Идея создание грузового дирижабля для перевозки неделимых грузов не нова. Однако до реализации этого проекта дело так и не дошло. В таежной зоне дирижабли и вовсе не эксплуатировались. Причин для этого много. Гигантский статически неустойчивый аппарат вблизи земли ведет себя неуклюже. Для причаливания требуются сложные причальные сооружения. Разгрузка тяжелых неделимых грузов на высокой причальной мачте невозможна ввиду того, что в момент разгрузки дирижабль должен взять на борт балласт того же веса, что и груз. Такая процедура требует времени. В этот момент дирижабль встанет свечой либо рухнет на землю, что недопустимо. Использование низких причальных мачт требует проведения громадных вырубок леса вокруг. Одним словом, использование дирижаблей для перевозки грузов в таежной зоне требует проведения дорогостоящих и длительных работ по строительству причальных сооружений, в то время, как дирижабль будет эффективен лишь на линиях малой напряженности, в малоосвоенной местности. В этих условиях спрос на грузоперевозки дирижаблем будет во многом определяться стоимостью и сложностью причальных сооружений.
Исходя из вышесказанного, грузовой дирижабль в условиях тайги должен удовлетворять следующим требованиям:
Причальные сооружения должны быть настолько просты, что их сооружение могло ограничиться двумя летними месяцами. Все комплектующие должны доставляться вертолетом;
Взлет и посадка должны осуществляться вертикально, чтобы ограничиться минимальной площадью вырубки леса;.
На взлете и посадке аппарат должен вести себя устойчиво;
При посадке аппарат должен контактировать с землей, чтобы сначала забрать балласт, а затем произвести разгрузку.
Данным условиям более всего отвечают моторизированные аэростаты. Такие аппараты использовались во время войны в качестве аэростатов заграждения. Имея собственный двигатель, они могли самостоятельно менять позиции без участия наземной команды. Однако, эта схема дальнейшего развития не получила. Для транспортировки неделимых грузов, а в дальнейшем и для использования в качестве крана, аппарат, который летает как дирижабль, а взлетает и садится, как змейковый аэростат, наиболее пригоден.
Такому аппарату не нужна причальная мачта. Он может приземляться на лесные поляны всего вдвое больше его длины, так как взлет и посадка у аэростата осуществляется вертикально. Взлет и посадка на привязном канате позволит существенно сузить ограничения по погоде.
Причальное сооружение будет состоять из лебедки, ловителей, резервуара с водой (балластом), помпы и небольшой бетонированной площадки.
Облик современного грузового моторизированного аэростата должен существенно измениться по сравнению с прежним по ряду причин:
В силу того, что грузовому аэростату потребуется большая скорость полета, такая же, как у дирижаблей. форма аппарата должна быть более обтекаема.
В силу того, что грузовой аппарат в любом случае будет иметь большую метацентрическую высоту, создание подъемной силы в режиме висения на привязи невозможно будет создать за счет угла атаки корпуса. Такому аппарату, для создания змейкового эффекта нужны цельноповоротные плоскости, размещенные вблизи центра тяжести.
Гигантское оперение аэростата будет мешать при посадке на грунт и при хранении в эллинге. Оперение должно быть компактным и не выходить за габариты корпуса, но обеспечивать устойчивость в режиме висения на привязи.
Попытки совместить преимущества змейкового аэростата и дирижабля долго не давали плодов, но пару лет назад пришла в голову идея кольцевого оперения, стал вырисовываться облик аппарата.
Предлагаю на суд сообщества воздухоплавателей свою схему грузового моторизированного аэростата.
Основной отличительной особенностью предлагаемой конструкции является компактное оперение, обеспечивающее статическую устойчивость аппарата на привязи. Оперение выполнено в виде шестигранника, где шесть радиально расположенных на цельнометаллической бобышке планов по периметру связаны шестью несущими планами, что придает конструкции жесткость и снижает изгибающие и крутящие моменты в планах.
Несмотря на малые габариты относительная площадь выбранного оперения – 0,4. .Эффективность, по моим расчетам, втрое выше в сравнении с обычными гребнями. Эффективность оперения увеличивается за счет увеличения плеча, удлинения, вынесения периферийных планов за пределы пограничного слоя.
Однако, эти выводы справедливы лишь на малых углах атаки, примерно, до 50 . Далее эффективность оперения будет падать за счет затенения планов друг другом и за счет срыва потока на корпусе, в то время, как у обычного оперения только растет за счет смещения центра давления назад на больших углах атаки. Оценить, плохо это или хорошо, не имею возможности, поскольку требуются сложные расчеты в области аэродинамики и динамики полета. Во всех штатных режимах угол атаки и не должен превышать 50. Другое дело – порывы.
Строгий расчет Су и Сх подобного оперения оказался слишком сложным из-за отсутствия необходимой литературы. Поэтому использовал простой прием, если не знаешь закон распределения циркуляции - выбирай эллиптический закон. Интерференцию между корпусом и оперением так же просчитал только при нулевом угле атаки. Чтобы не ошибиться построил модель и испытал в потоке воды с разными типами оперения. Y-образное оперение с удлинением плана 3,5 оказалось не много более эффективным, что было для меня приятной неожиданностью. Никаких измерений, конечно, не проводилось, а об эффективности судил по устойчивости движения. Всех, кого заинтересует это оперение - советую обратить внимание на сложность расчета площади подобного оперения.
Вес такого оперения будет минимален ввиду того, что оперение образует жесткую коробку. Изгибающий момент в каждом плане уменьшается в 5 раз, а момент кручения в два раза по сравнению с таким же планом закрепленным консольно. По форме и размерам план приближен к консоли самолетного крыла, методика расчета которого разработана очень основательно. За счет этого так же будет экономия веса. Тестовый расчет на модели аэростата 60000м3 удлинением корпуса 3,9 показал, что оперение вместе с цельнометаллической бобышкой будет весить 4т. При этом расчет велся по Су мах , V - 36м/сек, f - 1.5, поскольку порывы ветра, способные вывести один из периферийных планов на критический угол атаки в полете в неспокойном воздухе будут встречаться примерно с периодичностью – один порыв на 5000км. В такие моменты усилие, действующее на оперение, может достигать 30т.
Усилия от веса оперения и аэродинамических сил, действующих на оперение, полностью сосредоточены в самой крайней точке корпуса. Это приводит к появлению в хвостовой части корпуса значительных перерезывающих сил и изгибающих моментов. Для крепления оперения к корпусу мягкой конструкции служит хвостовое усиление.
Хвостовое усиление корпуса выполнено в виде конуса ферменной конструкции передающего усилие от оперения на баллон с подъемным газом. Внутри фермы расположен баллонет с подъемным газом. Однако, подъемная сила баллонета не может полностью компенсировать вес оперения и хвостового усиления. Таким образом, оперение в основном поддерживается за счет избыточного давления газа в баллоне. В баллоне постоянно поддерживается сверхдавление давление 80 кг/м .
Данная конструкция хвостового усиления может выдержать любые порывы ветра при скорости набегающего потока до 14м/сек. При большей скорости набегающего потока давление фермы на баллон от действия порыва превысит давление в баллоне. Произойдет потеря устойчивости баллона – оперение будет болтаться. Если оперение несколько сдвинуть вперед (на 5м) и увеличить полноту хвостовой части, то скорость уверенного полета увеличится до 20 – 25м/сек. Более высокую скорость следует использовать лишь для ухода от непогоды. Я думаю, что ничего страшного не произойдет, если в этом случае от порыва ветра корабль вильнет хвостом. Важно спроектировать хвостовое усиление так, чтобы конструкция при этом не разрушилась.
Форма оперения может быть и другой, например, в виде восьмиугольника или кольца. Радиальные планы можно заменить стойками. При этом важно не частить, а следить чтобы хорда профиля была меньше среднего расстояния между планами, чтобы их взаимная интерференция не уничтожила эффект от увеличения площади.
Другим отличием аппарата является цельноповоротное крыло для создания змейкового эффекта.
Цельноповоротное крыло такому аппарату необходимо для быстрой трансформации дирижабля в аэростат. Змейковый эффект обеспечивается почти исключительно за счет крыла, повернутого на 10 градусов. В полете крыло устанавливается под нулевым углом. Расчет показал, что мощная статическая пара не позволяет аэростату на привязи развернуться относительно потока на необходимый угол.
Способы разворота оси, конечно есть. Можно перекачать воздух в задний баллонет, можно перекачать балласт, но эти операции требуют много времени. При этом поворот оси аппарата на 10 градусов может привести к смещению груза или помешать посадке, так как оперение приблизится к земле. Данный аппарат произведет посадку с нулевым дифферентом на корму.
У цельноповортного крыла может быть и другое назначение. Если таким крылом компенсировать приращение подъемной силы, полученное за счет отклонения рулей высоты, то инверсионная критическая скорость аппарата будет равна нулю, что упростит управление и увеличит безопасность полета. Цельноповоротное крыло можно применить для быстрого набора высоты.
Данная схема применима и к обычным аэростатам. В этом случае периферийные планы можно заменить обычным полотном.
Подобный аэростат можно преобразовать в кран, правда, для этого нужно провести сложные такелажные работы. Для того, чтобы зафиксировать аэростат на месте, нужно сбросить три привязных каната, так чтобы они образовали пирамиду с углом 45 . Затем нужно сбросить балласт и кран готов. Манипуляции с передвижением груза можно производить с помощью наземных лебедок, подтягивая или отпуская привязные канаты. После окончания работ нужно вновь заправить аппарат балластом, подтянув к земле за один из канатов. Можно использовать твердый балласт в корзине. Поскольку точка крепления канатов к аппарату должна находиться под центром тяжести, то площадь оперения такого аппарата должна быть увеличена.
Отправлено: 26.03.09 18:44. Заголовок: Моторизированный аэростат
- участник сейчас на форуме
- участник вне форума