается давление, эти мешки расправляются и занимают весть предоставленный им объем.

Теперь непосредственно про мои размышления.

Газ теряется. Не только через клапана, когда его выпускают, но и просто через стенки. Мы это даже из практики шариков - хорошо надутый шарик через некоторое время сдувается. Газ не дешёв. Даже водород стоит прилично, а гелий тем более. Значит потерю газа надо как то минимизировать. Это одна часть размышлений.

Далее - почему не делают маленькие дирижабли жесткой схемы? Вроде как у нее полно плюсов, минус один - вес. Из литературы мне было известно, что у дирижаблей мягкой схемы вес одного кубического метра корпуса составляет 0,2-0,26 кг/м3, полужесткой 0,35-0,48 кг/м3, а жесткой еще больше. При этом подъемная сила одного кубического метра газа составляет примерно 1 кг.

Скорость. Скорость для любого летательного аппарата - это безопасность (в отличии. например. от автомобиля). Поскольку любой летательный аппарат перемещается в воздушной среде, где дуют ветры. Иногда сильные. И что бы им противостоять, нужно иметь соответствующую максимальную скорость. Пусть она и не будет востребована почти никогда, и крейсерская будет гораздо меньше, что бы быть экономичным аппаратом. Но когда она вдруг востребуется. дирижабль должен иметь возможность ее развить.

Здесь есть интересный момент. У мягкого дирижабля или блимпа двигатель всегда в гондоле, и там же находится воздушный винт. Например, дирижабли российской фирмы Авгур

Дирижабль А-30 от Авгур
Дирижабль А-30 от Авгур

Или выше показанный гудиеровский блимп.

Аэродинамическое сопротивление приложено в центре сопротивления или центре давления. Этот центр определяется равнодействующей всех сопротивлений, из которых наибольшую часть составляет оболочка с оперением (так было не всегда, у ранних дирижаблей оболочка давала примерно 25% сопротивления).

В результате получаем пару сил - тяга от двигателя и винта приложена внизу и направлена вперед, а сопротивление - назад и выше. Дирижабль пытается совершить движение на кабрирование, его надо компенсировать рулем высоты. Это дает дополнительное сопротивление.

Простым расчетом (баланс тяги и сопротивления) получаются скорости, близкие к 100 км/ч или даже больше, но в реальности те же авгуровские дирижабли не разгоняются больше 50 км/ч. А это всего лишь 15 м/с. Сила ветра выростает с высотой, потому таким дирижаблям нужно большую часть времени отстаиваться в эллинге.

Жесткая схема позволяет разместить воздушные винты в оптимальном по аэродинамике месте. Кроме того, будучи поднятыми вверх, винты могут иметь диаметр, обеспечивающий максимальный КПД (а это, как правило, большой диаметр).

Есть показательный пример - мотопараплан.

Мотопараплан
Мотопараплан

Центр аэродинамического сопротивления и точка приложения тяги разнесены по высоте. Из за этого наблюдается некоторый парадокс - при снижении тяги винта скорость полета увеличивается.

Вернемся к потерям несущего газа.

-7

Вроде как все понятно - материал получше (диффузионный коэффициент поменьше) перепад давления поменьше, толщину оболочки побольше.

Что мы можем сделать? Снизить перепад давления.

Попробуем оценить сверхдавление в мягком дирижабле. Оно должно быть больше скоростного напора, что бы на оболочке не было вмятин и смятий. Скоростной напор - плотность, помноженная на скорость в квадрате, деленная на два.

Для скорости в 10 м/с (36 км/ч) это 6 кг/м2, или 6 мм водяного столба, или 60 Па.

Для скорости 15 м/с (54 км/ч) это 14 кг/м2 или 14 мм водяного столба или 140 Па.

Для скорости 20 м/с (72 км/ч) это 25 кг/м2 или 25 мм водяного столба или 250 Па.

Для скорости 30 м/с (108 км/ч) это 56 кг/м2 или 56 мм водяного столба или 560 Па.

Кроме того, столб несущего газа, создавая подъемную силу, увеличивает давление на верхнюю часть оболочки на 1 кг/м2 на каждый метр высоты.

Результирующее давление может превышать 100 мм в.с. (1000 Па).

Отсюда моя первая ошибка - если мы снизим сверхдавление или совсем его уберем то потери газа значительно уменьшим. А уменьшив размер дирижабля мы снизим и гидростатическую составляющую давления. Так я думал.

Но можно ли сделать маленький дирижабль жесткой схемы? Я стал думать о модели дирижабля. она должна быть достаточно большая, что бы результат можно было экстраполировать на большие размеры, но в то же время не запредельно дорогая по расходу газа (гелия). Кроме того, эту модель где то надо изготовить и где то хранить.

В результате был выбран размер 10 м3 и длина 6 м. Нарисовал эскиз:

Эскиз модели 10 м3.
Эскиз модели 10 м3.

После это встал вопрос проверки теоретической жизнеспособности данной схемы. 10 м3 гелия дают примерно 10 кг подъемной силы.

Предположив выполнение каркаса из сосновых реек (дерево в некоторых случаях и некоторых условиях нагружения очень хороший материал. И очень доступный), наружная обшивка - парапланерная ткань весом не более 40 г/м2, "пузыри" для газа из металлизированного лавсана весом 20 г/м2, плюс растяжки и доп элементы - расчетный вес получился 6 кг. Оставшиеся 4 кг на электродвигатели с винтами, аккумуляторы, систему управления.

Схема каркаса
Схема каркаса

Кроме того, в целях безопасности (от нагрева солнечными лучами) необходимо иметь гарантированную отрицательную плавучесть не менее 10% - не менее 1 кг. Лучше 2 кг, и компенсировать их тягой двигателей. Идея теоретически жизнеспособна, можно прорабатывать дальше.

Вернемся к ошибке. В формуле указано парциальное давление - то есть давление которое создает один этот газ, без учета других. В результате, внутреннее давление с достаточной точностью это атмосферное давление (1 атм или 10 м вод. ст. или 10 000 мм вод. ст.) плюс сверхдавление (100 мм вод. ст.). Т.е. сврхдавление соль нибудь заметного влияния не оказывает. Наружное парциальное давление гелия - равно нулю.

Уменьшить потери газа за счет диффузии, перейдя на жесткую схему - нельзя. Но можно уменьшить вторую составляющую - потери через дефекты оболочки, клапана и другие управляющие элементы.

Стоит ли делать модель 10 м3 жесткой схемы - вопрос повис в воздухе.

Часть 5.

Другие статьи по этой тематике можно найти здесь: Содержание канала.