РАЗЛИЧНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОЛЕТА И ТИПЫ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ (часть I)

 

Монографии    Книги    Журналы

 

 

 

Современное летание основано на двух основных принципах: аэростатическом и аэродинамическом (полеты баллистических ракет и космических аппаратов в этом труде мы рассматривать не будем). Летательные аппараты, полет которых основан на аэростатическом принципе, носят наименование аэростатов и являются аппаратами легче воздуха; аэродинамические же аппараты объединяются под общим наименованием самолетов (вертолетов); в противоположность аэростатам они являются аппаратами тяжелее воздуха.

Летательные аппараты легче воздуха

Аэростатический принцип заключается в том, что подъем и поддержание над землей достигаются при помощи газа, более легкого, чем воздух. К таким газам относятся: водород, гелии, светильный газ, а также горячий воздух.

 

Нагретый воздух намного легче холодного; водород, которым чаще всего наполняются аэростаты, в 14,4 раза легче воздуха, гелий — в 7,2 раза легче воздуха. Каждый кубический метр такого газа обладает в воздухе подъемной силой, равной разности в весе газа и такого же объема воздуха. 1 м³ воздуха при температуре 0° весит 1,293 кг, такой же объем водорода—0,09 кг гелия —0,178 кг. Таким образом подъемная сила 1 м³ водорода равняется 1,2 кг (1,293 — 0,09), гелия-1,11 кг (1,293-0,178). Подъемная сила воздуха, нагретого до 100°, составляет 0,33 кг (1,293—0,96).

Каким-либо из этих газов, которые называются подъемными, наполняют непроницаемую для газа шелковую или иную матерчатую оболочку. К оболочке подвешивают особой конструкции корзину или гондолу для людей, грузов и необходимого оборудования и снаряжения.

Это сооружение, называемое аэростатом, рассчитывается таким образом, чтобы его общий вес был меньше веса воздуха, взятого в объеме, равном объему аэростата. Эта разница в весе дает ту подъемную силу, которая заставляет аэростат «всплывать» в верхние слон атмосферы.

Аэростат из нижних слоев более плотного, а следовательно, и более тяжелого воздуха вытесняется в верхние разреженные слои. Подъем его происходит до тех нор, пока он не уравновесится в воздухе. Благодаря уменьшению с высотой плотности воздуха и, следовательно, уменьшению его удельного веса разница между весом аэростата и весом воздуха, взятого в объеме, равном объему аэростата, все время уменьшается. На некоторой высоте эта разница неизбежно становится равной нулю. Там аэростат окажется в равновесии и дальнейший подъем совершенно прекратится.

the_first_aeronauts_who_rose_above_paris
Пилатр де Розье и маркиз Франсуа д’ Арланд
prof_jacques_alexander_cesar_charles
проф. Жак Александр Сезар Шарль

Принцип аэростата был известен еще тысячелетия тому назад, но первый свободный аэростат (воздушный шар) был создан братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье всего лишь в конце XVIII века. Первый официально зарегистрированный полет людей на воздушном шаре состоялся 21 ноября 1783 года. В это день в Париже на аэростате братьев Монгольфье, наполненном горячим воздухом («Монгольфьер») поднялись в воздух французы Пилатр де Розье и маркиз Франсуа д’ Арланд.

Через несколько дней, 1 декабря,  состоялся свободный полет  проф. Жака Александра Сезара Шарля со своим помощник Николя-Луи Робером на другом аэростате,

hot_air_balloon
Монгольфьер

наполненном уже легчайшим газом — водородом.
Этот аэростат, названный в честь его изобретателя «Шарльером» является прообразом современных воздушных шаров.
Существует древнерусское предание, которое говорит о том, что воздушный шар, наполненный горячим воздухом, был придуман и построен в Рязани подъячим Крякутным. Этот талантливый русский самородок совершил на нем небольшой подъем в 1735 году, т. е. почти за полвека до Пиллатра де Розье и Франсуа д’ Арланда. 

 

charlier
Шарльер

Передвижение в воздухе при помощи аэростатов  называется воздухоплаванием. Современное воздухоплавание располагает аэростатами двух основных видов: неуправляемые и управляемые. Управляемые аэростаты имеют моторы, которые позволяют передвигаться в любом направлении и с любой (ограниченной в известных пределах) скоростью.

Неуправляемые аэростаты  бывают двух видов: свободные, так называемые воздушные шары, и привязные (змейковые аэростаты).

 

Свободные аэростаты не имеют двигателя и органов управления и перемещаются в воздухе по воле ветра. Управлять ими можно только в вертикальном направлении (вверх-вниз), причем осуществляется это следующим образом.

Аеростат
Современные аэростаты

Для того, чтобы опуститься, из оболочки через специальный клапан, расположенный в ее верхней части, выпускается некоторое количество газа. В результате этого уменьшается  разница в весе аэростата и вытесняемого им объема воздуха и аэростат идет на снижение. Для подъема вверх отяжелевшего аэростата приходится выбрасывать часть так называемого балласта, который в виде мешков с песком обязательно берется для этой цели в каждый полет.

stratostat
Стратостат

Свободные аэростаты применяются в целях спорта, а так же для научных полетов, преимущественно для метеонаблюдений. Разновидностью свободных аэростатов является стратостат, применяющийся для стратосферных полетов. Стратостат представляет собой гигантский сферический аэростат с подвешенной к нему герметически закрытой гондолой для экипажа. 

 

gondola-stratostata _sssr-1_1933_god
Гондола стратостата «СССР-1». 1933 год

Вопрос о постройке аэростата для достижения больших высот в специально сконструированной замкнутой гондоле был впервые поставлен в 1911 году в Петербурге на международном конгрессе по изучению атмосферы. Тогда же был рассмотрен доклад наших русских воздухоплавателей о проекте сверхвысотного аэростата, т. е. стратостата, но тогдашними властями эта идея не была поддержана, а академия наук ассигновала на это дело …всего 160 рублей. В результате такой щедрой поддержки постройка аэростата не удалась.

Вновь эта  идея была выдвинута бельгийским ученым профессором Огюстом Пикаром через 20 лет, а уже 27 мая 1931 года он же совершил на стратостате «F. N. R. S.»  первый в истории полет в стратосферу, достигнув при этом высоты  в 16 километров. После подъема Пикара в СССР было построено два стратостата; на одном из них («СССР-1») советским стратонавтам Г. А. Прокофьеву, К. Д. Годунову и Э. К. Бирнбауму 30 сентября 1933 года удалось подняться на высоту 19 километров. На втором аэростате «ОСОАВИАХИМ», потерпевшем катастрофу 30 января 1934 года, стратонавты П. Ф. Федосеенко,  А. Б. Васенко и И. Д. Усыскин поднялись на 22 километра. 

Этот последний советский рекорд высоты подъема стратостата был перекрыт всего лишь на 66 метров американцами О. Андерсоном и А.  Стивенсоном на стратостате «Эксплорер II» 11 ноября 1935 года.

kite
Змейковый аэростат типа Како

Привязные (змейковые аэростаты) несколько отличаются от свободных аэростатов. Во-первых, они запускаются вверх на привязи точно так же, как это делают с детским воздушным змеем; Во-вторых, они имеют продолговатую форму; в третьих, они поднимаются вверх и держатся в воздухе силой не только подъемного газа, но и давления ветра на нижнюю наклонную поверхность оболочки, представляющую собой своеобразный стабилизатор. Подобно сферическому аэростату, к змейковому так же подвешена снизу корзина для экипажа.

вalloon-Kite-Parseval
Змейковый аэростат системы Парсеваль

Для привязи змейковых аэростатов обычно используется  так называемая аэролебедка, установленная на автомобиле. На барабан  этой лебедки наматывается стальной трос, один конец которого присоединен к аэростату. Трос по желанию может быть намотан на барабан или размотан, в зависимости от чего привязанный к нему аэростат притягивается к земле или поднимается в воздух. 

Змейковые аэростаты применялись во время Первой мировой войны специально для наблюдения  за неприятельскими позициями и корректирования стрельбы артиллерии. Во Вторую мировую войну аэростаты такого типа применялись в основном в ПВО в качестве аэростатов заграждения против авиации противника. В настоящее время змейковые аэростаты применяются в основном в рекламных целях.

Первый змейковый аэростат был изобретен в 1894 году Парсевалем. Затем, в 1916 году Како усовершенствовал этот тип аэростата.

Airship_designed_by_Jean-Baptiste_Marie_Meusnier_de_La_Place
Проект аэростата Минье

Управляемые аэростаты, известные более под названием дирижабли, имеют удлиненную форму и снабжены всеми органами движения и управления. На них устанавливаются один или несколько моторов с воздушными винтами, благодаря которым они могут передвигаться в горизонтальном направлении вперед и против ветра в известных пределах. В хвостовой части дирижабля имеются  вертикальные и горизонтальные рули, посредством которых они могут поворачиваться в стороны и занимать наклонное (вверх или вниз) положение при наборе высоты и снижении. Высоту полета дирижабль может менять, подобно свободному аэростату, при помощи балласта и подъемного газа.

 

aerostat-giffar
Аэростат Жиффара

 Идея управляемого аэростата по-видимому принадлежит офицеру французской службы Менье. Правда и до Минье высказывались за необходимость сделать воздушный шар управляемым. , но предложения, большинство которых сводилось к снабжению шара веслами, парусами или машущими крыльями, были столь наивны, что о них говорить не приходится. Заслуга Минье заключается в том, что он гениально предусмотрел в своем проекте  все те элементы, которые в той или иной форме сохранились и дошли до наших дней в современных управляемых аэростатах: рули, баллонеты, воздушные винты и пр. Винты по замыслу изобретателя должны были вращаться усилиями 80 человек, так как в распоряжении Минье не оказалось необходимого для этого мотора, ибо механических двигателей  в то время еще не имелось. Изобретение Минье так и осталось в проекте. И только спустя 70 лет была произведена первая удачная  попытка решения проблемы управляемости, над которой работало так много умов.

В 1854 году французский инженер Жиффар сконструировал аэростат продолговатой формы, снабдив его небольшой, им самим сконструированной паровой машиной. мощностью 3 л. с. и трехлопастным воздушным винтом.

renar-and-krebs-balloon-france
Дирижабль Ренара и Кребса «Франция»

Полет,  совершенный на этом аэростате самим Жиффаром, вышел удачным, причем аэростат показал поступательную скорость 2-3 м/сек. Это был первый аэростат, способный самостоятельно передвигаться в воздухе силой двигателя и воздушного винта, входивших в его конструкцию.
После Жиффара разными изобретателями было построено несколько аэростатов (Дюпюи де Лом, Тиссандье и др.), но все они дали результаты, практически аналогичные аэростату Жиффара. Только французам Ренауру и Кребсу удалось соорудить первый по-настоящему управляемый аэростат, снабженный рулем и электромотором, приводившем в движение воздушный винт.

При испытании 9 августа 1884 года аэростат с обоими изобретателями на борту продержался в воздухе 23 минуты и показал довольно хорошую управляемость, произведя посадку точно на месте  своего подъема. Скорость полета оказалась вдвое больше скорости жиффаровского  аэростата.

По характеру конструкции и способу сохранения неизменяемости своей формы управляемые аэростаты  разделяются на мягкие, жесткие и полужесткие. Малые управляемые аэростаты обычно строятся мягкой системы, средние — полужесткой системы и дирижабли-гиганты — жесткой системы.

Дирижабли мягкой системы характерны тем, что их оболочка лишена каких бы то не было жестких частей, могущих обеспечить им неизменяемость формы. Для этой цели внутри оболочки, наполняемой подъемным газом, имеются особые газонепроницаемые мешки — баллонеты, в которые накачивается воздух при помощи специального вентилятора. К оболочке подвешена гондола с мотором и помещением для экипажа и пассажиров. В хвостовой части имеются рули.

parserval-balon
Дирижабль Парсеваля мягкой системы

Прототипом дирижаблей мягкой системы является управляемый аэростат Парсеваля, построенный им еще в 1906 году. Продолговатый баллон этого аэростата был снабжен двумя баллонетами, наполняющимися воздухом и имевшие двойное назначение. Во первых они обеспечивали  баллону неизменяемость формы, а во вторых, при их помощи можно было наклонять аэростат в продольном направлении (наполняя баллонеты воздухом неравномерно, удавалось опускать переднюю носовую или заднюю кормовую часть дирижабля).

В дирижаблях жесткой системы внешняя форма их создается  жестким каркасом, обычно изготовляемым из легких дюралюминиевых труб и профилей, обтянутых прочной непроницаемой тканью или дюралюминиевыми листами. Каркас дирижабля делится на ряд газовых отделений (отсеков), внутри которых расположены отдельные баллонеты с подъемным газом. К жесткому каркасу жестко присоединены гондолы для экипажа, пассажиров и груза, а так-же мотогондолы; в хвостовой части закреплены вертикальные и горизонтальные рулевые поверхности. 

first-all-metal-airship-schwarz
Первый цельнометаллический дирижабль Шварца

Первые проекты  дирижаблей жесткой системы были разработаны нашими соотечественниками О. С. Костовичем (в 1879-1880 годах) и К. Э. Циолковским (в 1887 году). Но осуществить им свои идеи не удалось из-за недостатка финансирования. 

Первый жесткий дирижабль был построен Давидом Шварцем в 1897 году, но он потерпел катастрофу при первом же подъеме 3 ноября того же года. Следующий дирижабль жесткой системы был сооружен в 1900 году графом Цеппелином, которому удалось создать тип дирижабля-гиганта. 

anri_jolio_lebedt
«Лебедь» — французский дирижабль фирмы Lebaudy, первоначальное название la Russie, куплен 1909 в году. Автор проекта Анри Жюлио

Дирижабли полужесткой системы представляют собой нечто среднее между дирижаблями  мягкого и жесткого типов. Они обычно имеют мягкую оболочку с каким-то жестким органом (жесткая платформа, длинная гондола, присоединенная вплотную к оболочке и т. п.), назначением которого является обеспечение неизменяемости формы аэростата.

Первый дирижабль полужесткой системы был построен инженером Анри Жюлио  в 1902 году. Этот аэростат «Жюлио-Лебоди» и  является прототипом всех дирижаблей полужесткой системы.

Золотой век дирижаблестроения наступил в 20-30 годах  XX-го столетия. Затем их вытеснили самолеты. В настоящее время при проектировании и постройке  используются все три схемы дирижабля, хотя наиболее прогрессивной считается конструкция жесткого типа, которая позволяет строить гиганты огромной кубатуры более 250 000 м³. 

Полужесткие  дирижабли строятся в большинстве своем с кубатурой до 50 000 м³. Дирижабли мягкой схемы строятся исключительно более малой кубатуры, ибо  при больших объемах оболочки, она становится неустойчивой и подвержена различного рода деформациям в воздухе.

В настоящее время вновь возник интерес к дирижаблям. Появилось много новых материалов, способствующих созданию более безопасных конструкций.

Одно из перспективных направлений, это мягкие дирижабли (блимбы). Прочная полимерная оболочка наполняется инертным гелием. Внутри оболочки находится два или несколько баллонетов с обычным атмосферным воздухом, которые либо стравливают его, либо наполняются им, работая по принципу рыбьего пузыря и способствуя балансировке и вертикальному маневрированию современного дирижабля.

Airlander-10
Крупнейший в мире современный летательный аппарат на гелии Airlander 10 — спроектированный и изготовленный британской компанией Hybrid Air Vehicles и потерпевший крушение 18 ноября 2017 года

 

Успешный тестовый полет Airlander 10.
10.05.17

 

 

 

Монографии    Книги    Журналы

 

Author: aviatik

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *