Проект и экспериментальная модель многофункционального дирижабля «Русь»

Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования
«Центр дополнительного образования «Созвездие»                                                           г. Балашова Саратовской области»

Проект и экспериментальная модель             многофункционального дирижабля «Русь»

                                                  Автор исполнитель:

                                           Меленчук Данила, 7 класс, 13 лет,

                                                   учащийся МОУ Гимназия им. Ю. А. Гарнаева,                  член ТО «Экспериментатор» МБУДО

                                         «Центр дополнительного образования «Созвездие»

                                       г. Балашова Саратовской области»

                                   Руководитель ТО «Экспериментатор»:

                                                      Лотарев Александр Васильевич, педагог

                                           дополнительного образования высшей                                        квалификационной категории МБУДО

                                         «Центр дополнительного образования «Созвездие»

                                       г. Балашова Саратовской области»

г. Балашов – 2016

Аннотация

         Проект и экспериментальная модель многофункционального дирижабля «Русь» являются этапом целенаправленной работы ТО «Экспериментатор» в области изучения и разработки воздухоплавательных устройств широкого назначения. Особенностью  этого проекта является  разработка  конструкционных элементов  расширяющих функциональные возможности дирижабля в области рационального использования  энергообеспечения и  позволяющих в значительных пределах изменять грузоподъемность устройства. Одним из направлений,  многофункционального использования предлагаемого проекта,  является применение дирижабля в качестве воздухоплавательного средства для транспортировки и запуска космических аппаратов.

Литература:

1. Бойко Ю. Воздухоплавание в изобретениях, Изд: М., Транспорт,1999, 352c.

2. Бойко Ю. «Пассажирские перевозки на дирижаблях», «Воздухоплаватель», №2(4), 1996 г., стр. 30-31. 

3. В.А. Бычков Летопись авиации и воздухоплавания, Изд. Academia

4. О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании. Вып.1. Менделеев Д. Год: 1880

 Интернет-ресурсы:

1. http://www.arms-expo.ru/analytics/armed_forces/dirizhabli-vozvrashchayutsya/

2. http://www.cnews.ru/articles/rynok_dirizhablestroeniya_obretaet_novoe

3. http://moiidei.com/tekhnika/tekhnika-tekhnologii/298-67.html

4. http://www.aviaport.ru

5. http://www.dailytechinfo.org/space/5176-alyuminievyy-zhestkiy-dirizhabl-samolet-aeroscraft-sovershat-pervyy-ispytatelnyy-polet.html

6. http://www.dailytechinfo.org/space/

      Возрастающий интерес к дирижаблестроению во всем мире наиболее актуален для России. Дмитрий Иванович Менделеев в книге «О сопротивлении жидкостей и воздухоплавании» писал: «У других стран много берегов водного океана. У России их мало, сравнительно с ее пространствами, зато она владеет обширными... берегами свободного воздушного океана. Русским поэтому сподручнее овладеть сим последним... Оно, вместе с устройством доступного для всех и уютного двигательного снаряда, составит эпоху, с которой начнется новейшая история...». Проблеме воздухоплавания посвятил более 50 работ Константин Эдуардович Циолковский, предложивший идею цельнометаллического дирижабля. В настоящее время, в период бурного развития новых технологий, появляется все больше и больше материалов и технических возможностей для создания воздухоплавательных устройств на основе новейших научно-технических достижений. В творческом объединении «Экспериментатор» муниципального бюджетного учреждения дополнительного образования «Центр дополнительного образования «Созвездие» г. Балашова Саратовской области» проектами в области воздухоплавания занимаются с 2007года. Лучшие проекты наших моделей  дирижаблей, наряду с проектами из области авиации и космонавтики, представлялись  в  специальных экспозициях международных авиационно-космических салонов «МАКС-2007». «МАКС-2011», «МАКС-2013», «МАКС-2015». Это были проекты дирижаблей- ретрансляторов для телерадиовещания и мониторинга земной поверхности, многофункциональные дирижабли  различных видов для тушения пожаров и эвакуации людей в чрезвычайных ситуациях, а также  дирижабли для транспортировки и запуска космических аппаратов различной грузоподъёмности. Основной целью нового проекта было изучение достижений  науки, нанотехнологий, современных технологий в области воздухоплавания  и практическая задача  создания наглядной модели дирижабля из доступных материалов с перспективными  функциональными и технологическими возможностями  его совершенствования.

     Современные дирижабли лишены многих недостатков своих предшественников. Они заполняются  не водородом, как раньше, а пожаробезопасным гелием. Для создания несущей конструкции используют металлические фермы из авиационных сплавов. Саму оболочку делают из специальной ткани на основе лавсана спаянного высокочастотными токами и покрытую двуокисью титана, что делает  современный дирижабль судном с огромным ресурсом надежности и безопасности. Мотоблок дирижабля может состоять из одного или нескольких двигателей — как электрических, так и дизельных. За счет маршевых двигателей аэростат движется в заданном направлении, а для управления и маневрирования, в том числе и в режиме зависания, используются рулевые двигатели. Направление вектора тяги может свободно изменяться на вертикальное. Бортовые системы позволяют успешно пилотировать воздушное судно как днем, так и ночью. Современному дирижаблю не страшны ни сильные ветры, ни опасность обледенения. Уровень развития средств навигации и пилотирования попросту отменил многие проблемы первой трети прошлого века. Теперь дирижабли вновь выходят на рынок воздушного транспорта — там, где использование авиационной техники неэффективно или дорого. Современные управляемые аэростаты способны поднимать и транспортировать различные негабаритные и неделимые грузы большой массы — буровые вышки, ажурные металлические конструкции, передвижные комплексы различного назначения. Среднее время непрерывного полета транспортного дирижабля может составлять несколько суток, при скорости около100–130км/час, а с дозаправкой — 30 и более суток. Таким образом, можно преодолеть расстояние 3–5тыс. км. Потом аппарат мягко причаливает к мачте, что не требует специальной инфраструктуры в виде аэродрома или посадочной полосы.  Сегодня аэростатные технологии развиваются в трех направлениях — это легкие дирижабли малого и среднего объема, транспортные дирижабли большой и сверхбольшой грузоподъемности, а также стратосферные дистанционно управляемые аппараты легче воздуха. Последние должны работать на высотах18–25км и служат частью телекоммуникационной инфраструктуры. Но у них есть и другие перспективы — мониторинг земной поверхности и атмосферных слоев, что поможет предсказывать штормы и другие неблагоприятные погодные явления, отслеживать распространение тумана в ночное время суток, идентифицировать вулканический пепел. Открываются возможности для контроля климатических изменений. Использование современных аэростатных систем позволит перейти на другой уровень кратко- и среднесрочного прогнозирования, в том числе погоды и сейсмической активности. Проекты грузовых дирижаблей, сравнимых и даже превосходящих транспортную авиацию, постоянно обсуждаются конструкторами разных стран и предлагаются вполне жизненные и обусловленные конъюнктурой рынка проекты. Британская компания Hybrid Air Vehicles заканчивает создание гибридного летательного аппарата Airlander 10. Этот аппарат, длина которого составляет 92 метра, является самым большим летательным аппаратом на сегодняшний день.

     Airlander 10 называют гибридным летательным аппаратом из-за того, что в его конструкции используются сразу три различных принципа воздухоплавания, элементы самолета с неподвижным крылом, вертолета и воздушного шара. Общий объем аппарата Airlander 10 составляет порядка 38 тысяч кубических метров, в который помещается необходимое для подъема количество гелия. Около половины подъемной силы в движении аппарату дает форма его корпуса, которая выполняет роль плоскости крыла самолета, а подъемная сила, создаваемая гелием, позволяет значительно сократить расход топлива его четырьмя дизельными двигателями. Оболочка аппарата состоит из трех слоев самых прочных материалов, углеродистого волокна, майлара и кевлара. Аппарат способен оставаться в воздухе непрерывно в течение трех недель и выдерживать без потери "плавучести" появление небольших, к примеру, пулевых, отверстий в оболочке. Он передвигается тихо, не производит сильного загрязнения окружающей среды и рассматривается в качестве транспортного средства, способного достигнут самых труднодоступных районов на земном шаре. Помимо традиционной перевозки пассажиров и грузов, аппарат может быть использован для ведения постоянного наблюдения за большими площадями поверхности, выступать в качестве летающей антенны, обеспечивающей покрытие мобильной связью и доступом в Интернет мест, где установка наземных станций невозможна или нецелесообразна в силу различных причин. В движение этот аппарат  приводится четырьмя 325-сильными турбированными дизельными двигателями V8 с прямым впрыском. Ресурс используемых двигателей позволит аппарату находится в воздухе непрерывно в течение пяти суток, подниматься на высоту в 6 тысяч метров и летать со скоростью около 150 километров в час, перевозя пассажиров и до 10 тонн груза в грузовом отсеке. Два двигателя аппарата будут установлены на передней части его фюзеляжа, и еще два - на корме. Все двигатели имеют лопасти с регулируемым углом наклона (атаки) и заключены в защитный кожух в виде трубы, который поворачивается вокруг поперечной оси. Таким образом, производится управление вектором направления тяги, необходимой для взлета, посадки, полета и совершения различных маневров вблизи поверхности.  Несмотря на то, что летательные аппараты, которые легче воздуха, уже известны на протяжении 300 лет, идея использования таких аппаратов в качестве стационарных воздушных платформ только сейчас близко подошла к реализации. Известная компания Lockheed Martin проектирует строительство и проведение испытаний модели геостационарного летательного аппарата, который будет использоваться в качестве платформы для разведывательного и телекоммуникационного оборудования. Этот геостационарный летательный аппарат получил название High Altitude Airship (HAA). В своем рабочем (геостационарном) положении, аппарат будет находиться на высоте в 21 километр. С такой высоты наблюдательная аппаратура сможет покрыть область поверхности диаметром в 970 километров, обеспечивая эту поверхность телекоммуникациями, прогнозом погоды и другими информационными услугами. По расчетам, этот летательный аппарат сможет находиться в автономном режиме в течение 10 лет. Для уменьшения веса аппарата в качестве внешней оболочки будут использоваться высокопрочные ткани, изготовленные из специальных полимерных материалов, которые, к тому же обеспечат минимальную утечку гелия, за счет которого и достигается подъем аппарата в воздух. Энергоснабжение потребителей аппарата осуществляется за счет тонкопленочных солнечных батарей мощностью 15 КВт, расположенных на поверхности корпуса. Накопление электроэнергии осуществляется в батарее литий-ионных аккумуляторов суммарной емкостью 40 КВт/ч. Движение аппарата обеспечивают электрические силовые установки мощностью по 2 КВт каждая. Интерес к машинам, не требующим дефицитных у нас дорог и аэродромов, предсказуемо проснулся и в России. Во второй половине 2014 года небольшой грант от «Сколково» получила компания «РосАэроСистемы».

      Дирижабль с уплощенной нижней поверхностью спроектирован жестким, с обшивкой типа полумонокок. Согласно расчетам, он сможет продолжать полет при боковом и встречном ветре до 30 метров в секунду (на мягком Au-30 той же компании это удавалось при ветре до 17 метров в секунду). Кроме активной балластировки при взлете, планируется использовать тягу двигателей, крутящих отклоняемые вниз винты. После взлета двигатели поднимут огромный корпус «Атланта» длиной в 75 и шириной в 30 метров, работающий как большое крыло. В крейсерском полете скорость машины планируется в 120 километров в час при грузоподъемности в 16 тонн и дальности в 4000 километров. Первый полет — в случае отсутствия срывов по финансированию — ожидается в конце 2018 года. Первый «Атлант» станет транспортником, заменой тяжелого вертолета вроде Ми-26. Уступая ему по грузоподъемности (16 против 20 тонн), дирижабль с собственной массой в 25-30 тонн способен перевозить куда большие объемы — его грузовой отсек превысит по объему 1700 кубических метров против 110 у Ми-26 и 1000 у гиганта-«Руслана». При вдвое более низкой крейсерской скорости «Атлант» доставит груз не на 475 километров, как Ми-26, а в несколько раз дальше. Если нужно сесть для приема больших грузов, дирижабль опускается на воздушную подушку, детали которой пока патентуются и поэтому не раскрываются. С ней он сядет на лед, воду и любую ровную поверхность. Для спокойной погоды размеры посадочной площадки должны быть 100 х 50 метров, а для всепогодной посадки — 225 х 90 метров. Благодаря тому, что аппарат может быть на 40 процентов тяжелее воздуха, он не станет легкой игрушкой ветра и может круглогодично базироваться на неподготовленной площадке без эллинга и причальной мачты. Без дирижаблей в России завоз тяжелого оборудования в восточную часть страны часто требует укрепления мостов, а то и прокладки новых дорог, так что на 70 процентах нашей территории они явно нужнее, чем где-либо еще в мире.

Проект многофункционального дирижабля «Русь»

        Создавая проект многофункционального дирижабля, мы попытались использовать в проекте наиболее значимые достижения отечественного и зарубежного дирижаблестроения и предложить пока неиспользуемые конструктивные элементы.

Основные элементы многофункционального дирижабля «Русь»

Основной корпус (1) с системой навигации (13), спутниковой связи (12), маршевым двигателем (6), килем (11), механизмом крепления дополнительных баллонов(2) и дополнительных двигателей(7), механизмом (3) крепления подвесных устройств (14), кабиной экипажа (4), парусами-панелями солнечных батарей(10) изготовлен из алюминия и углеродистого волокна, а его положительная плавучесть в воздухе обеспечивается  наполняемыми гелием емкостями.

        В отличие от других гибридных дирижаблей, дирижаблю  не требуется наличия крыльев, создающих при движении дополнительную подъемную силу, он поднимается в воздух только за счет подъемной силы гелия. В отличие от дирижаблей, которые поддерживают нулевую плавучесть и маневрируют только за счет пропеллеров с изменяемым углом наклона, «Русь» использует ещё систему наполняемых гелием емкостей, с помощью которой регулируется статическая подъемная сила относительно воздуха. Эта система работает точно на таких же принципах, на которых работают балластные емкости субмарин и других подводных аппаратов. Внутри жесткого корпуса дирижабля «Русь» находится несколько герметичных резервуаров, в которые накачивается гелий. Когда требуется увеличить высоту полета, негорючий гелий перекачивается через систему клапанов и трубопроводов во внутренние газовые полости, которые увеличиваются в объеме, вытесняя воздух. Это увеличивает подъемную силу, уменьшает статический вес дирижабля, что позволяет ему подниматься на большую высоту. Таким образом, регулируя давление гелия, дирижабль сможет поднимать груз, плавно опускаться и подниматься без необходимости брать или сбрасывать балластный груз. В дополнение к этому дирижабль «Русь» оборудован дополнительными боковыми секционированными баллонами(2) заполненными гелием и  пропеллерами(7) с изменяемым углом наклона, это позволит ему увеличить подъемную силу в случае необходимости и двигаться в заданном направлении с наибольшей допустимой скоростью. Конструктивным отличием от многочисленных проектов дирижаблей является использование панелей солнечных батарей (10) в качестве парусов при благоприятном попутном ветре.

       Преимущества дирижабля «Русь» очевидны. Он наиболее экономичен, используя энергию солнца и ветра. Возможно использование движения «по течению», то есть по ветру, совсем либо частично без затрат энергии. Достаточно проложить соответствующие маршруты, исходя из карты ветров. Это осуществимо, так как в этом случае мы  имеем дело с мировым воздушным океаном, во многом похожим на мировой водный океан. Аэродром для дирижабля «Русь» по размерам сопоставим с посадочной площадкой для вертолета и не требует наличия посадочных полос. Возможна беспосадочная погрузка-разгрузка транспортного средства, что для самолетов нереально. Оснащенный современными двигателями дирижабль сможет доставлять в места назначения любые крупногабаритные грузы с наименьшими экономическими затратами. Экономически целесообразно транспортировать дирижаблем космические аппараты(14, 9) для запуска из наиболее благоприятных мест атмосферы Земли или мирового океана.  Конструкционные изменения дирижабля «Русь» позволяют создать  дирижабельные платформы-аэродромы для самолетов и вертолетов, запуска челноков на околоземную орбиту. Возможно использование дирижабля как передвижной больницы, перемещающейся по труднодоступным для другого транспорта регионам России и в качестве ретранслятора, особенно в условиях Сибири и Дальнего Востока.