Самодельный дирижабль на 3 тонны полезной нагрузки
Воздушный корабль с ядерным двигателем, перевозящий полторы-две тысячи пассажиров. Или до 200 тонн груза. С неограниченной дальностью полета. Обычный атомный дирижабль шестидесятых.
Идея установить на цеппелин ядерную силовую установку возникла, по — видимому, одновременно с внедрением атомной энергии на флоте. Сами гигантские размеры последних летавших в 1930-х дирижаблей класса «Гинденбург» — сравнимых с океанскими лайнерами — подводили к мысли о том, что громоздкий и массивный ядерный реактор, сам двигатель, тяжелая биологическая защита отлично разместятся на таком гиганте, подобно тому, как это делается на морских судах. Реакторный отсек можно разместить далеко в корме, в паре сотен метров от пассажирских салонов; масса не играет такой критической роли как в самолетах, поскольку подъемная сила обеспечивается аэростатическим принципом; в целом идея выглядела осуществимой. Одна из первых работ по этой тематике — публикация Дж. Киршнера «Цеппелин в атомную эру», 1956.
Вот, например, как представлялся атомный дирижабль в научно-популярном американском журнале пятидесятых годов:
«Почему бы не применить мирный атом для дирижабля?» Журнал Mechanix Illustrated, 1956 год
На этом рисунке художник (и автор идеи) Фрэнк Тинсли изобразил воздушный корабль размером вдвое больше «Гинденбурга» с ядерным двигателем во время посадки в морском порту. Обратим внимание на поплавки-балоннеты для посадки на воду и метеорадар в носовой части. В проекте была предумотрена интересная деталь: «в реакторном зале будет устроена круговая галерея, прогуливаясь по которой пассажиры будут с безопасного расстояния с интересом наблюдать за работой ядерной установки».
Сама идея «возрождения» дирижаблей, сошедших со сцены в 1930-х годах, не нова и периодически всплывает в среде авиаконструкторов. Действительно, известные преимущества по сравнению с самолетами у них есть. Главное из них — «практически бесплатная» подъемная сила. Как и всякий аэростат, дирижабль- аппарат легче воздуха, поэтому мощность силовой установки используется лишь для создания пропульсивной тяги. Выгода в этом смысле очевидна.
Вскоре начались и более детальные инженерные проработки атомного дирижабля, в смысле уточнения его основных параметров. Велись они в США, СССР, и Европе (мне удалось найти упомнинание об австрийском проекте Вересса).
В качестве примера приведем неплохое общее описание дирижабля с ядерной силовой установкой в журнале «Техника-молодежи» за 1971 год.
Дирижабль жёсткой схемы, подъемный газ-гелий. Длина корабля- 300 метров при диаметре от 50 до 60. Грузоподъемность — от 150 до 180 тонн в грузовом варианте. Пассажировместимость- в зависимости от компоновки салонов- от 600 до 1800 человек. Скорость- от 200 до 300 км/ч. Интересно, что на борту имелся и ангар для самолета и вертолета, что позволяло осуществлять сообщение с землей без необходимости приземления корабля (например, для посадки-высадки пассажиров в аэропортах по маршруту полета).
Компоновка корабля
Перейдем к ядерной силовой установке. Реактор с жидкометаллическим теплоносителем (интересно, что был выбран литий, возможно из-за его хорошей теплоемкости) мощностью 200 МВт. Горячий жидкий литий направлялся в теплообменник, где отдавал тепло рабочему газу, который, в свою очередь, приводил турбовинтовой двигатель с соосными винтами диаметром 20 метров. Здесь мы видим т.н. привод закрытого цикла, один из нескольких вариантов конструктивного решения авиационной ядерной силовой установки. Подобные проекты были детально проработаны и испытаны на стендах в 1950-х -1970- х годах.
Литературы по авиационной ядерной энергетике существует великое множество, и всякий интересующийся может убедиться, что, безусловно, с чисто технической точки зрения проект был выполним.
Издание 1957 года
В США наиболее известным проектом атомного дирижабля был, конечно, «корабль Морзе». Автор, профессор аэронавтики и бывший инженер Goodyear (а эта фирма построила более 250 дирижаблей за свою историю) в 1964 году представил проект корабля длиной 350 метров. При коммерческой грузоподъемности порядка 150 тонн потребная мощность двигателя составляла всего ….6 тысяч л.с. Интересно, что в качестве трансмиссии предполагалась обычная паровая турбина, через редуктор работающая на винты. Вся связка из реактора General Electric, турбины и трансмиссии весила всего 53 тонны. Любопытно, кстати, что Фрэнсис Морзе занимался проектом в рамках исследования «будущее транспорта при отсутствии нефтяного топлива». То есть, вопрос «что будем делать, когда кончится нефть» в США изучается уже очень давно…
И здесь следует задаться вопросом о целесообразности. Оставим пока в стороне вопрос радиационной безопасности, последствий в случае катастроф, аварий и проч. Это тема отдельного обсуждения.
Посмотрим на характеристики последних классических цеппелинов класса «Гинденбург»: дальность полета до 14700 км при часовом расходе каждого из четырех 1000 — сильных двигателей в 130 кг/ч при крейсерской скорости 110-120 км/ч.
Почти пятнадцать тысяч километров — это уже очень хорошая дальность полета. Разумно ли применять ядерную установку для повышения дальности? Вопрос спорный. Не логичнее ли было бы использовать большую тепловую производительность реактора для нагрева воздуха, превратив, таким образом, дирижабль в тепловой (или комбинированный, т.н. розьер, где некоторую часть подъемной силы обеспечивает гелий, а часть — горячий воздух)? Здесь возможно было бы применить газоохлаждаемый реактор (например, типа Magnox). Такие реакторы известны более 50 лет, работают на металлическом необогащенном уране и дают температуру газа на выходе до 400 градусов.
Во всяком случае, как мы видим, идея создания атомных дирижаблей многим казалась вполне привлекательной и в этом направлении велись некоторые инженерные проработки эскизного характера. Энтузиазм был велик. Вспомним про столь же популярный проект ионолёта.
Интересно привести заключительные слова из той статьи в журнале далёкого 1971 года:
«Пройдет пять, может быть десять лет, и мы снова увидим в небе дирижабли. И это зрелище станет таким же привычным, как пронзающий облака серебристый Ту-144».
На моем канале Вы также можете прочесть о других интересных летательных аппаратах- например:
Bristol Britannia- соперник Ил-18
Летающие платформы
Прыгающий автожир: отец вертолёта
Швейцарский ответ Ан-2: делай все, летай везде
Вертолет в рюкзаке
Реактивный кукурузник
Синхроптер: танец с саблями
Спасибо за просмотр! Буду особо благодарен, если Вы оцените мою работу- поставите лайк или подпишетесь.
Также Вы можете прочесть о некоторых моих полётах — например, на Севере- на маленьком Л-410 из Читы в Чару.
Или на почти 50-летнем Ан-24 в Сибири
Или в Африке, в Танзании, — на Cessna в Занзибар
Или о гидросамолётах на Шри-Ланке
Или о полёте над водопадом Виктория в Зимбабве.
Еще раз спасибо за просмотр!
Возможно, Вы захотите поддержать канал:
Источник
Знаете зачем вообще говорить о дирижаблях? Потому, что масса, которую может перевозить даже один такой аппарат практически не ограничена, а вот для самолетов и других летательных аппаратов тяжелее воздуха — есть предел. Ведь с увеличением линейных размеров летательных аппаратов легче воздуха в n раз, архимедова подъемная сила увеличивается пропорционально объему, то есть в кубе (n3), а подъемная сила самолетов увеличивается пропорционально площади крыла, то есть в квадрате (n2). Масса же что тех, что других аппаратов увеличивается с увеличением линейных размеров приблизительно в кубе. То есть отношение масса-сила подъема для аппаратов тяжелее воздуха относиться как куб-квадрат, в то время для аппаратов легче воздуха, как куб-куб.
Стало быть, самолеты имеют ограничение по линейным размерам и значит и по грузоподъемности, а дирижабли таких ограничений не имеют!
Я уже писал о вакуумных дирижаблях, которые могут работать без использования постоянного расхода рабочего тела (водорода, гелия, азота), а только лишь на подводе энергии.
Коллективно, читатели моих статей пришли к выводу, что такой дирижабль пока невозможен. К сожалению сейчас и близко нет материалов такой прочности, которые позволят построить такое техническое чудо.
Может есть другие варианты?
По сравнению с другими ЛА дирижабли имеют несколько серьёзных преимуществ:
— В принципе достижимы более высокая надёжность и безопасность, чем у самолетов и вертолетов.
— Практически неограниченные грузоподъёмность и дальность беспосадочных перелётов.
— Долгое время нахождения в воздухе (недели).
— Размеры внутренних помещений и комфорт для пассажиров могут быть очень велики.
— В отличии от самолётов, дирижаблю не требуются взлётно-посадочные полосы.
Ресторан на «Гинденбурге»
Конечно, наряду с достоинствами дирижабли имеют и некоторые недостатки:
— Огромные размеры, стало быть очень большие размеры требуемых ангаров (эллингов), сложность хранения и обслуживания на земле.
— Сложность приземления из-за низкой манёвренности.
— Относительно малая скорость по сравнению с самолётами и вертолётами (как правило до 160 км/ч) и низкая маневренность — в первую очередь из-за малой эффективности аэродинамических рулей в канале курса при малой скорости полёта и из-за малой продольной жёсткости оболочки.
— Большая парусность и зависимость от погодных условий (особенно при сильном ветре).
— Низкая надёжность и долговечность оболочки.
— Дороговизна использования гелия, как наполнителя или опасность водорода.
Также рассматривался как наполнитель азот, но его подъемная сила невелика.
Некоторые проблемы, такие как:
1) Низкая надёжность и долговечность оболочки.
2) Дороговизна использования гелия, как наполнителя или опасность водорода.
были решены в конструкции цельнометалического дирижабля Циолковского:
Циолковский предлагал построить огромный даже по сегодняшним меркам — объёмом до 500 000 м³ — дирижабль жесткой конструкции с металлической обшивкой (для сравнения, самые крупные жесткие дирижабли «Гинденбург» и «Граф Цеппелин II» имели объем всего лишь 200 000 кубометров).
В первую очередь изобретатель ставил целью избавиться от опасности взрыва. Проектный дирижабль наполнялся, подобно монгольфьеру, просто горячим воздухом, причем отдельной системы нагрева не существовало: забираемый снаружи воздух грелся посредством контакта с отработавшими газами мотором дирижабля.
Воздух нагревался проходя по змеевикам, нагреваемым выхлопными газами. Оболочка наполнялась горячим воздухом, температура которого регулировалась для изменения высоты подъёма дирижабля.
Естественно, нужно было обеспечить прочность конструкции — этому служила гофрированная поверхность металлической оболочки дирижабля. Более того, гофры не только повышали прочность, но также работали «линиями сгибов»: особая система стягивающих вант позволяла изменять объем внутреннего пространства дирижабля для обеспечения постоянства подъемной силы, не зависящей ни от атмосферного давления, ни от температуры окружающей среды, ни от других факторов.
Подобные изменения, в том числе удлинение и укорачивание дирижабля, могли проводиться прямо в полете.
Так затрачивая ничтожное количество энергии на изменение подъемной силы, можно было бы менять высоту полета дирижабля над землей и выбирать воздушные течения, исходя из их карты на разных высотах, которые помогали бы отнести этот аппарат в нужное место в нужное время уменьшая тем самым расход топлива. Опускать такой аппарат на землю нужно только для выгрузки груза, заправки топливом и регламентных работ.
Да, это был самый перспективный проект дирижабля того времени, но слишком футуристичный для него!
Да, чтобы вы не думали, что цельнометалические дирижабли — это фантастика и огромные куски железа не могут летать по воздуху, можно обратиться к истории дирижаблей и увидеть, что несмотря на то, что жестких дирижаблей с металлической (а точнее, алюминиевой) внешней оболочкой во всем мире было построено всего несколько штук и ни один не стал «рабочей лошадкой», выйти за рамки испытаний все же сумел единственный летавший дирижабль такого типа — ZMC-2.
Оболочка дирижабля представляла из себя фольгу сплава «альклэд» толщиной 0,24 мм, обтягивающую жесткие металлические шпангоуты.
Объем 5.660 куб.м, длина 44,8 м, диаметр 15,8 м. Наполнен гелием.
Внутри него:
Фото из технологического альбома «USA Metalclad Airship». — USA, 1929 год.
Да, единственный дирижабль с металлической обшивкой, который поднимался в воздух, — это американский ZMC-2. Но он летал и это факт!
Zeppelin Metal Clad-2 по прозвищу «Жестяной пузырь», сконструированн в 1929 году. Его построила Детройтская компания Aircraft Development Corporation, и 20 августа 1929 года он отправился в свой первый полет. Маленький аппарат длиной всего 45 м должен был стать опытной моделью: в случае успеха компания ADC планировала создать 150-м дирижабль, который превзошел бы все, построенные на тот момент в мире.
Дюралюминиевая обшивка крепилась на алюминиевом же каркасе и служила прямым контейнером для гелия. Конструкция была вполне удачной: дирижабль развивал скорость до 110 км/ч, хотя везти мог не более 340 кг полезного груза, включая экипаж из двух человек. В движение машину приводили два 300-сильных двигателя. После первого успешного полета дирижабль передали для испытаний в US Navy.
Но в Detroit Aircraft Corporation (переименованной ADC), да и в ВВС США, не учли одного фактора — обрушившейся на США Великой депрессии. Ни денег, ни необходимости строить последующие дирижабли не было — и проект свернули. В 1931 году Detroit Aircraft Corporation обанкротилась. «Пузырь» эксплуатировался вплоть до 1941 года, налетав более 2200 часов в 752 полетах, и был разобран на металл в апреле 1941 года.
Эта история дает подтверждение тому, что цельнометалические дирижабли возможны!
Главный недостаток авиационного транспорта — высокая стоимость перевозки пассажиров и грузов. За год в мире посредством самолетов и вертолетов перевозится 25 миллиона тонн на среднее расстояние 3.000 км, что составляет менее 0,1% от общего грузооборота! Отсюда вывод: за перевозку грузов по воздуху государство и бизнес готовы платить только в исключительных случаях.
Наименьший расход топлива на транспортировку 1 тонны на расстояние в 1 км. (1 тонно-километр) имеют водный, трубопроводный и железнодорожный транспорт. В расчете на тонно-километр они расходуют менее 10 грамм условного топлива (1 гут=0,68 г керосина). Автомобильный транспорт в 10-15 раз хуже (100 гут/т*км). Самолеты в 30-100 раз хуже (200-1.000 гут/т*км), вертолеты 100-300 раз(1.000-3.000 гут/т*км).
По расчетам, большие дирижабли от 150.000 до 300.000 м3 имеют топливную эффективность как автомобильный транспорт, а сверхбольшие дирижабли, объемом свыше 300.000 м3, имеют топливную эффективность меньше автомобильного в 3-4 раза, то есть находятся между автомобильным и водным транспортом.
Главная проблема дирижабля Циолковского состояла в том, что в нем, в качестве подъемной силы, использовался горячий воздух, подъемная сила которого при небольшом нагреве невелика.
С другой стороны водород дешев, но взрывоопасен. Гелий достаточно дорог и как одноатомный газ обладает повышенной проницаемостью, т.е. раньше 15% газа терялось ежемесячно. Да, сейчас разработаны материалы с очень низким уровнем гелиопроницемости 0,5-1 л/сут*кв.м., что позволяет ограничиться незначительным пополнением несущего газа в летательный аппарат 2-10% в год от первоначального объема.
Гелий дорогой газ, вместе с тем затраты на гелий в общих эксплуатационных расходах дирижабля составляют весьма незначительную часть — от 1 до 3%. Главная проблема гелия не столько его дороговизна, сколько не масштабируемость его производства, если дирижабли на гелии начнут производится массово. Так например в самом крупном производителе гелия — США из-за истощения его месторождений добыча падает на 5-6% в год и они разрешили использовать газ из правительственных хранилищ.
Вообщем проблема до сих пор толком не решена — гелий дорог и производство его не масштабируемо, а водород опасен. (Сейчас разрабатываются ингибиторы детонации водорода, но его горения они не предотвращают.)
Правда, запасы гелия в России довольно значительны:
и возможности добычи тоже велики:
Но сомнительно, что его хватит для создания флота дирижаблей на гелии.
Плюс же нагретого воздуха в том, что его температура существенно сказывается на удельной подъемной силе теплового дирижабля.
Таблица 6. Характеристики удельной подъемной силы нагретого воздуха при различных температурах и высотах полета.
Применение воздуха,нагретого до 600°С может создать удельную подъемную силу, составляющую 0,7-0,8 от величины для водорода и гелия. Подъемная сила 1 м3 водорода у земной поверхности равна приблизительно 1,15 кг на 1 м3 , а более тяжелого, но безопасного, гелия — 1 кг на 1 м3. Чтобы обычный воздух заполучил подъемную силу равную 1, 2 кг (то есть превзошел водород) на 1 м3, нужно его нагреть до 1.000 С0.
Таблица 7. Удельная подъемная сила и плотность водорода и гелия при различных температурах на высоте Н = 0 м при=15°С
Еще таблица:
В отличие от воздуха, легкие газы (водород,гелий) при нагреве незначительно увеличивают свою удельную подъемную силу (рис 7.1).
Например,при нагреве водорода от 50°С до 400°С эта величина увеличивается приблизительно на 3%.
Температура нагретого воздуха существенно сказывается на удельной подъемной силе максимальная допустимая величина температуры зависит от конструктивных особенностей АЛА, примененных материалов и способа подогрева воздуха. Максимальной допустимой величиной температуры нагретого воздуха применительно к конструкциям термодирижаблей в настоящее время можно считать величину — 600°С. При развитии новых материалов максимальная допустимая температура будет повышаться. Если новые материалы смогут выдерживать 1.000 С0, то подъемная сила горячего воздуха превзойдет подъемную силу водорода!
Также, проблема горячего воздуха в регулировании плавучести дирижабля еще состоит в том, что достаточно перестать подогревать горячий воздух, чтобы аппарат потяжелел. Так что подогревать приходится постоянно, ведь большая площадь цельнометалического баллона и высокая теплопроводность металла приводило к тому, что горячий воздух внутри быстро охлаждался, чтобы поддержать подъемную силу надо постоянно тратить энергию на его обогрев.
А что было бы, если оболочка такого дирижабля при сохранении ее прочности и герметичности обладала к тому же близкой к нулевой теплопроводностью?
Чтобы раз нагрев воздух в газовых баллонах можно было бы не тратить на это энергию или тратить ее совсем мало?
Сейчас такой теплоизолятор уже создан — он называется аэрогель!
При ничтожно малом весе, его теплопроводность еще ниже:
Наиболее распространены кварцевые аэрогели, по плотности среди твердых тел они превосходят лишь металлические решетки на основе никеля, чья плотность может достигать — 0,9 кг/м3, что на одну десятую меньше лучших показателей плотности аэрогелей — 1 кг/м3.
В воздушной среде при нормальных условиях плотность такой металлической микрорешётки равна 1,9 кг/м3 за счёт внутрирешёточного воздуха. Это в 500 раз меньше плотности воды и всего в 1,5 раза больше плотности воздуха.
Еще лучше показатели у аэрографита. Аэрографит обладает плотностью около 0,2 миллиграмма на кубический сантиметр, опережая по этим показателям аэрогели НАСА с плотностью 1 миллиграмм на кубический сантиметр, а также последнего рекордсмена, считавшегося наилегчайшим, материала на основе никеля с плотностью 0,9 миллиграмма на кубический сантиметр.
Впрочем ладно! Главное это то, что если ученные и технологи доведут себестоимость этих материалов до адекватной цены, то совместив идею, которая была высказана в начале прошлого века, с современными материалами, можно возродить время прекрасных небесных гигантов.
Что же до безопасности полета, то современные дирижабли обладают естественной безопасностью.
Существует ТРИ основных причины гибели небоевой гибели дирижаблей:
1. Применение водорода — пожар
2. Отсутвие точного метепрогноза и из за этого — полет в условиях запрещенных РЛЭ
3. Попытка стоянки при неблагоприятных погодных условиях
ВСЕ три опасны и для самолетов и все три — современным дирижаблям не грозят!
P.S По этому вопросу мне особенно важно мнение людей с инженерным образованием.
Источник