Вакуумный дирижабль

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Аппарат Франциско Ланы

Вакуумный дирижабль — дирижабль жёсткой конструкции, внутренняя полость оболочки которого вакуумируется, вследствие чего в соответствии с законом Архимеда возникает аэростатическая подъёмная сила. Управление величиной и знаком подъёмной силы должно осуществляться впуском в оболочку или выпуском из неё атмосферного воздуха, либо изменением объёма оболочки. Такое устройство по принципу почти аналогично подводной лодке (вода в 775 раз плотнее воздуха) и хотя аэростатические аппараты с давлением внутренней полости аппарата меньшим атмосферного никогда не существовали в условиях земной атмосферы, они вполне осуществимы не только для Земли, но и для планет с более высоким атмосферным давлением.

Аппараты по способу вакуумирования оболочки[править | править исходный текст]

На оболочку, внутри которой отсутствует какой-либо газ, будет действовать подъёмная сила примерно на 14 % большая, чем на оболочку с гелием. На практике эта цифра будет ещё меньше из-за невозможности достичь полного вакуума. В связи с этим некоторые задаются вопросом о целесообразности проведения работ по созданию вакуумного дирижабля и они были бы правы, если бы не существовало множество принципиально неустранимых недостатков газовых дирижаблей, которые препятствуют их широкому применению ([1]).

С учётом уравнения состояния идеального газа и закона Архимеда вакуумные летательные аппараты будут отличаться по способу вакуумирования оболочки:

  • выкачиванием воздуха из оболочки постоянного объёма (более подробно описано в статье "Вакуумные летательные аппараты" и "Vacuum airship" на сайте vacdirigible[2]);
  • увеличением объёма оболочки без возможности одновременного увеличения её массы и поступления в неё воздуха из атмосферы.

В настоящее время считается (например [3]), что вакуумный дирижабль (не зависимо от способа вакуумирования его оболочки) изготовить невозможно, потому что в такого вида дирижаблях может быть достигнут вакуум сравнительно высокой степени и возникнут проблемы с целостностью оболочки. При этом, по-видимому, автоматически переносится опыт разработки и производства цеппелинов (жёсткий дирижабль) на вакуумные летательные аппараты (дирижабли) или предлагаются красивые рисунки дирижабля с внешним каркасом, который всегда много тяжелее внутреннего[4]. Такой вакуумный дирижабль, тонкая оболочка которого при сжатии её атмосферой будет иметь резкие перегибы в местах крепления к каркасу, в обозримом будущем построить не возможно. Предложен также вакуумный дирижабль, оболочка которого вакуумируется осевыми (шнековыми) насосами [5], где также не решены проблемы с оболочкой. Но есть другой (изобретение Малышкина А. И. по первому способу вакуумирования оболочки [6]) и возможно не один способ придания жёсткости оболочке, с помощью которого её можно построить и лёгкой, и жёсткой, и противостоящей давлению атмосферы почти без силового каркаса. При этом оболочка работает на растяжение. Теоретически и испытаниями малой стендовой модели автор изобретения доказал возможность построения такого вакуумного дирижабля. В вышеуказанном изобретении, запатентованном в России в 1993 году, предложены: как способ выкачивания воздуха из оболочки (перед взлётом, и в процессе полёта), так и способ обеспечения её жёсткости, достаточной для противодействия сдавливанию атмосферой. В соответствии с физическими принципами, на которых основано изобретение, дирижабль должен иметь форму близкую к форме эллипсоида (дискообразную , либо сигарообразную формы), причём сигарообразная форма целесообразна в основном для аппарата очень большой грузоподъёмности, а дискообразная - для аппарата с высокой маневренностью.

Однако на практике до сих пор не разработано и не изготовлено ни одного полноразмерного стендового и лётного образца подобного аппарата. Причин этого (по мнению всех участников написания и правки настоящей статьи на сегодняшний день) может быть несколько:

  • техническая неосуществимость при использовании имеющейся в настоящее время в распоряжении конструкторов технологии производства аэростатической техники;
  • инерция мышления разработчиков проектов новых дирижаблей или они вынуждены придерживаться старых технологий;
  • конкуренция эксплуатирующимся и разрабатываемым в настоящее время летательным аппаратам (ЛА);
  • отсутствие на сегодняшний день спонсоров и (в том числе) государств, которые захотели бы или могли финансировать разработку и постройку такого аппарата.

О проведеннии исследований второго способа вакуумирования оболочки (изменением её объёма) пока нет данных, однако в 1885 году Циолковским было предложено устройство цельнометаллического газового дирижабля (дирижабль Циолковского), где для обеспечения возможности его маневрирования по высоте предлагалось изменять величину подъёмной силы изменением объёма его гофрированной оболочки путём сжатия или растяжения при помощи системы полиспастов. Однако надёжность гофрированной оболочки при частом её растяжении и сжатии очень низка.

Основные преимущества и недостатки вакуумного дирижабля перед газовыми дирижаблями[править | править исходный текст]

Преимущества состоят в том, что:

  • вакуумный ЛА (ВЛА) в не активированном состоянии на стоянке всегда тяжелее воздуха (как самолёт), так как его оболочка полностью заполнена воздухом, в связи с чем ему не нужен эллинг;
  • при посадке или взлёте ВЛА не нужны гайдропы, причальная команда и причальная мачта, а сама посадка или взлёт будут вертикальными;
  • изменение аэростатической подъёмной силы может осуществляться оперативно путём впуска в оболочку или выпуска из оболочки воздуха как перед взлётом и посадкой, так и в процессе полёта;
  • очень высокая маневренность аппарата дискообразной формы достигается за счёт кругового поворота маршевого двигателя в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, а также за счёт высокой жёсткости оболочки и регулирования величины тяги вышеуказанного двигателя;
  • высокая устойчивость угловой стабилизации практически жёсткого аппарата , что позволит разгонять аппарат до самолётных скоростей;
  • не применяется дорогостоящий и текучий (очень высокая проникающая способность) газ гелий;
  • пожарная безопасность обеспечивается за счёт того, что внутри оболочки находится разреженный воздух и нет горючих газов;
  • большая надёжность и долговечность металлической оболочки.

Хотя следует отметить, что почти те же доводы приводят создатели тепловых и гибридных дирижаблей, но эти ЛА на стоянке (хоть и не полностью) всё равно обезвешены газом легче воздуха (гелий), что может помешать устойчивости этих аппаратов на стоянке при сильном ветре и приведёт к необходимости строительства для них крупногабаритных ангаров (эллингов).

К недостаткам вакуумных дирижаблей по сравнению с газовыми классическими дирижаблями можно отнести больший вес конструкции и больший расход энергии. В частности, по сравнению с дирижаблем, наполненным водородом, выигрыш в подъемной силе будет небольшой, а утяжеление конструкции - значительным[7].

На других планетах[править | править исходный текст]

Принцип действия вакуумного дижабля состоит в создании пониженного по сравнению с окружающий средой давления во внутренней полости оболочки аппарата, что необходимо для создания аэростатической подъёмной силы. Задача конструкторов значительно упростится, если давление атмосферы планеты назначения будет значительно выше давления атмосферы Земли. При исследовании планет с высоким атмосферным давлением (например на Венере) в кабине обитаемого земного аппарата неизбежно будет пониженное давление (если его не увеличили на Земле перед стартом), в результате чего на ЛА будет действовать аэростатическая подъемная сила. Поскольку плотность атмосферы исследуемой планеты значительно выше земной, эта подъемная сила может сравнятся с силой гравитации этой планеты, превращая исследовательский летательный аппарат в газовый дирижабль (состав атмосферы исследуемой планеты отличается от состава атмосферы Земли, то есть разные газы ). Таким образом, исследовательский аппарат может быть построен по принципу построения земных двухкорпусных подводных лодок, где изменение величины и знака подъёмной силы осуществляется впуском воды в лёгкий корпус или выдавливанием воды из него. Подъёмная сила кабины будет иметь вспомогательное значение.

На Венере давление у поверхности составляет 93 атмосферы и масса 1 кубометра газа достигает 73 кг. Аналогично подводным лодкам объемный вес прочного корпуса устройства должен быть ниже веса среды. Для подводных лодок объемный вес при 30 атмосферах может быть меньше 100 кг[8]. Что конечно означает, что даже при давлении воздуха в 90 атмосфер аппарат плавать не будет. Если же атмосфера планеты состит из более тяжелого газа (под давлением например хлора, который тяжелее воздуха в 2,5 раза), то аппарат, оборудованный сравнительно небольшим "поплавком" будет вполне пригоден для использования в атмосфере этой планеты.

История[править | править исходный текст]

История развития вакуумного дирижабля по способу выкачивания воздуха из оболочки более длинная и пока не настолько успешная как теплового. Она началась в 1670 году, когда иезуит Франциско Лана де Терзи (Francesco Lana de Terzi,[9]) издал книгу «Prodomo ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso all’arte maestra» (Преподавание или проверка новых изобретений основа искусства преподавателя), в которой он описал маленькое судно с мачтой и парусом на ней. Это судно (как утверждалось в книге) могло бы летать при наличии на нём четырёх медных предварительно вакуумированных выкачиванием воздуха сфер, при этом каждый шар должен быть диаметром 7,5 метров. Франческо Лана был прав, полагая, что эта конструкция может быть легче воздуха. Однако такой шар должен обладать достаточной прочностью и жёсткостью, чтобы атмосферное давление не смяло его, и иметь достаточно малый вес (массу) конструкции, чтобы летательный аппарат был легче воздуха и мог взлететь. Это была только идея, не подкреплённая прочностными расчетами.

Только примерно через 300 лет в 1974 году (видимо в развитие вышеописанной идеи) патентным бюро в Лондоне опубликована заявка № 1345288 МКИ В64В 1/58 «Усовершенствование воздушных кораблей, обеспечиваемое вакуумированными шарами или другой формы выкачанными сосудами» A. P. Pedrick. Изобретение заключается в том, что оболочка шара должна быть двойной. Из внутренней сферы воздух выкачан, а в полость между внутренней и внешней сферами под давлением закачан газ (можно водород или гелий). По утверждению изобретателя этот газ должен поддерживать заданную форму оболочки от сдавливания её атмосферой. Обе сферы во многих местах скреплены между собой. Однако до практической реализации этого изобретения дело не дошло и до сегодняшнего дня не имеется информации о широком применении этого изобретения.

См.также[править | править исходный текст]

Примечания[править | править исходный текст]

  1. Дирижабль
  2. vacdirigible
  3. Вакуумный самолёт использует гравитацию вместо топлива
  4. Вакуумный дирижабль
  5. vacuum_dirigible
  6. «Устройство для создания подъёмной силы летательных аппаратов легче воздуха», Российский патент RU № 2001831 B64B 1/58, B64B 1/62, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 30 октября 1993 года
  7. Дирижабли
  8. Проектирование корпусов подводных лодок. Учебное пособие
  9. http://airshipworld.blogspot.com/2007_09_01_archive.html, http://www.faculty.fairfield.edu/jmac/sj/scientists/lana.htm