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