Вакуумный дирижабль

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

Вакуумный дирижабль — дирижабль жёсткой конструкции, внутри оболочки которого создаётся и поддерживается вакуум заданной глубины, вследствие чего в соответствии с законом Архимеда возникает аэростатическая подъёмная сила (сила Архимеда). Управление величиной и знаком подъёмной силы должно осуществляться впуском в оболочку или выкачиванием 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 аэростаты с вакуумированными оболочками могут различаться по способу вакуумирования оболочки:

  • выкачиванием атмосферного воздуха из оболочки постоянного объёма вентилятором (турбовентилятором) или вакуум-компрессором;
  • увеличением объёма оболочки без одновременного увеличения её массы и поступления в неё воздуха из вне.

Возможно также применение комбинации вышеназванных 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 конструкции оболочки. Поэтому, в настоящее время обычно принято считать (например, см.[3] и на форумах Интернета в разделе «Вакуумный дирижабль»), что вакуумный дирижабль (не зависимо от способа вакуумирования его оболочки) изготовить невозможно потому, что в таком дирижабле может быть достигнут технический вакуум сравнительно высокой степени и из - за этого возникнут проблемы с целостностью оболочки. При этом (повидимому) считающие невозможным построить вакуумный дирижабль автоматически переносят опыт разработки и производства цеппелинов (жёсткий дирижабль) на вакуумные дирижабли. В их расчётах оболочка получается или недостаточно прочной и жёсткой, или слишком тяжёлой (см. ниже раздел История).

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 с не полным внутренним силовым каркасом лёгкой и прочной и жёсткой, и противостоящей давлению внешней атмосферы. Большая часть элементов силового каркаса оболочки по проекту Малышкина может иметь двойное назначение, что позволит облегчить конструкцию воздушного судна. При этом оболочка с большей частью силового каркаса будет работать на растяжение. В выше указанном изобретении предложены:

  • один из возможных вариантов конструкции оболочки (самый простой с одноступенчатым насосом для примера);
  • способ обеспечения жёсткости оболочки ( динамическая компенсация давления атмосферы), применение которого достаточно для эффективного противодействия её разрушению атмосферой.

Автор конструктивной схемы (по его информации) доказал возможность построения вакуумного дирижабля теоретически и испытаниями малой стендовой модели, фото которой приведено ниже.

Модель ВЛА, созданная автором для подтверждения возможности динамической компенсации давления атмосферы на оболочку аппарата

Боковая поверхность оболочки сделана из листовой резины ( для удобства наблюдения), а в нижней части оболочки размещён 2-х ступенчатый центробежный насос.

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 создания подъёмной силы 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 и для стабилизации высоты его полёта 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 вакуумного дирижабля следующие:

  • вакуумный летательный аппарат (ВЛА) в неактивированном состоянии на стоянке подобно самолету всегда много тяжелее воздуха, 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 для маневрирования по высоте;
  • не применяется ни огнеопасный водород ни дорогостоящий и весьма текучий (с очень высокой проникающей способностью) 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-хосной системой её стабилизации и ориентации в пространстве позволит такому летательному аппарату развивать в полете самолётные крейсерские скорости.

Однако следует отметить, что некоторые из приведённых выше преимуществ можно отнести также к тепловым и гибридным дирижаблям, но эти воздушные суда на стоянке (хоть и не полностью) всё равно обезвешены газом легче воздуха (гелием), что может помешать устойчивости этих аппаратов на стоянке при сильном ветре и приведёт к необходимости строительства для них крупногабаритных ангаров (эллингов) или других защитных или удерживающих аппарат устройств.

На оболочку, внутри которой отсутствует какой-либо газ, будет действовать подъёмная сила примерно на (14 - 16)% 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 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 используемые 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 в сравнении с водородным дирижаблем 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 в рабочией полости летательного аппарата пониженного по сравнению с внешней атмосферой давления, что необходимо для создания аэростатической подъёмной силы. Задача конструкторов значительно упростится, если атмосферное давление на планете назначения будет значительно большим такового на Земле. При исследовании планет с более плотными чем у Земли атмосферами (например Венеры или Титана) 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 больше чем у Земной атмосферы, эта подъемная сила может сравнятся с силой тяжести на этой планете, 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 эксплуатируемого на Земле аппарата с такой же подъёмной силой.

История[править | править вики-текст]

История развития вакуумного дирижабля по способу выкачивания воздуха из оболочки более длинная и пока не настолько благополучная как у дирижабля теплового. Фактически она началась в 1670 году, когда иезуит Франческо Терци де Лана (1631–1687) (Francesco Lana de Terzi[6]) издал книгу «Prodromo, ovvero saggio di alcune invenzioni nuove premesso all’arte maestra» («Предварение, сиречь Описание некоторых новых изобретений, предзнаменующее Великое Искусство»), в 6-й главе которой он описал маленькое судно с мачтой и парусом на ней. Это судно, по утверждению автора, могло бы летать, поддерживаемое четырьмя медными предварительно вакуумированными сферами диаметром порядка 6 метров каждая, при толщине медной стенки около 0,1 мм. В 1686 г. Лана описал три других варианта подъёмных сфер: медную, диаметром порядка 40 м с толщиной стенки около 1,5 мм, а также две модельные, способные поднимать груз до нескольких кг: (стеклянную диаметром около 1,2 м с толщиной стенки около 0,15 мм и деревянную диаметром около 3 м с толщиной стенки около 1 мм)[7]. Франческо Лана был прав, полагая, что такое воздушное судно 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 воздушное судно было «легче воздуха» (когда средняя плотность воздушного судна меньше плотности воздуха) и могло взлететь за счет аэростатической подъемной силы. Это была только идея, не подкреплённая прочностными расчетами.

Теорию прочности сферической тонкостенной вакуумированной оболочки разработал швейцарец Р. Целли (R. Zoelli) в 1915 г. Комбинируя его уравнение прочности с условием плавучести в атмосфере, можно получить условие практической реализации сфер Лана:[8]

,

где – определённый комплекс прочностных показателей материала сферы («коэффициент Лана»), а – физический показатель свойств атмосферы в зоне полёта («атмосферное число Лана»), который можно вычислить, зная либо плотность и давление газа, либо его давление, температуру и молекулярный вес. Из всех восьми небесных тел Солнечной системы с плотными атмосферами лишь в нижних слоях атмосферы Венеры указанное условие может теоретически соблюдаться для сфер из современных композитных материалов или графена. Для несферических аппаратов подобного типа теории прочности пока нет, хотя определённые достижения имеются для вакуумированного цилиндрического сосуда (типа того, который с 1885 по 1900-е гг. пропагандировал в качестве кругосветного воздушного судна изобретатель Артюр де Боссэ и некоторые его подражатели).[9]

В 1974 году 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 (сойдет водород или гелий). По утверждению изобретателя этот газ должен поддерживать заданную форму оболочки от сдавливания её атмосферой (приоритет этой идеи принадлежит де Боссэ). Обе сферы во многих местах скреплены между собой. Однако до практической реализации этого изобретения дело не дошло (из-за недостаточной прочности материала оболочек) и по сей день нет 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
  7. Евг. Шиховцев. Летучее судно Франческо Лана сквозь три с половиной века (рус.) (2016). Проверено 18 июня 2016.
  8. Евг. Шиховцев. Возможен ли Ланолёт? (рус.) (2016). Проверено 18 июня 2016.
  9. Евг. Шиховцев. Вакуумный «Аэроплан» А. де Боссэ (рус.) (2016). Проверено 18 июня 2016.