Вакуумный дирижабль

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

Вакуумный дирижабль — летательный аппарат, дирижабль жёсткой конструкции, внутренняя полость оболочки которого должна вакуумироваться, вследствие чего в соответствии с законом Архимеда возникнет аэростатическая подъёмная сила (сила Архимеда). Управление величиной и знаком подъёмной силы должно осуществляться впуском в оболочку или выпуском из неё атмосферного воздуха, либо изменением объёма оболочки.

Аппараты по способу вакуумирования оболочки[править | править вики-текст]

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

  • выкачиванием воздуха из оболочки постоянного объёма вентилятором или вакуум-компрессором;
  • увеличением объёма оболочки без возможности одновременного увеличения её массы и поступления в неё воздуха из атмосферы.

Возможно также применение комбинации выше приведённых способов в одном аппарате.

В ИНТЕРНЕТЕ предлагаются красивые рисунки вакуумного дирижабля с внешним каркасом, который всегда много тяжелее внутреннего[1]. Такой вакуумный дирижабль, тонкая оболочка которого при сжатии её атмосферой будет иметь резкие перегибы в местах крепления к каркасу, в обозримом будущем построить невозможно. Предложен также вакуумный дирижабль, оболочка которого вакуумируется осевыми (шнековыми) насосами[2], где также не решены проблемы с оболочкой. Поэтому, в настоящее время обычно принято считать (например, см.[3]), что вакуумный дирижабль (не зависимо от способа вакуумирования его оболочки) изготовить невозможно, потому что в такого вида дирижаблях может быть достигнут технический вакуум сравнительно высокой степени и возникнут проблемы с целостностью оболочки. При этом (повидимому) те, кто считает невозможным построить вакуумный дирижабль, автоматически переносят опыт разработки и производства цеппелинов (жёсткий дирижабль) на вакуумные летательные аппараты (дирижабли). В их расчётах оболочка получается либо не достаточно прочной, либо слишком тяжёлой. Наконец в 1993 году в России было запатентовано изобретение по первому способу вакуумирования оболочки (автор Малышкин А. И.)[4], с помощью которого её можно построить и лёгкой, и жёсткой, и противостоящей давлению атмосферы почти без силового каркаса. При этом оболочка будет работать на растяжение. Теоретически и испытаниями малой стендовой модели автор изобретения (по его информации) доказал возможность построения вакуумного дирижабля. В вышеуказанном изобретении предложены: один из возможных вариантов конструкции оболочки (с одноступенчатым насосом) и способ обеспечения её жёсткости, достаточной для противодействия её разрушению атмосферой, в котором для этого применена динамическая компенсация давления атмосферы . 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.Такое устройство по принципу действия почти аналогично подводной лодке. Ссылка на статью автора изобретения приведена ниже. [5]

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 дирижаблей технологии производства аэростатической техники, то есть для изготовления вакуумных дирижаблей необходимо также использовать технологии, которые применяются в авиационном и космическом производстве;
  • инерция мышления разработчиков проектов новых дирижаблей или они вынуждены придерживаться старых технологий;
  • конкуренция фирмам, которые разрабатывают и изготавливают самолёты и вертолёты;
  • отсутствие на сегодняшний день спонсоров и (в том числе) государств, которые захотели бы или могли финансировать разработку и постройку такого аппарата.

О проведении 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 оболочки путём сжатия или растяжения её гофрированной части при помощи системы полиспастов. Однако надёжность гофрированной части оболочки при частом её растяжении и сжатии очень низка.

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

Преимущества состоят в том, что:

  • вакуумный ЛА (ВЛА) в неактивированном состоянии на стоянке всегда много тяжелее воздуха (как самолёт), так как его оболочка полностью заполнена воздухом, в связи с чем ему не нужен эллинг;
  • посадка или взлёт ВЛА может осуществляться вертикально и при этом не нужны: взлётно - посадочная полоса аэродрома, гайдропы, причальная команда и причальная мачта;
  • изменение аэростатической подъёмной силы может осуществляться оперативно путём впуска в оболочку или удаления из неё воздуха как перед взлётом и посадкой, так и в процессе полёта;
  • не применяется ни огнеопасный водород ни дорогостоящий и текучий (очень высокая проникающая способность) гелий;
  • пожарная безопасность обеспечивается за счёт того, что внутри оболочки находится разреженый воздух и нет горючих газов;
  • большая надёжность и долговечность металлической оболочки (часть элементов оболочки может быть изготовлена из композитных материалов, а применение металлической части оболочки кроме всего прочего обеспечит лучший отвод тепла с её поверхности);
  • применение жёсткой металлической оболочки в совокупности с эффективной 3 - х осной системой её стабилизации в пространстве позволит такому летательному аппарату развивать в полете самолётные крейсерские скорости.

Хотя следует отметить, что некоторые из приведённых выше преимуществ можно отнести также к тепловым и гибридным дирижаблям, 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).

На оболочку, внутри которой отсутствует какой-либо газ, будет действовать подъёмная сила примерно на 14% большая, чем на оболочку с гелием, то есть разница в подъёмной силе между вакуумным и газовым дирижаблями не велика. На практике эта цифра будет менее 14% из-за невозможности или отсутствия практической надобности достигать «высокого» вакуума. Этот факт приводит скептиков к вопросам о целесообразности проведения работ по созданию вакуумного дирижабля, и они были бы правы, если бы не существовало множество принципиально неустранимых недостатков газовых дирижаблей, которые до сих пор препятствуют их широкому применению для грузовых и пассажирских перевозок. Кроме того, самолёты с вертикальным взлётом и посадкой (как показал опыт их эксплуатации) также пока не нашли широкого применения в основном из-за слишком большого расхода топлива при взлёте и посадке, а вертолёты имеют сравнительно низкую скорость и малую дальность полёта.

К недостаткам вакуумных дирижаблей (по сравнению с газовыми 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 оболочки (металлической) - значительным, что приведёт к необходимости увеличения её объёма (линейное увеличение размеров оболочки приводит к увеличению её объёма в кубической пропорции). Однако утяжеление конструкции оболочки будет не намного большим, чем у газового дирижабля с металлической оболочкой.

На других планетах[править | править вики-текст]

Принцип действия вакуумного дирижабля 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 атмосферное давление на планете назначения будет значительно большим чем атмосферное давление на Земле. При исследовании планет с высоким атмосферным давлением (например на Венере или Титане) внутри обитаемого летательного аппарата давление неизбежно будет пониженным (если его не увеличили на Земле перед стартом), в результате чего на аппарат 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). Если аппарат будет иметь вакуумируемую оболочку, то эта оболочка будет иметь меньший объём, чем оболочка земного аппарата с аналогичной подъёмной силой.

История[править | править вики-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 Терци (Francesco Lana de Terzi[6]) издал книгу «Prodomo ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso all’arte maestra» (Учение или трактат о некоторых новых изобретениях, предпосылаемый основному курсу (технических) искусств), 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. Франциско 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" (средняя плотность аппарата меньше плотности 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) патентное бюро в Лондоне опубликовало заявку № 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 (из-за недостаточной прочности материала оболочек) и до сегодняшнего дня не имеется информации о широком применении этого изобретения.

См. также[править | править вики-текст]

  • Подводная лодка
  • А.М. Ахметели, А.В.Гаврилин "Слоистые вакуумированные оболочки воздушных шаров", заявка на патент США 11/ 517915. Опубликована 23 февраля 2006 года.

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Вакуумный дирижабль
  2. vacuum_dirigible
  3. Вакуумный самолёт использует гравитацию вместо топлива
  4. ["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;http://aftershock.news/?q=node/305012]
  5. «Вакуумные летательные аппараты»
  6. http://airshipworld.blogspot.com/2007_09_01_archive.html, http://www.faculty.fairfield.edu/jmac/sj/scientists/lana.htm