Моторизированный аэростат

Моторизированный аэростат

Идея создание грузового дирижабля для перевозки неделимых грузов не нова. Однако до реализации этого проекта дело так и не дошло. В таежной зоне д. и вовсе не эксплуатировались. Причин для этого много. Гигантский статически неустойчивый аппарат вблизи земли ведет себя неуклюже. Для причаливания требуются сложные причальные сооружения. Разгрузка тяжелых неделимых грузов на высокой причальной мачте невозможна ввиду того, что в момент разгрузки д. должен взять на борт балласт того же веса, что и груз. Такая процедура требует времени. В этот момент д. встанет свечой. Поскольку д. заходит на посадку по пологой траектории, использование низких причальных мачт требует проведения громадных вырубок леса вокруг. Вертикальная посадка д. с управляемым вектором тяги на лесные поляны требует идеальных погодных условий и мастерства пилота. Одним словом, использование д. для перевозки грузов в таежной зоне требует проведения дорогостоящих и длительных работ по строительству причальных сооружений, в то время, как д. будет эффективен лишь на линиях малой напряженности, в малоосвоенной местности. В этих условиях спрос на грузоперевозки д. будет во многом определяться стоимостью и сложностью причальных сооружений.

Исходя из вышесказанного, грузовой д. в условиях тайги должен удовлетворять следующим требованиям:

Причальные сооружения должны быть настолько просты, что их сооружение могло ограничиться двумя летними месяцами. Все комплектующие должны доставляться вертолетом;

Взлет и посадка должны осуществляться вертикально, чтобы ограничиться минимальной площадью вырубки леса;

Фиксация аппарата над поляной при взлете и посадке должна производиться с помощью наземных средств;

На взлете и посадке аппарат должен вести себя устойчиво;

При посадке аппарат должен контактировать с землей, чтобы сначала забрать балласт, а затем произвести разгрузку.

Данным условиям более всего отвечают моторизированные аэростаты. Такие аппараты использовались во время войны в качестве аэростатов заграждения. Имея собственный двигатель, они могли самостоятельно менять позиции без участия наземной команды. Однако, эта схема дальнейшего развития не получила. Для транспортировки неделимых грузов, а в дальнейшем и для использования в качестве крана, аппарат, который летает как дирижабль, а взлетает и садится, как змейковый аэростат, наиболее пригоден.

Такому аппарату не нужна причальная мачта. Он может приземляться на лесные поляны всего вдвое больше его длины, так как взлет и посадка осуществляется вертикально. Взлет и посадка на привязном канате позволит существенно сузить ограничения по погоде.

Причальное сооружение будет состоять из лебедки, ловителей, резервуара с водой (балластом), помпы и небольшой бетонированной площадки.

Облик современного грузового моторизированного аэростата должен существенно измениться по сравнению с прежним по ряду причин:

В силу того, что грузовому аэростату потребуется большая скорость полета, такая же, как у дирижабля, форма аппарата должна быть более обтекаема.

В силу того, что грузовой аппарат в любом случае будет иметь большую метацентрическую высоту, трансформацию д. в привязной аэростат невозможно будет произвести за счет изменения угла атаки корпуса. Такому аппарату, для создания змейкового эффекта нужны цельноповоротные плоскости, размещенные над точкой крепления привязного каната.

Гигантское оперение аэростата будет мешать при посадке на грунт и при хранении в эллинге. Оперение должно быть легким, компактным и не выходить за габариты корпуса, но обеспечивать устойчивость в режиме висения на привязи.

Попытки совместить преимущества змейкового аэростата и дирижабля долго не давали плодов, но пару лет назад пришла в голову идея кольцевого оперения, стал вырисовываться облик аппарата.

Предлагаю на суд сообщества воздухоплавателей свою схему грузового моторизированного аэростата.

Основным отличием предлагаемой конструкции является компактное оперение, обеспечивающее статическую устойчивость аппарата на привязи. Оперение выполнено в виде шестигранника, где шесть радиально расположенных на цельнометаллической бобышке планов по периметру связаны шестью периферийными планами, что придает конструкции жесткость и снижает изгибающие и крутящие моменты в планах.

Несмотря на малые габариты относительная площадь выбранного оперения – 0,4. Эффективность, по моим расчетам, втрое выше в сравнении с обычными гребнями. Эффективность оперения увеличивается за счет увеличения плеча, увеличения удлинения планов, вынесения периферийных планов за пределы пограничного слоя.

Однако, эти выводы справедливы лишь на малых углах атаки, примерно, до 50 . Далее эффективность оперения будет падать за счет затенения планов друг другом и за счет срыва потока на корпусе, в то время, как у обычного оперения только растет. Поскольку для создания подъемной силы используется цельноповоротное крыло, то во всех штатных режимах угол атаки не должен превышать 50. Другое дело – порывы.

Строгий расчет Су и Сх подобного оперения оказался слишком сложным из-за отсутствия аналогов. Поэтому использовал простой прием, если не знаешь закон распределения циркуляции - выбирай эллиптический закон. Интерференцию между корпусом и оперением так же удалось оценить только при нулевом угле атаки.

Чтобы не ошибиться построил модель и испытал в потоке воды с разными типами оперения. Никаких измерений, конечно, не проводилось, а об эффективности судил по устойчивости движения. Модель с шестигранным оперением, удлинением плана 3,5 и площадью оперения на 20% больше, чем модель с Y-образным оперением и таким же удлинением плана, вела себя точно так же, что соответствовало расчету.

Оперение подобного типа уже использовалось на первых Цеппелинах, но было отвергнуто из-за большого сопротивления и малой эффективности. Виной всему было слишком малое удлинение плана. При проектировании возникает соблазн, уменьшить удлинение плана, что делает оперение более компактным и легким, но бесконечно уменьшать удлинение плана нельзя.

Всех, кого заинтересует это оперение - советую обратить внимание на необходимость определения оптимального удлинения плана, исходя из минимального веса конструкции.

Вес такого оперения будет мал по сравнению с Y образным ввиду того, что оперение образует жесткую коробку. Изгибающий момент в каждом плане уменьшается в 5 раз, а момент кручения в два раза по сравнению с таким же планом закрепленным консольно. По форме и размерам план приближен к консоли самолетного крыла, методика расчета которого разработана очень основательно. За счет этого так же будет экономия веса. Тестовый расчет на модели аэростата 60000м3 удлинением корпуса 3,9 показал, что оперение вместе с цельнометаллической бобышкой будет весить 4т, в то время как у Y-образного оперения с удлинением плана 3,5 – 8т. Расчет велся по Су мах, V - 36м/сек, f - 1.5. Порывы ветра, способные вывести один или несколько планов на критический угол атаки в полете на максимальной скорости будут встречаться примерно с периодичностью – один порыв на 5000км. В такие моменты усилие, действующее на оперение, может достигать 30т. Данное оперение при относительно небольшом весе способно выдержать такие нагрузки.

Усилия от веса оперения, аэродинамические силы, действующие на оперение, полностью сосредоточены в самой крайней точке корпуса. Это приводит к появлению в хвостовой части корпуса значительных перерезывающих сил и изгибающих моментов. Для крепления оперения к корпусу мягкой конструкции служит хвостовое усиление.

Хвостовое усиление корпуса выполнено в виде конуса ферменной конструкции передающего усилие от оперения на баллон с подъемным газом. Внутри фермы расположен баллонет с подъемным газом. Однако, подъемная сила баллонета не может полностью компенсировать вес оперения и хвостового усиления. Таким образом, оперение в основном поддерживается за счет избыточного давления газа в баллоне. В баллоне постоянно поддерживается сверхдавление 80 кг/м

Данная конструкция хвостового усиления способна выдержать любые порывы ветра при скорости набегающего потока до 14м/сек. При большей скорости набегающего потока давление фермы на баллон от действия порыва превысит давление газа в баллоне. Произойдет потеря устойчивости баллона – хвостовая часть повернется в направлении порыва. Если оперение несколько сдвинуть вперед (на 5м) и увеличить полноту хвостовой части, то скорость уверенного полета увеличится до 20 – 25м/сек. Более высокую скорость следует использовать лишь для ухода от непогоды. Я думаю, что ничего страшного не произойдет, если в этом случае от порыва ветра корабль вильнет хвостом. Важно спроектировать хвостовое усиление так, чтобы конструкция при этом не разрушилась.

Форма оперения может быть и другой, например, в виде восьмиугольника. При этом важно не частить, а следить чтобы взаимная интерференция планов не уничтожила эффект от увеличения площади. Оперение может быть в виде кольца. Радиальные планы можно заменить стойками.

Другим отличием аппарата является цельноповоротное крыло для создания змейкового эффекта.

Цельноповоротное крыло такому аппарату необходимо для быстрой трансформации дирижабля в аэростат. Змейковый эффект обеспечивается почти исключительно за счет крыла, повернутого на 10 градусов. В полете крыло устанавливается под нулевым углом. Расчет показал, что мощная статическая пара не позволяет аэростату на привязи развернуться относительно потока на необходимый угол атаки.

Данный аппарат произведет посадку с нулевым дифферентом на корму.

У цельноповоротного крыла может быть и другое назначение. Если таким крылом компенсировать приращение подъемной силы, полученное за счет отклонения рулей высоты, то инверсионная критическая скорость аппарата будет равна нулю, что упростит управление и расширит пределы аэродинамического управления полетом. Цельноповоротное крыло можно применить для быстрого набора высоты.

Данная схема применима и к обычным аэростатам. В этом случае периферийные планы можно заменить обычным полотнищем, натянутым на радиальные планы.

Подобный аэростат можно преобразовать в кран, правда, для этого нужно провести сложные такелажные работы. Для того, чтобы зафиксировать аэростат на месте, нужно сбросить три привязных каната, так чтобы они образовали пирамиду с углом ребра 45 . Затем нужно сбросить балласт и кран готов. Манипуляции с передвижением груза можно производить с помощью наземных лебедок, подтягивая или отпуская привязные канаты. После окончания работ нужно вновь заправить аппарат балластом, подтянув к земле за один из канатов. Можно использовать твердый балласт в корзине. Поскольку точка крепления канатов к аппарату должна находиться под центром тяжести, то площадь оперения такого аппарата должна быть увеличена.

Возможно, данная схема заинтересует проектные организации. Меня интересует мнение компетентных товарищей.

Проверить работоспособность схемы можно на небольшом привязнике.

инженер

г. В. Салда

22.03.2009

Часть 2

Поскольку возникли вопросы, я попытаюсь кратко обосновать необходимость введения в конструкцию моторизированного аэростата передних поворотных плоскостей (передних рулей) и необходимость увеличения эффективности хвостового оперения.

Основы теории полета дирижаблей изложены в работе «Теория полета дирижабля» Москва 2007г. Все ссылки в дальнейшем будут даны на эту работу.

Представим формулу vδ = [2qhm/( mzα - mzδCyα/Cyδ)]0.5 [3.14] в виде:

vδ = [2qhmCyα/( mzα /Cyα - mzδ/Cyδ)]0.5 = [2qhmCyα/( xα прив. - xδ прив.)]0.5

Инверсионная скорость по отклонению рулей бесконечности vδ = ∞ при xα = xδ

Фокусы по углу атаки и по углу отклонения рулей высоты должны совпадать. То есть, рули высоты располагаются в фокусе д. по углу атаки. Такое расположение рулей делает угол пути уравновешенного дирижабля равным углу атаки, который не зависит от скорости. В этом случае угол пути ψ = δ*Сyδ/Cyα не зависит от скорости аппарата. На дирижаблях носовыми рулями можно пользоваться на сколь угодно малых скоростях, но угол пути получается небольшим, порядка 20 при δн. р. = 100. Надо отметить, что формула [3.14] справедлива для д. с неуправляемым вектором тяги, статически уравновешенного и статически сбалансированного аппарата. Реально, аппарат с помощью изменения вектора тяги, сброса балласта, перекачки воздуха из переднего баллонета в задний увеличить угол пути на взлете. При посадке угол пути д. увеличивать не желательно.

Формулу 3.14 можно представить в другом виде:

vδ = [2qhmCyδ/(mzα Cyδ - mzδCyα)]0.5

Из формулы следует, что инверсионная скорость д. по отклонению рулей будет равна нулю при Cyδ = 0.

Это произойдет, если приращение угла атаки от отклонения кормовых рулей компенсируется отклонением носовых рулей. Получается «чистый» момент от отклонения рулей. В этом случае угол атаки не зависит от отклонения рулей, а зависит только от балансировки, но угол пути зависит от скорости.

Введение носовых рулей, расположенных в фокусе, не повлияет на устойчивость д. Управление д. упрощается так как ликвидируется зона динамически неуправляемого полета. Угол атаки уравновешенного д. будет равен постоянной величине, близкой к нулю. что снижает нагрузки на корпус. Появляется возможность динамического управления Д. на сверхмалых скоростях без поворота вектора тяги.

Следующий вывод следует из уравнения δCyδ + αCyα + 2Φ/ρv2U2/3 = 0 [1 4.5]. Или Φ = (-δCyδ - αCyα)ρv2U2/3/2. Измеряя угол атаки, угол отклонения рулей, скоростной напор в установившемся полете, мы можем вычислить всплывную силу и вовремя откорректировать её. Конечно, в схему прибора необходимо будет включить датчики нормальных и центробежных ускорений, которые бы вводили корректирующие поправки в неустановившемся полете. Управление всплывной силой, на мой взгляд, должно сводиться к уравновешиванию д. в полете. Статически уравновешенный д. имеет наибольшие запасы по устойчивости и управляемости. Кроме того, аэродинамические нагрузки на него минимальны.

Следующий вывод следует из уравнения vα = (2ghm/mzα) [4.8]. vα = ∞ при mzα ≤ 0. Статическая устойчивость определяется по самолетному. То есть фокус аппарата должен находиться позади центра тяжести. На практике так не делают из-за громоздкости и большого веса оперения. Площадь горизонтального оперения следует выбирать из условия vα = vкрейсерское. В этом случае дирижабль будет статически устойчив по тангажу на основных режимах полета. На крейсерской скорости д. будет безразличен к изменению всплывной силы, что удобно, так как не требует постоянного её контроля.

Кроме того, надо отметить, что современные подводные лодки снабжены носовыми и кормовыми горизонтальными рулями. Механика подводной лодки точно такая же, как и у дирижабля. Рули, установленные на носу подводной лодки делаются убирающимися, так как ухудшают устойчивость на больших скоростях и мешают работе локатора. Неубирающиеся рули устанавливаются на рубке лодки. По площади рубочные рули больше носовых, так как плечо между оперением и рулем меньше.

Разработанный мною аппарат должен работать как в режиме дирижабля, так и в режиме привязного аэростата.

Классический привязной аэростат представляет собой систему, состоящую из сигарообразного баллона, заполненный подъемным газом, снабженного горизонтальным и вертикальным оперением и привязного каната, подвешенного к баллону с помощью оттяжек, закрепленных в передней и задней частях баллона. Угол наклона привязного каната к горизонту должен составлять 600 при любом ветре. Постоянный угол наклона каната обеспечивается змейковым эффектом привязника. Регулировка угла наклона п. к. производится перемещением точки крепления п. к. вдоль корпуса путем изменения длины оттяжек п. к. Угол атаки аэростата выбирается так, чтобы аэродинамическое качество аэростата было равно 2 м. Он равен примерно 100. Образующая п. к. при этом должна проходить через фокус п. а. в вертикальной плоскости. Фокус аппарата в горизонтальной плоскости несколько ближе к корме. Для этого в. о. делается большей площади, чем г. о. Всплывная сила п. а. обычно выбирается равной 10% от полной подъемной силы газа.

В нашем случае точка крепления п. к. к гондоле определена из конструктивных соображений, и регулировать аэростат путем перемещения точки крепления невозможно. Кроме того, данный аппарат обладает мощной статической парой, которой нет у классического аэростата. Эта пара не позволит развернуть баллон на достаточный угол для создания необходимого змейкового эффекта. По расчетам, угол наклона привязного каната аэростата без включения в работу передних рулей будет не более 450, а должно быть 600. Эту прибавку и дают передние рули, повернутые на 100 к потоку. Угол атаки д. при этом будет 0,30. При таком угле атаки Cx = Cx0. а 85% аэродинамической подъемной силы будет создаваться передними рулями. Кроме того, с помощью передних рулей можно будет отрегулировать угол наклона п. к., не прибегая к перемещению точки крепления.

Иные считают, что для повышения змейкового эффекта можно воспользоваться кормовыми рулями. Однако, эффективность кормовых рулей зависит от скорости набегающего потока, а эффективность п. р., расположенных в фокусе не зависит. Кроме того, при использовании к. р., будет присутствовать тот же эффект инверсии. При малой скорости ветра аппарат будет прижиматься к земле, при большой – подниматься. На околоинверсионных скоростях аппарат будет безразличен к отклонению рулей.

Другие считают, что есть поворотная двигательная установка – и достаточно. Использовать поворотную двигательную установку в режиме висения на привязи нежелательно. Поскольку д. наиболее уязвим на земле, то в режиме привязного аэростата аппарат должен находиться до поступления благоприятного прогноза для посадки. Это может занять довольно большой промежуток времени, что приведет к перерасходу топлива.

Статью я написал год назад. За это время появились новые данные, провел эксперименты на моделях водном потоке. Представление об аппарате несколько изменилось.

В статье я указал длину привязного каната 150 метров. Это неверно. Безопасная высота висения п. а. над уровнем леса – 300 м. На такой высоте турбулентность от трения воздушного потока о поверхность земли незначительна. На меньшей высоте возможны обратные порывы и другие неприятные явления. Высота деревьев 20 метров. При наклоне п. к. 600 длина п. к. составит 370 м.

Носовые рули надо делать площадью раза в два побольше, а угол установки поменьше. В турбулентном потоке всегда есть порывы, которые выведут к срыву потока – модель клюет носом.

Корпус модели У-3 слишком утонен в хвостовой части и ослаблен. Лучше взять модель «Кокс» с миделем 35%.

Хвостовое оперение в этом случае будет восьмигранным. Восьмигранник необходимо дополнить четырьмя форкилями для улучшения устойчивости на больших углах. Восьмигранник с прямыми планами будет работать на углах атаки до 150, затем произойдет срыв. Гребневидные форкили начинают работать с пяти градусов, и при 250 срыва не происходит.

Хвостовое усиление в этом случае будет обычной конструкции. Наибольшие нагрузки корпус будет испытывать в хвостовой части.

Проверка показала, что модель с таким оперением ведет себя прекрасно в потоке воды глубиной 0,5 метра, и скоростью 2 м/сек. Оперение не выходит за габариты корпуса, что очень важно при хранении д. в эллинге, так как габариты эллинга ограничены. Это сооружение должно выдерживать большие ветровые нагрузки, кроме того, эллинг и без того громоздкое и дорогое сооружение. Поэтому эллинги всегда делали «впритык» к дирижаблю.

Зачем всё это нужно?

Причаливание на высоте 300 метров возможно провести в неблагоприятных погодных условиях для посадки, отстояться до наступления благоприятных условий и приземлиться. Если нам нужно доставить небольшой груз, менее 1% от массы д., его можно просто спустить вниз на лебедке по п. к. без приземления, а обратно забрать балласт. Таким образом, мы можем повысить всепогодность д., которая в настоящий момент оставляет желать лучшего.

Хранение д. вне эллинга будет более надежным, чем на низкой причальной мачте, а наземные сооружения более дешевыми.

инженер

г. В. Салда

16.04.2010