Миражи инноваций

Владимир Учватов рассказывает об истории первых управляемых аэростатов – дирижаблей, и связанных с ними технических проблемах, которые не решены до сих пор.

Mirages of innovations
Vladimir Uchvatov tells history of the first guided aerostats - airships and of related technical problems, which are still not solved so far.

Об истории вопроса

Управляемые аэростаты, воздухоплавательные летательные аппараты, получившие название дирижаблей.
Проблема управляемого полёта возникла у братьев Монгольфье сразу же после первых удачных свободных полетов, и кажущаяся простота её решения привела к огромному числу интереснейших проектов. Можно только удивляться широте образного мышления творческих людей того времени при рассмотрении этих проектов. Диапазон предлагаемых способов управления аэростатом содержал самые разные принципы – от использования тянущих усилий, создаваемых запряжёнными птицами, до реактивных сил, возникающих при истечении горячего воздуха из оболочки через специальное боковое отверстие.
Стоит упомянуть в связи с этим проект французского генерала Менье, представленного Французской академии уже спустя год после полета первого монгольфьера. В проекте предложен ряд новых технических решений, принципиально сохранившихся даже в современных дирижаблях.
Однако темпы технического развития того времени потребовали более полувека на реализацию менее грандиозного проекта управляемого аэростата.
Первый полет управляемого аэростата – дирижабля – состоялся 23 сентября 1852 года. Этот успех достигнут французским механиком А.Жиффаром, использовавшим своё изобретение – паровой двигатель мощностью 3 л.с., имевший массу всего 45 кг.

Продолжавшееся в последующие годы совершенствование конструкции дирижабля сдерживалось отсутствием достаточно мощной и лёгкой силовой установки. Франция, родина воздухоплавания, продолжала совершенствовать небольшие дирижабли мягкой и полужёсткой схем, удивляя мир либо применением электродвигателя и гальванических батарей в качестве силовой установки на дирижабле «La France», либо достижениями Альберто Сантос-Дюмона, завоевавшего денежный приз в 100 тысяч франков за полёт по замкнутому маршруту Сен-Клу – Париж – Сен-Клу (с облётом Эйфелевой башни) в течение 30-ти минут лётного времени.

Применение мощного, имеющего небольшую массу, бензинового двигателя, начало производства алюминия и имя графа Цеппелина привели к расцвету развития дирижаблей.

Классификация дирижаблей базируется на различии конструктивно-силовых схем, применение которых ограничивает объём оболочек, а, следовательно, и их лётно-технические характеристики. Разработаны и реализованы четыре основных класса дирижаблей:
- дирижабли мягкой схемы;
- дирижабли полужёсткой схемы;
- дирижабли жёсткой схемы;
- цельнометаллические дирижабли.
Большинство ранних дирижаблей относилось к дирижаблям мягкой схемы и, естественно, объём их оболочек не превышал 10000 м³.

Созданная в 1900 году новая конструктивно-силовая схема, так называемая «жёсткая» позволила строить дирижабли с большим объёмом оболочек, а, следовательно, и большей грузоподъёмности, что способствовало расширению области их применения.
Наибольший прогресс дирижаблестроения относится к 30-40-м годам двадцатого столетия, когда воздушный океан планеты бороздили гигантские дирижабли Германии, Англии, США, Италии и России. Длительные полёты, пассажирские и грузовые перевозки, возможность военного применения демонстрировали германские «Graf Zeppelin», «Hindenburg», английские «R-100», «R-101», американские «Acron» и «Macon».

Бурное развитие авиации, катастрофы крупнейших дирижаблей и экономические проблемы эффективности их использования практически закрыли эпоху дирижаблей.

Однако уже более полувека энтузиасты воздухоплавания делают попытки возродить эту эпоху. Проекты современных дирижаблей по существу рождаются заново – с попыткой использования современных достижений авиационных и космических технологий.

Несмотря на то, что проектные решения предлагают широкий спектр областей применения дирижаблей, в реальности эти области, к сожалению, ограничены: в основном дирижабли используют либо в качестве носителей рекламы, либо в качестве экзотического транспорта для туристов.

Значительное число проектов связывается с созданием систем, в которых дирижабли рассматриваются в качестве эффективного транспортного средства большой грузоподъёмности. Однако многолетняя работа многих фирм технически развитых стран по созданию такого средства всё равно оканчиваются рекламой и очень ограниченным туризмом. Убедительным примером такого результата может служить многолетняя работа фирмы «Cargo Lifter», пытавшейся создать дирижабль грузоподъёмностью 160 тонн. Рискованный технический эксперимент окончился лишь постройкой неплохого эллинга, в котором в настоящее время разместился грандиозный парк развлечений с постоянным тропическим климатом…
Развитие современных технологий во многих областях науки и техники могло бы дать существенные преимущества при создании воздухоплавательных летательных аппаратов. Однако без осмысленного подхода к созданию систем с использованием дирижаблей и, прежде всего, по выбору областей их применения, решения проблем научно-технического характера и реальной экономической оценки, несмотря на многолетние попытки энтузиастов, ни к чему не привели.

Современные шаги энтузиастов

Современные проблемы экономики, особенно рыночной, обычно связывают с инновациями и инвестициями в технический прогресс. И действительно, технический прогресс, конечно, наряду с человеческой моралью, могут продвинуть человечество по пути цивилизации, но предлагаемый путь развития носит весьма продолжительный характер.
С появлением компьютерных технологий существенно сократились временные затраты на проведение проектных, конструкторских и других видов работ при создании новых образцов техники. Однако к инновациям это положение относится весьма условно, так как все новое создаётся интеллектом и талантом. Появление таких талантливых людей связано с огромным числом условий – от социальной жизни до воспитания и образования.

Роль транспорта в развитии экономики неоспорима, особенно для нашей страны, имеющей огромную территорию и районы, удалённые от стационарных транспортных систем. Решение транспортных проблем лежит в области использования самолётов, вертолётов и предлагаемых воздухоплавательных аппаратов.

Основываясь на отечественных достижениях в области воздухоплавания в 30-х годах, энтузиасты воздухоплавания ещё с 60-х годов прошлого столетия предлагают использовать в транспортных операциях дирижабли.

В 60-е и 70-е годы возникают группы энтузиастов, и даже общественные конструкторские бюро дирижаблестроения. Многочисленные проекты общественных коллективов выносятся на обсуждения комиссий, создаваемых из специалистов авиационной промышленности.

С чем же был связан этот взрыв энтузиазма?

В первую очередь, с кажущейся победой над «основными» недостатками прошлых дирижаблей. (Ведь теперь вместо взрывоопасного водорода все предлагают несущий газ гелий.)
Вторая надежда – опять-таки с кажущейся победой над второй проблемой дирижабля, а именно с возможностью решения проблемы «балластировки». Появились решения в связи с созданием устройств, изменяющих направления вектора тяги маршевых двигателей, и возможности использования дополнительных элементов, создающих «вертикальную» силу: несущие винты и крылья.
Несмотря на недостаточный уровень разработок, ряд ОКБ создают модели, макеты и даже летающие образцы с малым объёмом оболочек. Можно отметить наиболее организованные коллективы: Киевское общественное конструкторское бюро при авиационном КБ Антонова, Ленинградское общественное конструкторское бюро, Уральское конструкторское бюро под руководством Д.З.Бимбата, КБ при Оргэнергострое, КБ «Термоплан», и ряд других.
Участвуя в работе ряда комиссий, мне не удалось выслушать ни одного экономического обоснования преимущества дирижабля перед другими летательными аппаратами в предлагаемых областях применения.
К сожалению!
В качестве таких областей применения в основном рассматривались транспортировка крупногабаритных и перевозка народнохозяйственных грузов в отдалённые районы.
Как ни странно, экономика проектов обычно рассматривалась и рассматривается до сих пор весьма поверхностно, а побеждают эмоциональные оценки экзотических свойств самого аппарата. Выводы по проектам большей частью основывались на возможности создания самого летательного аппарата, а не на проблемах при его реализации и эксплуатации.
Очередной поход энтузиастов воздухоплавания на штурм «инноваций», вероятно, связан либо с экономическим кризисом, либо с изменением экономической политики государства, либо с реализацией новых технологических проектов, и т.д.

О технических вопросах

О технической стороне реализации дирижаблестроения.
Исторически сложился перечень проблем в дирижаблестроении, не решённых до настоящего времени на удовлетворительном уровне.
1. Управление аэростатической подъёмной силой.
2. Специфика аэродинамики дирижаблей, связанная с объёмом, формой и материалом аппарата.
3. Оптимизация стартово-бивачных работ.
4. Вопросы газообеспечения.
5. Вопросы безопасности эксплуатации.

Каждый перечисленный пункт скрывает в себе ряд необходимых технических и технологических решений, без которых создание современного дирижабля невозможно.

В первый пункт необходимо включить: балластировку дирижабля в процессе выработки топлива, балластировку при проведении транспортных операций, парирование вариаций аэростатической подъёмной силы при перегреве несущего газа.

Решение первого пункта достаточно успешно реализуется путём гибридизации аппарата, но только для дирижаблей с оболочкой объёмом до 10000 м³. В других случаях управления аэростатической подъёмной силой необходимы: во-первых, тепловые расчёты аппарата при радиационном нагреве с определением возможных перегревов, во-вторых, получение характеристик радиационных потоков в процессе эксплуатации и радиационных характеристик материала оболочки. Ну, а дальше – конструкторские решения схем и систем управления.

Расчёты показывают, что для дирижаблей с объёмом больше 10000 м3 использование тяги поворотных маршевых двигателей для «балластировки» практически полностью исключает эффективность использования аэростатической подъёмной силы. В качестве примера можно привести так и не реализованный проект США дирижабля «Sentinel».

Все реализованные проекты – «Skyship», «WDL», «Zeppelin» и другие, – имеют объём оболочек не более 8000 м³.
К сожалению, и применение несущих (вертолётных) винтов для создания вертикальной силы вообще закончились трагедией в США (фирма Пясецкий). Проекты отечественных аппаратов аналогичных схем («Вертостат») не были реализованы.

Основная причина в том, что работа несущих винтов в области потоков, искажённых корпусом (оболочкой) дирижабля, практически непредсказуема. Аппараты такой схемы предполагалось использовать в основном для краново-монтажных работ.
И, наконец, использование несущих аэродинамических поверхностей на дирижаблях приближает эксплуатацию дирижабля к условиям эксплуатации самолёта со всеми вытекающими отсюда последствиями (аэродромы с посадочными полосами).

Второй пункт скрывает в себе специфику аэродинамики, а именно – управляемость аппарата на малых скоростях полёта дирижабля или малых скоростях ветра. Специалистам известны три диапазона скоростей (нормальная, реверсивная и эволютивная), при которых сам процесс управления должен быть дифференцированным. Эффективное решение этой проблемы так и не было найдено, в связи с чем эксплуатация предполагает либо увеличение стартовой команды, либо строгое ограничение по метеорологическим условиям.

(Для справки: стартовая команда для встречи дирижабля «Граф Цеппелин» при его прилёте в СССР насчитывала 600 человек.)

Кроме того, для дирижабля необходимо учитывать специфику его аэродинамических характеристик, связанных с необходимостью учёта выраженной аэроупругости (с учётом анизотропности материала оболочки и всей конструкции).

Некоторые оптимисты (по неизвестным причинам) рассматривают в качестве положительных перспектив дискообразные дирижабли. Вопрос формы корпуса (оболочки) вообще не стоит, так как значительное число проектантов, особенно тех, которые её предлагают, вероятно, не заглядывало в недалёкую историю (первый проект фирмы «Skyship», диск диаметром 200 м). Беглый взгляд на график аэродинамического коэффициента продольного момента относительно центра объёма показывает, что этот момент (в реальной атмосфере – турбулентной среде) практически не удастся компенсировать никогда…

Третий пункт списка проблемных вопросов пытались решить англичане, объявив международный конкурс в журнале «Airship». Новых революционных решений наземного обслуживания эксплуатации не было предложено вообще, поэтому первая премия
(10 тыс. фунтов) не была присуждена никому, а вторая выдана за модернизированную схему работ, применявшуюся в 30-х годах прошлого века. Эта схема предусматривает использование причальной мачты, за которую производится крепление носовой точки корпуса дирижабля с последующим режимом его флюгирования. Крепление второй точки дирижабля выполняется в виде подвижной опоры, размещаемой в зоне гондолы. Вторая точка обычно выполнена в виде опорного колеса шасси или путём применения специальной тележки на рельсовом ходу.

В некоторых проектах делается попытка показа схемы наземного удержания дирижабля с помощью вакуумной присоски к площадке (в нижней части оболочки – кольцевой надувной элемент). Такое техническое решение может встретить при реализации ряд проблем, связанных с подготовкой поверхности площадки (снег, лёд), создания специального поворотного механизма для управления поворотом площадки в соответствии с направлением ветра, и т.д.

И самое главное – это ограничение при проведении стартово-бивачных работ по ветровым условиям, принимаемым обычно в пределах 10-15 м/с.

Четвёртый пункт. Специфика всех вопросов, связанных с использованием газов, известна. Высокая стоимость гелия резко снижает экономические показатели эксплуатации, а возможные вопросы, связанные с использованием флегматизированного водорода, требуют отработки и формализации новых технологий. Эксплуатация комплекса с использованием дирижаблей потребует создания систем хранения, транспортировки и очистки большого объёма несущего газа.

Пятый пункт – вопросы безопасности, решение которых ограничивает эксплуатацию дирижабля по погодным условиям и по районам эксплуатации. Можно только перечислить список проблем: скорости и направления ветров (статистика по районам возможной эксплуатации), атмосферное электричество, статическое электричество, атмосферные осадки (снег, лёд).
Более подробный перечень подлежащих решению проблем включил бы проблемы контроля газовой среды по составу (загрязнение несущего газа), по объёму (количества воздуха в баллонетах или газа в газовых ёмкостях), и много других.

Реклама и маркетинг

Конечно, это не о рекламе, размещаемой на борту дирижабля (для этой акции достаточно успешно используются дирижабли фирмы WDL), а о рекламе самих дирижаблей.
В качестве примера можно привести картинку дирижабля, предназначенного для перевозки грузов.
Или дирижабль для газовой и нефтяной индустрии.
По выражению одного из авторов публикаций в Интернете о дирижаблях:
«Из рекламных материалов Публике нравится».

Эксплуатация транспортной системы дирижаблей потребует создания структуры с эллингами для операций газонаполнения, смены газа, регламентных работ, с дирижабледромами и площадками с устройствами приёма и удержания дирижаблей, и др.

Вопросы экономики должны быть рассмотрены с привлечением аналогичных исследований ГосНИИГА, имеющим опыт таких расчётов по стоимости лётного часа. Из ранее рассмотренных работ в этом направлении получен результат, что в общей стоимости лётного часа вертолёта стоимость топлива и расходных веществ составляет 21-25 %.

Пересчитывая эти результаты на затраты по транспортировке грузов, стоимость 1 тонна/км будет составлять около 150 % от аналогичного параметра при использовании в качестве транспортного средства вертолёта.

Вероятно, аналогичные результаты предварительных оценок возможных лётно-технических характеристик выявлены и рядом других специалистов, поэтому всё чаще встречается информация о новых областях использования дирижаблей, а именно – создание и применение высотных дирижаблей, как в военных, так и в промышленных целях. Конечно, экономика таких проектов должна определяться совершенно по другим параметрам, учитывающим интересы оборонных ведомств.
Естественно, что в этих новых областях применения дирижаблей они могут обладать большей эффективностью и, вероятно, специфической экономической целесообразностью.

На рисунках показана последняя разработка фирмы США «DARPA».
Из приведенных рисунков видно, что для конкретных задач, если эти задачи оптимизированы с учётом положительных характеристик дирижабля, эффективность системы вполне закономерна.
Владимир Учватов