МОНГОЛЬФЬЕР

№ 1

Издается компанией АЭРОПЛАСТ, г. Киев, Украина, 2003 г.

АЭРОПЛАСТ - один из старейших воздухоплавательных центров на территории бывшего Союза. С 1960 г. систематически занимается исследованием проблем воздухоплавания и разрабатывает конструкции воздухоплавательных-летательных аппаратов (ЛА) нового поколения

Главный редактор:
Александр ПОЛЯНКЕР (г .Киев, Украина)

Редакционная коллегия:

Игорь СПИЦЫН (г. Калининград, Россия)
Владимир ПАРХОМЕНКО (г. Киев, Украина)
Владимир ЦАРИКОВСКИЙ (г. Киев, Украина)
Александр ГАЛИНСКИЙ (г. Киев, Украина)

Итак, представляем журнал МОНГОЛЬФЬЕР!

Мы открываем его в надежде найти новых друзей, сторонников и поклонников идей, которые надеемся тут изложить.
Этот журнал посвящается светлой памяти наших дорогих и безвременно ушедших в прошлые годы друзей и коллег

Романа ГОХМАНА
Льва КОНСТАНТИНОВА
Дмитрия ГАЛИНСКОГО
Владимира УСТИНОВА
Веры МИТЯГИНОЙ - ДЕМИНОЙ
Людмилы ЭЙХЕНВАЛЬД - ИВАНОВОЙ
Владимира УСТИНОВИЧА

СОДЕРЖАНИЕ

МОЖЕТ ЛИ ВОЗДУХОПЛАВАНИЕ СПОСОБСТВОВАТЬ
ПРОЦВЕТАНИЮ И ЗАЩИТЕ ГОСУДАРСТВА,
или КОРОТКО О ПРОЕКТЕ СИСТЕМЫ АЭРОСТАТИЧЕСКОГО
ОСВОЕНИЯ АТМОСФЕРЫ (САОАТ)

Хорошо понимаем Жозефа и Этьена Монгольфье, братьев Райт и других замечательных изобретателей, которые, вглядываясь в синеву небосвода, мечтали, подняться в воздух, подобно птицам, и освоиться в этой среде. Они - эти немногие счастливцы - осуществили свою мечту !
Братьям Райт повезло больше. Об этом думаешь, сидя в уютном кресле просторного пассажирского салона Боинга - 747. Полагаю, что уровень комфорта на великом "ГИНДЕНБУРГЕ" был намного выше, но там, к сожалению, или, теперь уже, к счастью, побывать не пришлось.
Высшие достижения воздухоплавания остались далеко позади: в историю ушли и "Золотой век" воздухоплавания и его унизительный упадок. Можно ли считать возрождением воздухоплавания летающие сегодня в разных странах блимпы, украшением которых, конечно, были дирижабли СКАЙШИП. Наверно, это было бы некоторым преувеличением, выдающим желаемое за действительное. Начавшаяся оживляться воздухоплавательная мысль как-то уж очень быстро стала однообразной. Неужели воздухоплаванию в лице современных честолюбивых Жиффаров, Ренаров, Кребсов и Цеппелинов больше нечего предложить цивилизации, которую пытаются одолеть всякие бинладаны и катастрофы, кроме монотонно повторяющихся и, странным образом, похожих друг на друга, как клонированные овечки Долли, дирижаблей.
Воздухоплавание может принести государству гораздо больше пользы, если посмотреть на него, несколько изменив угол зрения.
_________________________________

Всего пару десятилетий назад в мире, или, лучше сказать, в прессе, широко обсуждалась проблема "мирового энергетического кризиса". Трудно сказать, была ли эта проблема надуманной или реальной, но спустя некоторое время о ней словно бы забыли, как бы проблемы и не было. Скорее всего, сработала обычная человеческая привычка, выраженная русской поговоркой "пока гром не грянет, мужик не перекрестится" либо в американском анекдоте о джентльмене, свалившемся с небоскреба: пролетая мимо 20-го этажа, он успел подумать - пока все идет хорошо!
Но на самом деле все не так уж хорошо, и нам, как и многим другим, становится очевидным, что ископаемое топливо, долгое время являвшееся основой энергетического баланса современного мира, не в столь отдаленном будущем окажется исчерпанным. Осязаемой становится реальность истощения топливных ресурсов.
Новые виды энергии потребуют повышения экономических затрат. Эпоха дешевой энергии и низких цен на нефть миновала. Стоимость энергии будет неуклонно расти.
Эти и другие вопросы были предметом обсуждения еще на созванной в августе 1981г. в Найроби Конференции ООН по новым и возобновляемым источникам энергии. Об этих замечательных таинственных источниках любят вспоминать, когда хотят утешить себя надеждой, что еще не все потеряно, что есть еще какие-то дополнительные источники, которые не только могут расходоваться, но еще и возобновляться, и которые в какую-то критическую минуту нас возьмут и спасут самым волшебным образом… И действительно есть такие - это постоянно возобновляемые источники энергии Мирового и Воздушного океанов, запасы которых колоссальны.
Так, например, тепловая, - внутренняя - энергия, соответствующая перегреву поверхностных вод океана по сравнению с донными, примерно, на 20⁰ , имеет величину порядка 10²⁶ Дж. Кинетическая энергия океанских течений оценивается величиной порядка 10¹⁸ Дж.
К сожалению, пока удается только ценой больших и медленно окупающихся капиталовложений утилизировать ничтожные доли этой энергии. Борюсь с искушением потратить журнальную площадь, чтобы рассказать о замечательных идеях и проектах использования энергии морей и океанов - генераторов, использующих энергию волн, приливных электростанций, использования извлекаемого из морской воды водорода и.т.д. Потому что основная наша цель - остановиться на другой, более близкой нам среде - атмосфере, и на проекте, который, по нашему мнению, был бы хотя бы отчасти ответом на поставленный вопрос - что может предложить современное воздухоплавание цивилизации - проекте СИСТЕМЫ АЭРОСТАТИЧЕСКОГО ОСВОЕНИЯ АТМОСФЕРЫ (САОАТ).
В этом проекте, в частности, показано, каким образом можно использовать энергетические запасы атмосферы и получать электроэнергию, которую затем либо передавать на землю, либо использовать непосредственно "на месте", в атмосфере, например, для питания устроенных на специальных воздухоплавательных летательных аппаратах (ЛА) ретрансляционных станций, обзорных радиолокаторов с автономным питанием, автоматических станций метеорологического и радиометрического непрерывного наблюдения почти по всей высоте тропосферы и многих других задач. И, конечно, в этом проекте мы не отступили от обычного использования атмосферы в качестве опорной транспортной среды, используемой ЛА, которая непрерывно соединяет любые две точки земной поверхности - и потому самой удобной.
Для решения этих разнообразных задач наиболее простым и рациональным способом в проекте САОАТ принят один общий элемент - изготовляемый на одних и тех же конструктивных и технологических принципах, в некоторой степени универсальный, жесткокорпусный из КМ (композиционных материалов) ЛА. Подобно тому, как для целей исследований и освоения Мирового океана используются глубоководные батисферы и батискафы, этот ЛА становится "батискафом" для атмосферы. Кстати, знаменитый физик Огюст Пиккар был известен как конструктор стратостата для исследования стратосферы на высотах более 16000 м, так и батискафа для глубин свыше 3000 м.

___________________________________________

Современная ветроэнергетика до последнего времени базировалась на использовании ветровой энергии в приземном слое, который наименее выгоден как по силе действия ветров, так и по их постоянству. Это обстоятельство не позволило до сих пор создать мощных ветроузлов.
Удельный вес ветроэнергетических установок в общем балансе энергетики во всем мире весьма незначителен, тогда как запасы ветровой энергии, имеющейся на земле, намного превышают запасы тепловой и гидроэнергии и постоянно возобновляются.
В тропосфере происходит постоянное, подчиненное определенным законам, перемещение воздушных масс. Именно благодаря перетеканию огромных воздушных масс на земле поддерживается сравнительно небольшая разность температур между тропическими и полярными областями.
В книге Clyde Orr, Ir "Between earth and space", New York, 1959 это сформулировано так: "Ветры, которые вечно дуют вокруг Земли, можно считать гигантским термодинамическим двигателем для распределения тепла, двигателем, который получает энергию у Солнца". И там же: "Вращение же Земли является маховым колесом, управляющим направлением ветра".
Это тепловое перемешивание воздуха ограничивается почти полностью тропосферой (высота ее в средних широтах - 11 км). Выше, в стратосфере, температура воздуха остается (до 30 км) примерно постоянной.
Ветровой режим тропосферы сегодня достаточно хорошо изучен. Более 60 лет назад этими исследованиями серьезно начали заниматься в США. В последующие годы такие исследования проводились во многих странах. Суммируя их результаты, можно сделать вывод, что вблизи тропопаузы, на высоте 9,5 - 10 км в средних широтах ветровой режим характеризуется следующими особенностями :
- самые большие в тропосфере скорости ветров - 20 - 25 м в секунду.
- самые устойчивые по величине ветры - повторяемость величины скорости ветра - 80 - 90 процентов. Этот слой интенсивных ветров имеется над любой точкой земного шара, кроме, может быть, экватора. В зимний период скорость ветра увеличивается, а высота снижается примерно на 1,5 км, что также полезно для энергетического использования ветра.

_______________________________________________________

Таким образом, этот ветроэнергетический слой - тропопаузу - необходимо освоить.
В 60 -х годах группа инженеров - Р. Гохман, И. Спицын, Л. Константинов, Г. Вайнштейн и А. Полянкер - предложили проекты двух тропопаузных ветроэлектростанций - ТВЭС и ТВЭС-1. Это два примерно одинаковых по конструкции, но разных по объему привязных аэростата. Скомпонованный с ветроколесом и электрогенератором такой аэростат поднимается в тропопаузу на длительное время. ТВЭС мощностью 2000 кВт передает энергию на землю. ТВЭС-1, значительно меньшую по размерам, мощностью 50 кВт, предназначенную для питания размещенной на борту аппаратуры, еще называют А Р С - аэростатическая ретрансляционная станция.
Аэростат-носитель ТВЭС объемом 220 тыс. м³ имеет форму эллипсоида вращения с линейными размерами 168 х 50 м. Он имеет жесткую, трехслойную оболочку из композиционных материалов, которая, обладая высокой прочностью и хорошими весовыми характеристиками (1,2 - 1,4 кГ м² при строительной высоте 10 - 15 мм) имеет высокую эксплуатационную надежность. Рабочим газом аэростата является водород или гелий, заключенный в пленочное газовместилище, являющееся частью аэростатической несущей системы и образующее вместе с оболочкой два контура герметичности для рабочего газа.
Идея использования высотного ветра не нова. Еще в 1929 г. был зарегистрирован патент на высотную ветросиловую установку. По мысли авторов ветровые колеса с электрогенератором должны были подвешиваться к обычному привязному аэростату с мягкой оболочкой и работать в зоне, как они считали, более сильных и устойчивых, чем в приземных слоях, воздушных течениях.
Однако, известные в то время конструкционные материалы не могли обеспечить необходимой надежности и долговечности аэростата и особенно тросакабеля, удерживающего аэростат и служащего для передачи электроэнергии на землю. Также не могло быть и речи о работе электростанции на высотах, более, чем 300 - 500 м. Такие возможности появились лишь в последние десятилетия. Но главное было в том , что конструктивное выполнение идеи ветроиспользования было неприемлемо.
В проекте САОАТ в ветроэнергетический слой (не на 500м, а на 10000м) поднимаются не отдельные "ветряки", подвешенные к аэростату, а ЕДИНАЯ СИСТЕМА "АЭРОСТАТ - ВЕТРОКОЛЕСО" - лопаточный венец, охватывающий корпус аэростата (несколько позади миделевого сечения). Такая аэродинамическая компоновка позволяет снять с потока наибольшую мощность при наименьшем лобовом сопротивлении системы аэростат - ветроколесо, которое конструктивно связано с генератором переменного тока 2000 кВт. Электроэнергия передается на наземную подстанцию по удерживающему аэростат тросу-кабелю специальной конструкции.
Условия для уравновешивания аэростатной ветростанции создаются выбором точки крепления аэростата к тросу, наличием как аэростатической, так и аэродинамической подъемной силы аэростата.
Хотя ветер вблизи тропопаузы обладает высокой степенью постоянства, предусматривается возможность работы ТВЭС при значительном возрастании или уменьшении скорости ветра относительно расчетной средней скорости. Привязной аэростат при средней скорости ветра удерживается в отклоненном от вертикали положении на угол около 20⁰ (считая от линии, соединяющей верхнюю точку крепления троса с точкой его крепления к якорю на земле).
Избыточные аэростатическая и, главным образом, аэродинамическая подъемные силы и сила натяжения троса дают составляющую, уравновешивающую силу лобового сопротивления аэростата - ветроколеса.
Возрастание скорости ветра вплоть до максимальной, известной по замерам шарами-зондами на этой высоте, приводит к возрастанию избыточной аэродинамической силы. Равновесие при этом достигается при некотором увеличении угла отклонения (от 20⁰до 29⁰). Аэростат остается на прежней рабочей высоте за счет предусмотренного разматывания (удлинения) троса - кабеля. Кроме того, изменяется угол атаки аэростата, что достигается с помощью механизма изменения дифферента и точки подвеса аэростата.
Меняется также угол установки лопастей ветроколеса, обеспечивая постоянство снимаемой мощности и оборотов: с увеличением скорости ветра они под действием давления ветра разворачиваются почти до флюгерного положения.
Множество других вопросов, связанных с обеспечением долговременности и надежности эксплуатации ТВЭС, рассмотрено и решено в проекте, например, такие, как нагрев газа в оболочке, грозозащита аэростатаносителя и привязной системы и т.д. и т.п. И, конечно, кажущаяся простота схемного решения ТВЭС отнюдь (by no means) не настраивает "на легкую жизнь", и можно отметить три ключевые проблемы, как условие осуществимости проекта:
- аэростат - носитель, прочность которого позволяет выдержать ураганный ветер.
- привязная система, способная выдержать в положении, близком к вертикальному, нагрузку порядка 40 - 45 тонн.
- Электротехническая часть - производство и передача электроэнергии.
Возможности решения этих проблем могут быть различными, в частности, такие.

_________________________________________________________

Аэростатноситель ТВЭС должен быть простой и легкой конструкции, и должен удовлетворять двум трудносочетаемым условиям: быть прочным и, в то же время, достаточно легким. Многолетние исследования различных конструкций и материалов оболочек воздухоплавательных ЛА привели к созданию трехслойной оболочки из композиционных материалов с трубчатым или сотовым заполнителем. Конструкции и технология изготовления таких оболочек сегодня широко распространены в мировом авиастроении. Но мы также располагаем большим опытом и изобретениями в области изготовления жестких оболочек.
Привязная система - второе условие осуществимости проекта. Однако уже несколько десятилетий существуют надежные синтетические канаты, в том числе, синтетические трощеные канаты-кабели с соответствующими разрывными усилиями: 42 тонны - для каната диаметром 30 мм, 60 тонн - для диаметра 35 мм, 75 тонн - для диаметра 38 мм.
Электротехническая часть - для передачи электроэнергии мощностью 2000 кВт на расстояние 10 км на современном уровне преобразовательной и электромашиностроительной техники представляется даже не столько проблемой, но задачей.
Таким образом, не существует принципиальных, непреодолимых препятствий для использования высотных ветров.
Некоторые технико-экономические характеристики ТВЭС:
- основные конструкционные материалы ТВЭС - пластмассы, металлы (алюминий и легированная сталь) используются в небольших количествах,
- объем аэростата-носителя - 220 тыс. куб.м.,
- тип конструкции корпуса аэростата - жесткий полумонокок,
- рабочая высота - 9,5 - 11 км ( в средних широтах),
- установленная мощность - 2000 кВт,
- параметры вырабатываемой электроэнергии - 3-х фазный переменный ток при напряжении 10 кВ,
- годовая выработка электроэнергии - 16 млн. кВт-час,
- наружный диаметр ветроколеса - 53 м,
- полный вес ТВЭС с тросом кабелем - 45 тонн,
- длина троса - кабеля - до 12 км
- материалоемкость - 30 - 40 кг на кВт.

Экономическая эффективность такой электростанции определяется:
- низкой стоимостью установленного киловатта ( близкой к удельной стоимости мощных современных тепловых электростанций, и в несколько раз меньшей, чем для всех типов существующих электростанций аналогичной мощности ),
- малой удельной материалоемкостью (в 6 - 10 раз меньшей, чем материалоемкость наземных ветроэлектростанций, и в сотни раз меньшей, чем материалоемкость тепло и гидроэлектростанций),
- высокой степенью мобильности,
- коротким сроком окупаемости.

ТВЭС-1, или АРС - аэростатическая ретрансляционная станция, по существу, та же ТВЭС, но, как было сказано, значительно меньшей мощности - 45 - 50 кВт, с установленным на борту специальным ретрансляционным оборудованием. Существенным ее отличием, кроме меньшего объема, - отсутствие сложной системы передачи электроэнергии, которая потребляется "на месте".
Удерживаемый тросом аэростат-носитель имеет объем 27,5 тыс.куб.м. и представляет собой также эллипсоид вращения с размерами 84 х 25 м. Он аналогичен аэростату ТВЭС, но по линейным размерам - меньше его в два раза. Аналогична и конструкция оболочки. Управление - радиокомандами с земли.

Для получения более крупных мощностей электростанции типа ТВЭС могли бы объединяться подобно наземным фермам ветроэлектростанций. Но и как единичные они имели бы большую область применения:
- как региональные электростанции в местах, не имеющих собственных энергоресурсов,
- для мобильного получения электроэнергии в местах новых строек, при освоении труднодоступных районов,
- для мобильного получения электроэнергии при техногенных и природных катастрофах как на земле, так и на морских акваториях, куда ТВЭС могут буксироваться по воздуху с помощью ЛА, имеющего аналогичную природу летания - дирижаблем, либо вертолетом, причем такой автономный источник был бы особенно ценным.

_______________________________________________

Следуя библейскому выражению "имеющий уши да услышит!", хотелось бы обратиться к этим, имеющим уши джентльменам, и, помимо всего вышеизложенного, привести конкретный пример использования ТВЭС.
До сих пор засухи - неискоренимый бич сельского хозяйства. С помощью ТВЭС на определенных (ограниченных) территориях можно влиять на тепловой, водный и световой режимы растений для получения заранее планируемых высоких и устойчивых урожаев. В местах, удаленных от энергосистем и зависимых в большой степени от климата, целесообразно создавать некие агрорайоны - очаги интенсивного земледелия, в которых единственным источником энергии будет ветер - высотный и приземный, преобразуемый в электроэнергию с помощью ТВЭС и наземных солнце-ветро-энергетических комплексов (также разработанных для такой цели - об этом в последующих номерах МОНГОЛЬФЬЕРА). Это позволит полностью исключить какие-то бы ни было продукты ископаемого топлива и создавать экологически чистые зоны, что совсем не является научной фантастикой.

Площадь такого агрорайона, к примеру, может быть 10000 гектаров. В центре этой зоны формируется (назовем условно) агрогородок, вокруг которого располагается область интенсивного земледелия площадью 1000 гектаров.
Наиболее характерной и важной функцией зеленых растений является фотосинтез. По существу, земледелие представляет собой систему использования этой основной функции зеленых растений. Таким образом, в области интенсивного земледелия на площади 1000 гектаров можно с помощью ТВЭС создавать идеальные условия для гарантированного, при любых засухах, урожая, т.е., создавать в течение вегетационного периода оптимальные - системы орошения, температурную и, наконец, продления светового дня растений, которые обычно применяют только в парниковых условиях. Попутно решается задача механизации и автоматизации многих трудовых процессов. Остальные посевные площади агрорайона являются областью экстенсивного земледелия, где применяются обычные способы земледелия.

_______________________________________________

Называя жесткокорпусный аэростат в проекте САОАТ "батискафом" для атмосферы, мы искали не столько образное сравнение, так сказать, метафору, но, скорее, некий уровень, эталон прочности, к которому следует стремиться при создании ЛА. Тем более, что практически одни и те же конструкционные и технологические решения были использованы при проектировании дирижаблей, - в частности, дирижабля Д-1М1 объемом 27,5 тыс. куб.м грузоподъемностью 14 тонн (аналог аэростата-носителя ТВЭС-1 - АРС) и дирижабля Д-4 объемом 220 тыс. куб.м грузоподъемностью 120 тонн (аналог аэростата-носителя ТВЭС), проекты которых являются органической, составной частью проекта САОАТ.

Анализируя причины упадка дирижаблестроения в 1-й половине ХХ века (об этом подробнее в последующих номерах МОНГОЛЬФЬЕРА) с очевидностью обнаруживается, что возгорание водорода, если и является одной из причин, то занимает место за прочностью, поскольку именно прочность была первичной. В те годы было трудно или невозможно считать прочность таких крупных пространственных конструкций, какими были ферменные каркасы гигантских дирижаблей. Поэтому вначале разрушался корпус, а уж потом в этом хаосе разрушения находилась искра, из которой возгоралось это быстрое водородное пламя (не хотелось бы менять местами причины и следствия). Мы убеждены, что дирижабли родились раньше своего времени, когда научно-технический уровень не позволял обеспечить им достаточную надежность. Всего несколько десятилетий назад такие возможности появились.
Разумеется, желание использовать атмосферу как опорную среду, непрерывно соединяющую любые две точки земной поверхности, крайне заманчиво. Это обстоятельство определяет ценность воздушного транспорта. Однако, до сих пор, говоря о воздушном транспорте, никому и в голову не придет думать о дирижаблях. А интересно, почему? Ведь были превосходные примеры транспортных перевозок на дирижаблях.
Поразмышляем об этом, имея в виду концепцию проекта САОАТ.
По мере развития воздушного транспорта к ЛА предъявляют в последнее время все более широкий круг требований, как отдельных, так и в сочетаниях. Еще в 70-х годах определились те технические требования, которые не могут быть выполнены существующими динамическими ЛА - самолетами и вертолетами - несмотря на значительные усилия и средства, которые затрачиваются на решение этих проблем.
Так, например, в настоящее время и обозримом будущем не могут быть выполнены такие технические требования:
- существенное повышение доли воздушных перевозок в общем грузообороте (которые меньше 1%),
- воздушные безаэродромные перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов на дальние расстояния при приемлемой экономичности перевозок,
- объединение воздушно-транспортных и грузо-монтажных работ с воздуха при требуемой продолжительности и точности монтажа,
- качественный скачок в уровне безопасности, надежности воздушных перевозок и экономии топлива,
- снижение минимума погоды, практически полная всепогодность и регулярность сообщений (напомню, что более 60-и лет назад немецкие трансатлантические воздушные корабли отправляли расписание с точностью, близкой к 100%),
- возможность перевозки грузов и пассажиров по принципу "от двери до двери", посадки в черте города (за счет большей безопасности полета, меньшего минимума погоды и меньшего шума на местности),
- устранение шума в пассажирских салонах и обеспечение высшего уровня комфорта для пассажиров (сравнимого лишь с условиями на океанских лайнерах).

Перечисленные требования трудно или невозможно выполнить на динамических ЛА из-за сущности динамического способа создания подъемной силы. Однако, даже самые совершенные дирижабли прошлого были для этого также непригодны.
Изложим свою концепцию современного дирижабля.
Дирижаблем называют управляемый аэростат. Нам кажется, что более правильным было бы определение его, как одного из видов ЛА - ЛА с аэростатической несущей системой. Именно наличие несущей системы, а не просто газовместилища с несущим газом, будет характерным для современного дирижабля, как для современного самолета характерно не просто крыло, а крыло с закрылками, предкрылками, интерцепторами и т.д.
Наличие аэростатической несущей системы определяет основные свойства дирижабля. Бытующие представления о "большой парусности", "динамической неустойчивости" и некоторых других, якобы "органически" присущих дирижаблю свойствах либо не точны, либо неверны в принципе.
К основным его свойствах следует отнести:
- простату, надежность и экономичность обеспечения вертикального взлета и посадки, висения и полета на малых скоростях и высотах,
- независимость нормального функционирования несущей системы от отказов в силовой установке, в управлении, нарушения внешней формы, ошибок пилотирования,
- увеличение отношения полетного веса к поверхности пропорционально линейным размерам и обратно пропорционально плотности наружного воздуха,
- сочетание аэростатических и аэродинамических качеств.

Первые два свойства показывают потенциальную ценность дирижабля. Вторые два свойства должны быть строго учтены при проектировании дирижабля для возможности более полной реализации технико-экономических преимуществ, заложенных в аэростатической несущей системе.
При рациональном проектировании решение каждого элемента конструкции должно быть подчинено достижению его эксплуатационных характеристик (безопасность и надежность, экономичность и широкий диапазон применения, оперативность и высокая производительность как транспортного и монтажного средства) за счет, может быть, утраты других ценных качеств (например, максимальных скоростей и высот полета, минимальных габаритов), свойственных другим видам ЛА.
Только конкретное проектирование может показать достаточность современного уровня развития техники для реализации потенциально присущих дирижаблю ценных эксплуатационных характеристик.

_______________________________________________

Следует отказаться от мягкой оболочки, которая была даже у крупнейших дирижаблей прошлого из-за ее малой эксплуатационной надежности, малой живучести, трудности обеспечения стоянки и наземного обслуживания под открытым небом.
Из возможных конструкций жесткой оболочки при принятых для дирижабля внешних нагрузках, наиболее легкой и технологичной, по нашим разработкам, является жесткая трехслойная оболочка с трубчатым или сотовым заполнителем из современных полимерных композиционных материалов (КМ) - стекло, органо и углепластиков - с оптимальным расположением волокон относительно воздействующих нагрузок. Важным является высокая степень механизации производства таких оболочек и сравнительно простое оборудование для производства.

Вес 1 м² такой оболочки - в пределах 1,2 - 1,4 кг. Это одно из исходных данных для выбора объема проектируемого дирижабля.

Хотя дирижаблю уже более 150 лет и были построены и летали гигантские дирижабли, мы все же исходим из того, что жестких дирижаблей больших размеров из КМ по современным технологиям еще не строили и не эксплуатировали. Нет опыта. Поэтому целесообразно было бы определить каким может быть наименьший объем жесткого композиционного дирижабля, который мог бы достаточно полно проявить потенциальные положительные качества аэростатического ЛА, быть полезным и рентабельным и удовлетворять условиям:
- получения примерно 50% весовой отдачи по полезной нагрузке (полезный груз плюс топливо), при жесткой оболочке и гелии в качестве несущего газа и необходимой энерговооруженности и оборудовании,
- получения удельной нагрузки на боковую поверхность порядка удельной нагрузки на крыло современного легкого самолета.

Таким наименьшим объемом, более-менее оптимально удовлетворяющим этим условиям, является 25 - 30 тыс. куб.м. По старой классификации это дирижабль, находящийся на границе между средними и большими объемами.

Такого рода соображения легли в основу проекта жесткокорпусного дирижабля Д-1 (в дальнейшем Д-1М1) объемом 27,5 тыс.куб.м и полезной нагрузкой 14 тонн. Кроме того, такой ЛА становится настоящим "полигоном", на котором отрабатываются конструктивные и технологические приемы, техника пилотирования, а также методы эксплуатации его в качестве грузоподъемного средства.
При увеличении объема весовая отдача дирижабля возрастает, однако, в использовании этого эффекта должен быть технический и экономический ( например, по регулярности спроса и времени загрузки) пределы.
В настоящее время нет оснований говорить о целесообразности создания дирижабля объемом более 200 - 250 тыс.куб.м.

Дирижабль Д-1М1 является прототипом дирижабля Д-4, имеющего объем 220 тыс.куб.м и полезную нагрузку 120 тонн. Он представляет собой удвоенный по линейным размерам Д-1М1. Этот тип дирижабля основного производственного назначения, над которым было бы целесообразно работать в настоящее время. Разрыв в грузоподъемности между Д-1М1 и Д-4, который предполагалось заполнить дирижаблями типа Д-2 и Д -3 (соответственно полезной грузоподъемностью 30 и 60 тонн), можно более эффективно заполнить, например, соединением в блоки по 2, 3 и 4 дирижабля Д-1 (в дальнейшем разработана модификация Д-1М1) благодаря жесткой оболочке, в которой предусмотрены соответствующие усилительные элементы для этой цели, чтобы иметь возможность одним типом ЛА решать более сложные задачи (см. иллюстрации).

Нужно иметь в виду достаточную рентабельность эксплуатации дирижабля даже при 30%-ой коммерческой загрузке вследствие низкой себестоимости перевозок. Полагаю, что пока достаточно иметь весьма ограниченное количество типоразмеров ЛА - всего два.

Следующие соображения были использованы при принятии других технических решений.

Аэродинамическая и силовая компоновка

Основное требование к аэродинамической компоновке дирижабля - минимальное лобовое сопротивление, и основное требование к силовой компоновке - минимальный вес конструкции при совместном рассмотрении приводят к выводу о целесообразности удлинении корпуса дирижабля меньшем, чем у Цеппелинов между Y = 3 и 4 (у Д-1 и Д-4 корпус имеет (Y = 3,36). Из такого же совместного рассмотрения следует, что наивыгоднейшая форма сечения корпуса - круг. При такой форме корпуса для удовлетворения существующим самолетным требованиям к устойчивости хвостовое оперение (из-за нахождения его в заторможенной зоне) пришлось бы делать относительно большой площади (что первоначально и было сделано). Затем оно эволюционировало от формы стреловидного Т-образного оперения с нижним килем, к более эффективному, которое по аналогии с кораблестроительной терминологией, мы называем "активным оперением".
Сам корпус по силовой схеме при жесткой работающей оболочке рационально выполнять в виде полумонококовой конструкции с небольшим сверхдавлением (сверх аэростатического). При этом сравнительно редкий каркас служит для распределения сосредоточенных сил и повышения живучести конструкции, а сверхдавление предотвращает потерю устойчивости оболочки при максимальном значении расчетной перегрузки.

Энерговооруженность и силовая установка

Основным фактором для определения энерговооруженности дирижабля является выбранная крейсерская скорость. Из статистики, собранной еще в первый период дирижаблестроения и дополненной самыми последними данными по критерию вероятности преодоления встречного ветра в течение 365 дней в году, из проведенных расчетов эквивалентного ветра, определилась величина не менее 160 - 170 км/ч. Такой величины и следует выбирать скорость для дирижабля. Вероятно, достижение большей величины скорости, вследствие специфики применения дирижабля, приводит к снижению его производительности и экономичности.
В литературе встречаются скорости дирижабля до 300 - 350 км/ч. Но при реально достижимом коэффициенте лобового сопротивления это никак нельзя считать оправданным.
Если выбрать энерговооруженность из указанного выше условия, она оказывается удовлетворительной и для других условий: например, для возможности создания струйного управления на скоростях, менее инверсионной, создания всеповерхностной противообледенительной системы, возможности создания быстродействующей системы управлением аэростатической подъемной силы (системы балластировки) и возможности обеспечения энергией оборудования бортовой погрузочноразгрузочной механизации и бортового управления грузо-монтажными операциями.

Важная и характерная особенность, присущая только дирижаблям, в отличие от самолетов и вертолетов, - это возможность переключения почти всей мощности силовой установки на работу одной из систем.
И, наконец, показатель эффективности любого ЛА - это отношение мощности его силовых установок к массе. Для самолета это отношение составляет 0,25 л.с. на 1 кг, тогда как для дирижабля - всего 0.016, т.е. примерно в 15 раз меньше. Это, в свою очередь, обуславливает значительно меньшую массу силовой установки дирижабля, а также существенно меньший расход топлива.
При сравнительно небольших расходах топлива дальность и продолжительность полета дирижабля могут быть практически неограниченными.
Таким образом, есть все предпосылки для эффективного развития воздушного транспорта при качественном скачке в экономии топлива.

Аэростатическая несущая система

Под аэростатической несущей системой дирижабля понимается та часть ее конструкции, которая предназначена для создания аэростатической подъемной силы и управления ее величиной: сохранением или изменением ее величины в зависимости от условий полета.
Использование для создания аэростатической подъемной силы самого корпуса дирижабля, являющегося одновременно и газовместилищем несущего газа, как это имеет место в дирижаблях - блимпах (США), казалось бы, выгоднее в весовом отношении, оказывается, при условии выполнения всех требований к несущей системе, менее рациональным, чем размещение внутри корпуса специального секционированного пленочного газовместилища.
Старые способы высотно-метеорологического управления обеспечивали дирижаблю малую высотность. Большой диапазон рабочих высот полета (с максимальным полетным весом!), и, как следствие, расширение эксплуатационных возможностей и экономических показателей дирижабля становятся возможным благодаря дополнению его основной несущей системы специальной высотной несущей системой (что является одним из НОУ-ХАУ, внедряемым в конструкцию).
Старое пилотажно-загрузочное управление аэростатической подъемной силой (сброс балласта - выпуск несущего газа) также дополняется энергетической системой управления с оптимальными характеристиками, например, специально разработанной воздушно-балластировочной системой. Конструкции этих дополнительных систем связаны между собой и, конечно, это легче делать при внутреннем встроенном газовместилище.
Повышается надежность, защита от утечки несущего газа. Повышаются эксплуатационные удобства: наполнение и откачка гелия, контроль за его составом по отсекам, профилактические осмотры.

Системы аэростатического и аэродинамического управления

Дирижабль является аэростатическим и аэродинамическим ЛА одновременно (аэродинамическое качество дирижабля Д-1 примерно равно 3). Поэтому аэростатическое и аэродинамическое управление (также как продольная и путевая устойчивость) рассматриваются и проектируются взаимосвязано.
Поэтому на скоростях выше инверсионной (для Д-1 - выше 30 км в час) действует рулевое аэродинамическое управление при возможно более полной аэростатической балансировке корабля ( за счет работы балластировочной системы). На скоростях, ниже инверсионной, происходит переключение управления с рулевого на струйное. В систему управления входит и "активное управление" дирижабля, называемое еще также "активным рулем". Таким образом, новые системы управления устраняют один из самых существенных недостатков дирижаблей первого поколения.

Причально - стояночные устройства

Причально-стояночные устройства для дирижабля нового поколения должны обеспечивать его эффективную эксплуатацию.
Старые, малоэффективные способы, такие, как причаливание при помощи многочисленных наземных команд (которые сохранились до сих пор), дежурство на стоянках при перешвартовках при изменении направления ветра, заведение дирижабля в эллинг для стоянки и обслуживания, - применяться не будут.
Разработан, например, способ скоростного амортизационного причаливания (с применением улавливателей - аэрофинишеров) с последующей автоматической швартовкой к верхней поворотной площадке причальной башни-подъемника для дирижабля Д-1 (см. иллюстрации ). Такое причаливание становится возможным благодаря достаточной степени устойчивости и управляемости Д-1 на малых скоростях полета, а благодаря его жесткой оболочке стоянка под открытым небом рассматривается как основной вид стоянки. Указанный способ не исключает возможности вертикальной посадки на открытую площадку с последующей швартовкой тросами, идущими из центра швартовки дирижабля к ввернутым в землю штопорам.
Стоянка группы дирижаблей требует сравнительно небольшой ветрозащищенной площадки с причальной башней-подъемником в центре для приема - выпуска дирижаблей.
Примером может служить парк-стоянка для эскадрильи из 12 дирижаблей (см. иллюстрации) Д-1 - круговая площадка диаметром 270 м, огражденная стенкой высотой 15м с причальной башней-подъемником. Там проводится механизированное обслуживание дирижаблей и все виды ремонтов, кроме капитального. Капитальный ремонт, как и сборка дирижаблей, производится в эллинге дирижабле-верфи, вывод из которого может производиться на круговую площадку, равную длине дирижабля, с причальной башней-подъемником, опускающейся до уровня площадки.
Для рейдовых стоянок дирижабля специальных приспособлений не потребуется. На Д-1 это обеспечивается через подвесную грузомонтажную систему дирижабля, кольцевая траверса которой, будучи тросами заякорена на землю, позволит дирижаблю разворачиваться носом навстречу ветру.

_________________________________________________

Полагаем, что возрождение воздухоплавания если и возможно, то только в контексте очень кратко изложенной в этих заметках концепции проекта САОАТ и только в таком контексте оно сможет завоевать себе право на существование и быть полезным цивилизации.