Новости

Дирижаблестроение - одна из сфер научных интересов Академии наук авиации и воздухоплавания.

В свете интересов к дирижаблям, проявленных со стороны государственных структур, публикуем аналитическую статью начальника научно-исследовательского отдела АО «ДКБА», кандидата технических наук В.А. Ворогушина.

Аргументы критиков дирижаблей и современные решения в дирижаблестроении.

АННОТАЦИЯ:

Рассмотрены основные вопросы связанные с критикой оппонентами недостатков дирижаблей классического типа. Показано, как эти недостатки устраняются в вертостате продольной схемы комплекса ДМТС в части достижения высокой маневренности и управляемости, предотвращения обледенения в полете и на стоянке, при обслуживании и хранении на земле. Обращено внимание на важные позиции, характеризующие инновационный характер разработанных решений.

В заключении дана оценка общей безопасности эксплуатации комплекса ДМТС в свете присущих ему свойств. Отмечено принципиальное отличие в возможностях безопасного завершения полета при полном отказе силовой установки.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

Дирижабль, вертостат, дирижабельная модульная транспортная система, ДМТС, маневренность, управляемость, обледенение, винтомоторная установка, ВМУ, оболочка, несущий газ.

Введение

В общественном мнении и, главное, в среде чиновников, имеющих отношение к принятию государственных решений в области развития воздушного транспорта, сложилось предвзятое отношение к дирижаблям. Отчасти это вызвано авариями и катастрофами 30-х годов прошлого века, когда подобная техника была несовершенной. Тогда и самолеты не отличались высокой надежностью. Катастрофы следовали одна за другой, но несмотря на это шло их активное развитие, потому что рост скоростей и высот был остро востребован. О способах доставки тяжелых крупногабаритных грузов по воздуху в те годы особенно не задумывались. Не было крайней потребности, а уровень мощности авиационных двигателей не позволял успешно решать такие задачи. Позже акцент критиков сместился к типичным недостаткам дирижаблей, которые казалось невозможно преодолеть – чувствительность к ветру и погоде, плохая управляемость, дорогая инфраструктура. Здесь на примере вертостата оригинальной схемы мы покажем, что многие прежние представления о дирижаблях устарели и нуждаются в пересмотре.

Общий вид современного вертостата полужесткого типа приведен на рисунке заставки статьи. Его основное отличие от известных проектов – продольное (тандемное) расположение вертолетных соосных винтомоторных установок (ВМУ) на выносных пилонах и свободные от выступающих элементов боковые поверхности несущей оболочки. Такое, на первый взгляд очень простое, решение определяет ряд связанных конструктивно-эксплуатационных преимуществ перспективной дирижабельной модульной транспортной системы (ДМТС). О них ниже.

1. Краткая характеристика современного этапа развития дирижаблестроения

Проекты транспортных дирижаблей большой и сверхбольшой грузоподъемности имеются и продолжают появляться во многих странах мира: Англии (семейство АЛА Sky Cat фирмы ATG), Германии (ZET фирмы Zeppelin), США (AEROS фирмы Lockheed Martin).

Основная тенденция развития современного грузового дирижаблестроения – постепенный переход на дирижабли гибридных схем, которые устраняют многие проблемы, характерные для классических дирижаблей, и открывают перспективу расширения их применения в транспортной и хозяйственной сфере, особенно в удаленных районах Крайнего Севера, Сибири и Арктического шельфа России, где отсутствует наземная инфраструктура (заболоченная и гористая местность, тундра, территории без постоянных дорог и транспортных связей с промышленно развитыми районами страны). Сюда входят и задачи обеспечения космической деятельности космодрома «Восточный», который в северном направлении окружают протяженные малообжитые и трудно проходимые территории, а в северо-восточном - обширные водные пространства Тихого океана.

В гибридных схемах конструкция дирижабля дополняется силовыми установками (СУ) с несущими винтами (НВ) большой тяги, которые упрощают балластировку аппарата, увеличивают общую грузоподъемность и обеспечивают хорошую управляемость в полете, в том числе на самых ответственных взлетно-посадочных режимах. Такие дирижабли принято называть вертостатами, подчеркивая их принципиальную разницу с дирижаблями классического типа.

2. Маневренность и управляемость

Критиками наиболее часто отмечается плохая управляемость и маневренность дирижаблей, сложность приземления, чувствительность к ветру. Да, действительно, дирижабль классической схемы, например с двумя маршевыми двигателями, расположенными по боковым сторонам подвесной гондолы (Рис.1а) имеет небольшое плечо момента Мк относительно оси аппарата. При этом даже максимальной тяги двигателя часто не хватает, чтобы парировать встречающиеся в эксплуатации приземные боковые ветры. К тому же, присутствует эффект скольжения от вектора тяги двигателя, дополнительно затрудняющий маневрирование. Из-за этого серьезно осложняется посадка. С тяжелым грузом на борту она становится опасной как для экипажа, так и для многочисленной стартовой команды, обеспечивающей посадочный подхват. Аналогичная ситуация возникает при отказе одного из двигателей, если между ними отсутствует синхронизирующий вал.

Совершенно другая ситуация у вертостата продольной схемы (Рис.1б). Момент управления Мв образуется на максимальном плече Lв, равном расстоянию между осями вращения винтомоторных установок (ВМУ). Это плечо в 20-22 раза превосходит плечо Lк (Рис.1а). Следовательно, для получения равного управляющего момента Mк=Mв, требуется создать в 20-22 раза меньшую боковую пропульсивную силу при полном отсутствии эффекта скольжения. К этому добавляется возможность разворота вертостата над точкой висения на 3600, а также полет не только вперед, но и назад или боком. То же самое вертостат способен выполнять двигаясь по перрону аэродрома или на взлетно-посадочном круге. После посадки он может самостоятельно зарулить на стоянку и даже, при необходимости, в помещение эллинга. Налицо качественное улучшение маневренности, позволяющее также с высокой точностью выполнять крановые операции, с интервалом отклонений над точкой в пределах ±15 см при встречном ветре до 25 м/с.

У данного вертостата вертолетные ВМУ создают 36-42% подъемной силы. Поэтому ему необходим примерно в 2,4 раза меньший объем несущей оболочки. Как следствие, парусность уменьшается в 1,7 раза, что в сочетании с высокой энерговооруженностью кратно улучшает устойчивость к ветровым возмущениям на взлетно-посадочных режимах.

Для полета без груза необходимость в балластировке практически исчезает, т.к. изменения в полезной нагрузке компенсируются изменением величины вертикальной тяги ВМУ. Для увеличения пропульсивной силы тяги может потребоваться балластная дозаправка топливом.

Рис. 1 - Сравнение плеч и величины управляющих сил при равных моментах управления

Улучшается управляемость в крейсерском полете. Если классическому дирижаблю, горизонтальный и вертикальный маневр обеспечивает управление рулями хвостового оперения и для компенсации бокового отклонения от траектории полета требуется активное маневрирование на дистанции до 10 длин оболочки, чтобы вернуться на заданную линию пути, то вертостат, управляемый передней ВМУ, выполняет эту операцию немедленно на величину возникшего отклонения. Задняя ВМУ также способна выполнять функции управления в паре с передней ВМУ или отдельно. С учетом возможностей хвостового оперения без усложнения конструкции получаем три надежных независимых канала управления взлетом, полетом и посадкой.

3. Предотвращение обледенения в полете

По опыту эксплуатации дирижаблей в средних широтах вплоть до перехода к границе Севера условия обледенения не оказывают существенного влияния на возможность совершения полетов и их продолжительность. Это подтвердили и специальные довольно жесткие испытания в США, проведенные еще в 50-х годах прошлого столетия. Однако, в северных широтах России, где наблюдаются наиболее суровые погодные условия с низкими температурами, высокой влажностью и обильными осадками, эффективная бортовая система предотвращения обледенения необходима и является обязательной.

У классического дирижабля вариантов немного. Мощности силовой установки не хватает, чтобы организовать тепловыделяющие поверхности большой площади.

Вертостат с продольной схемой ВМУ обладает высокой энерговооруженностью и методы защиты от обледенения в полете у него могут быть разнообразными (Рис.2). Вертолетные ВМУ имеют свои штатные противообледенительные системы. Они эффективны и их пока можно не обсуждать В числе способов защиты оболочки выделяются пять основных вариантов.

Вариант первый: Самый простой. Действует в полете постоянно независимо от погодных условий и работает автоматически в силу продольной компоновки ВМУ на выносных пилонах. Горячие выхлопные газы (200-3000С) двух передних газотурбинных двигателей (ГТД) выходя из выхлопных устройств размываются скошенной струей от несущих винтов и поднимаясь омывают значительную площадь средней и задней части поверхности оболочки и оперения, предотвращая образование и налипание частиц льда (Рис.2). Носовая часть оболочки при этом не защищена, а тепло выхлопных газов ГТД хвостовой ВМУ безвозвратно теряется. Недостаток этого варианта в том, что боковые поверхности оболочки постепенно загрязняются сажевыми частицами и периодически оболочку надо подвергать трудоемким моечным операциям специальными растворами. Если работа ГТД переведена с керосина на метан, недостаток устраняется.

Вариант второй: С целью защиты носовой части оболочки в условиях обледенения в гондоле передней ВМУ сверху устанавливается инфракрасный (ИК) излучатель. Его тепловой поток удельной мощностью не менее 150 Ват/м2 направляется в центр носового усиления (Рис.2).

Рис. 2 - Тепловые потоки от выхлопной системы двигателей и инфракрасного излучателя

Известно, что инфракрасное излучение без потерь проходит через воздух и непосредственно нагревает саму поверхность, на которую падают его лучи. В нашем случае тепловое пятно образуется в центре носовой поверхности, где вероятность образования и налипания ледяных частиц наиболее высока. От теплового пятна нагреваются смежные участки носовой поверхности и от них повышается температура пограничного слоя обтекающего оболочку. В результате тепло разносится по наиболее уязвимой части носовой поверхности, защищая ее от обледенения. Недостатком этого варианта является снижение прозрачности воздушного слоя между ИК излучателем и носовой поверхностью при полете в облаках. Увеличение мощности излучения может частично компенсировать этот недостаток. Некоторый положительный эффект, вероятно, будет иметь место в передаче доли энергии частицам протекающей облачной массы. Вопрос требует экспериментальной проверки. ИК излучатели могут быть подвешены внутри оболочки в гелиевой среде или в выделенном воздушном объеме вблизи носовой части. В этом положении их работа более эффективна, но доступ затруднен.

Вариант третий: Располагаемая электрическая мощность генераторов 2-х ВМУ и 2-х ВСУ позволяет реализовать электротепловой способ нагрева носовой части путем встраивания тепловых элементов в конструкцию носового усиления. Недостатком этого способе являются ограничения по температуре. Материал оболочки, непосредственно контактирующий с нагревательными элементами нельзя длительно нагревать выше 800С. Материал по сварным швам теряет прочность, что может привести к разрыву оболочки от внутреннего давления. Прилегающие площади при в этом варианте прогреваться слабо и эффективность защиты существенно снижается. Решением проблемы может быть покрытие носовой части «шапкой» токопроводящего термоматериала.

Вариант четвертый: Выхлопные газы передних и задних ГТД направляются в теплообменники, где отдают часть тепла проточному воздуху, питающему воздушный баллонет вертостата. В нем тепло частично передается несущему газу, а от него прогревается поверхность оболочки. Это самый громоздкий и тяжелый вариант. Он должен работать постоянно и обязательно в паре с ИК излучателем, т.к. зона носового усиления требует более высокой температуры прогрева. Кроме того керосиновые ГТД загрязняют ячейки теплообменника сажей, снижающей его КПД теплопередачи. Очистка ячеек от сажи весьма трудоемкий процесс.

Вариант пятый: Наиболее перспективный. Он возможен, если работа всех ГТД будет переведена на метан. Сгорание метана не дает сажевых отложений. Поэтому выхлопные газы передней и хвостовой ВМУ напрямую через регулируемые эжекторы могут направляться в объем воздушного баллонета, где тепло отдается несущему газу и оболочке через систему каналов. Так как источники тепла мощные и производительные (по газу до 30 кг/с) в условиях крейсерского полета полная смена воздуха выхлопными газами двух ВМУ происходит за время 4-5 мин и далее за счет нагрева и расширения несущего газа в объем баллонента обмен остывающего газа на нагретый ускоряется. Вместе с несущим газом повышается температура всей оболочки, предотвращая ее обледенение. Одновременно увеличивается аэростатическая подъемная сила, что позволяет осуществлять полет с меньшей нагрузкой на ВМУ и с более низким километровым расходом топлива. Увеличивается дальность беспосадочного полета за счет роста эффективности использования теплового содержания топлива. Регулируемые эжекторы необходимы для управления режимами прогрева объема оболочки путем изменения соотношения между воздухом и газом, направляемыми в баллонет.

О методе предотвращении обледенения и скопления снега на земле поговорим после рассмотрения особенностей базирования аппаратов ДМТС на земле.

4. Обслуживание и хранение на земле

Классическому дирижаблю для кратковременного хранения нужна причальная мачта, а для буксирования - передвижная причальная мачта на автомобильном шасси. Длительное хранение аппаратов осуществляется в эллинге. Соответственно, объемов эллингов должно хватать на помещение всего приписного парка дирижаблей. Группа крупных эллингов является одной из самых больших статей капитальных затрат на наземную инфраструктуру дирижаблей.

Концепция обслуживания и хранения на земле аппаратов ДМТС предполагает их стоянку в окружении секций передвижных доков (Рис.3). Доки фиксируются наземными анкерными узлами, имеют сплошную вертикальную стенку, поворотную поверхность и поворотные лопатки, отклоняющие боковой ветер вверх на обтекание оболочки (Рис.3а). Одним комплектом доков можно обеспечить стоянку групповых или сведенных одиночных аппаратов ДМТС (рис.3б).

Рис. 3 – Базирование вертостатов на стоянках существующих аэропортов в окружении доков

На объединенной стоянке круглый год проводятся работы по обслуживанию, диагностике, замене агрегатов, мелкому ремонту и заправке вертостатов топливом и маслом.

Для выпуска снаряженного и заправленного вертостата в полет производится отвод секций доков ближайшей стороны на безопасное расстояние. Аппарат выводится из стоянки буксиром к месту запуска двигателей или непосредственно на круг взлета. После этого оставшиеся аппараты смыкаются и фиксируются доками в новом положении.

Стоянки вертостатов и взлетно-посадочный круг в базовом аэропорту организуются в стороне от самолетного перрона и ВПП. Необходим только один эллинг для наиболее трудоемких работ, например, замена оболочки, покраска, ремонт килевой фермы или пилонов ВМУ в сложных случаях и т.п. Существующие самолетные ангары аэропортов, к сожалению, для вертостатов не подходят из-за ограниченной высоты и малого размера глубины.

Постройка одного эллинга ограниченных размеров себя оправдывает. Во-первых, потому, что в нем можно обслуживать базовые самолеты и вертолеты, когда он свободен. Во-вторых, эллинг своей наружной стеной может заменить половину комплекта подвижных доков (Рис.4). Кажется парадоксом, но на поверку получается, что 4 модуля А ДМТС грузоподъемностью 30 тонн вместе с эллингом в поперечном направлении будут занимать 150 м участка аэродромной поверхности, что в сумме эквивалентно трем поперечным размерам стоянок самолета МС-21-310 грузоподъемностью 21,3 тонны с добавкой размера самолетного ангара. В продольном направлении размер объединенной стоянки модулей ДМТС в 2,5 раза больше типовых самолетных стоянок. С этим приходиться считаться.

Для объединенной стоянки может использоваться и вторая наружная стена эллинга (Рис.4). В итоге получается компактный защищенный от ветра инфраструктурный объект зоны аэропорта с приемлемым объемом капитальных затрат на обустройство.

Справедливо отметить, что и классические дирижабли со свободными от выступающих элементов боковыми поверхностями тоже могут использовать стоянки в окружении передвижных доков со всеми описанными особенностями.

Рис.4 – Пример объединенной стоянки вертостатов с использованием наружной стены эллинга

В аэропортах промежуточных посадок на дозаправку передвижных доков не будет. Поэтому там вертостат на время стоянки без груза швартуется к подвижному анкерному узлу массивного буксируемого блока. Швартовка осуществляется с помощью 4-х бортовых электротельферов из комплекта грузовой зоны вертостата, которые экипаж фиксирует снизу на рельсах в таком положении, чтобы центр тяжести аппарата находился за центром швартовочного зацепления. Это позволяет обеспечить постоянное ориентирование вертостата по направлению ветра.

Стоянка с грузом в аэропорту имеет отличия. Посадка вертостата выполняется против ветра на опорные узлы самого груза, который будет иметь массу в пределах 20-35 тонн.

При «жестком» подвесе груза в грузовой зоне вертостат фиксируется на стоянке массой груза. При смене ветровой обстановки, экипаж может выполнить отрыв модуля А от поверхности с разворотом по новому направлению ветра, уменьшив боковую нагрузку на корпус.

При «мягком» подвесе (на системе тросов) посадка также производится против ветра на опоры груза. Далее экипаж, используя реверсную тягу ВМУ снижается к уровню груза с высоты размера несущих тросов. Наземный техник подцепляет к грузу троса электротельферов и после их натяжения вертостат остается пришвартованным к грузу. В этом положении выполняется дозаправка топливом. Действия при вылете выполняются в обратном порядке.

5. Предотвращение обледенения на земле

Классические дирижабли от обледенения и снеговых осадков на земле спасают эллинги. В пунктах доставки грузов эллинги отсутствуют и проблема обостряется. Необходимая бортовая тепловая мощность отсутствует.

Вертостат продольной схемы, обладая высокой энеговооруженностью, располагает значительной тепловой мощностью в виде тепла выхлопных газов 4-х ГТД и суммарной электрической мощности генераторов 2-х ВМУ и 2-х ВСУ. Предполагается, что физическое тепло выхлопных устройств двигателей будет использовано в системе регулирования температуры подъемного газа в полете. С одной стороны, для уменьшения нагрузки на ВМУ и противодействия обледенению на маршруте, с другой - для предотвращения обледенения и накопления снеговых осадков в пункте доставки груза. Иначе говоря, вертостат будет садиться с уже прогретым несущим газом в оболочке. Это может происходить, в том числе, при сильном снегопаде. Образование снежного покрова и тем более ледяной корки на поверхности оболочки в таком случае исключается. После отдачи груза и дозаправки обратный вылет производится без задержек.

В базовом аэропорту при хранении и обслуживании вертостатов на объединенной стоянке в холодный период года и при снегопаде будет применяться постоянный прогрев оболочек с помощью группы моторных подогревателей УМП-350 или УМП-400 (рис.5).

Рис. 5 – Моторный подогреватель УМП-400 (400 кВт тепловой мощности)

Зимой по энергетическим затратам это намного выгоднее, чем непрерывно обогревать внутренние объемы нескольких крупных эллингов.

Прогрев газа в оболочке приводит к его расширению в пределах объема воздушного баллонета. Подъемная сила увеличивается. Во время взлета и набора высоты заметно уменьшается нагрузка на силовую установку. За счет обтекания воздушным потоком температура газа в оболочке по мере набора высоты и увеличения скорости понижается до рабочей, восстанавливая заданный тепловой баланс и необходимый для высоты полета объем баллонета.

Используя аэродинамическую подъемную силу оболочки, с прогретым несущим газом можно поднять и перевезти полезной нагрузки на несколько тонн больше номинальной. В некоторых случаях такая возможность оказывается решающей.

6. Безопасность эксплуатации

Устранение или ослабление критических недостатков классических дирижаблей, о которых шла речь выше, по сути означает повышение удобства и безопасности эксплуатации аппаратов комплекса ДМТС.

Защитники дирижаблей классических схем часто пишут о том, что они могут поднимать огромные массы груза – 50, 100, 500…1000 тонн. Заманчиво! Однако, нужно понимать, что одновременно должна быть обеспечена достаточная мощность управления в неспокойном воздухе, для этого потребуются наращивание энерговооруженности и серьезные усложнения конструкции, которые в классической схеме далеко не всегда возможно реализовать на практике. Поэтому дирижабли классического типа не могут безопасно эксплуатироваться в реальных условиях, где важна не только аэростатика, но и динамика изменений в движении атмосферных масс, а также способность летательного аппарата эффективно бороться с обледенением, характерным для многих будущих районов доставки грузов.

Вертостаты комплекса ДМТС на родовом уровне устраняют подобные несоответствия, приближая эксплуатационные ограничения к действующим для самолетов и вертолетов.

Нам говорят - классический дирижабль безопасен. В случае полного отказа силовой установки аппарат остается в воздухе и может приземлится после выпуска части несущего газа. При этом нельзя забывать, что в таких условиях он оказывается практически неуправляемым и при наличии ветра невозможно гарантировать безопасность посадки, тем более с тяжелым грузом.

Модуль А комплекса ДМТС в случае полного отказа силовой установки, как и вертолет, переводится в управляемый спуск на режиме авторотации несущих винтов. У экипажа есть резерв времени для подбора с воздуха подходящей площадки. Ветер становится союзником в обеспечении безопасности посадки, т.к. к моменту приземления он вместе с подъемной силой оболочки помогает эффективно погасить поступательную и вертикальную скорость вплоть до 0.

Сравним с вертолетом. С грузом на внешнем подвесе при переходе в режим авторотации пилот вынужден аварийно сбрасывать груз, чтобы снизить удельную нагрузку на ометаемую площадь несущего винта и исключить дестабилизирующие силы от груза при его ударе о землю.

У модуля А, груз подвешивается распределенной системой тросов. При переходе в режим авторотации несущих винтов, он не сбрасывается. Маневр приземления осуществляется совместно с грузом. Тем самым обеспечиваются высокие шансы сохранения его целостности. Это произойдет в том случае, если площадка аварийной посадки выбрана с воздуха удачно.

Как и у вертолетов, у модуля А существует приземная мертвая зона скорости и высоты, в которой отказ силовой установки приводит к невозможности безопасной посадки.

По совокупности приведенных сведений можно утверждать, что вертостаты комплекса ДМТС на основе базового модуля А способны стать основой надежной и безопасной транспортной системы, обслуживающей транспортные коридоры территорий развития Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также трассы поставок тяжелых грузов зарубежным заказчикам.

Литература

1. В.А. Ворогушин. Дирижабельная модульная транспортная система. Ж. Авиапанорама, №6, 2021 г. С.12-21.

2. А.Н. Кирилин. Дирижабли. Москва. Изд-во «МАИ-ПРИНТ». 2013 г. С.415.

3. В.Б. Козловский, О.В. Худоленко, В.С. Деревянко. Аэростатические летательные аппараты для отраслей экономики. Москва. Изд-во «Воздушный транспорт». 2007 г. С.480.

4. О.В. Худоленко. Эффективность эксплуатации воздушных судов и совершенствование организации производства при выполнении авиаработ (теория и практика). Реферат диссертации. АО НПК «ПАНХ». 2006 г. С.40.

5. АО «ДКБА». НИР: Исследование возможности применения транспортных дирижаблей для доставки крупногабаритных грузов в труднодоступные и удаленные нефтяные месторождения. 2023 г. С.224.
2024-01-29 18:23 Новости партнеров АНАВ